编者：凭借天才奖，庄小威早在7年前就声名鹊起，34岁贵为哈佛正教授，刷新了多次第一记录后，也成了国人赴外留学的榜样。去年，在展会上第一次听到这个名字，天才美女科学家—庄小威，强大的google搜索出63页的内容，全是她本人的消息。从那开始了解超高分辨率显微镜，也有了做一期 “超高分辨率显微镜”专题的打算。
 
      庄小威其人：1972年生人。1987年，15岁时从苏州中学科大少年班预备班考入中国科技大学少年班。1991年毕业赴美，1997年，在加州大学伯克利分校拿到物理学博士学位。 2001年，被聘为哈佛大学助理教授。5年后的2006年初，成为物理和化学系的双聘教授。此前曾获得2003年“天才奖”，是第一位获此荣誉的华人女科学家。（摘自百度百科）

 

研究方向：

1、Super-resolution Optical Imaging

2、Nucleic Acid - Protein Interactions

3、Virus-cell Interactions

 

研究成果：

庄小威创造性地将荧光光谱和显微分析技术应用于单个分子，这种崭新的物理手段，使得实时揭示复杂生物过程中的分子个体及其运动步骤成为可能。 

 

前言：

    由于具有高特异性，荧光显微镜被广泛用于分子和细胞生物学的非侵入性、时间分辨成像。尽管有这些优势，由于光学衍射造成的分辨率限制，传统的荧光显微镜已经不适于超微结构成像。有几种方法已经开始打破这些衍射局限，包括近场扫描光学显微镜、多光子荧光显微镜、STED和SSIM。NSOM、STED和SSIM的侧向分辨率达到几十nm，但是也达到了各自的分辨率极限。NSOM很难在非侵入模式下操作，焦深小。多光子显微镜、STED、SSIM都属于非线性光学效果，需要高强度的脉冲激光，会导致样品受损。要开发超高分辨率成像技术，必须利用好荧光显微镜的优势。

 

   在2006年的Nature上，庄小薇与其它同事发现了一种能够数百次反复在各种颜色的光照下使用且可在荧光态和暗态转化的发光分子团，从而得到了一种比传统光学显微镜高10倍以上分辨率的显微技术，并将这种技术命名为随机光学重建显微法(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)。

 

STORM原理：

   利用可光转化荧光分子的开关，对其准确定位，然后重建荧光图像。STROM成像过程包含一系列图像循环。每个循环中，只打开视野下一部分荧光基团，这样每个活跃的荧光集团都被分辨，它们的图像与其他分子分开，不重叠。这样确定了基团的准确位置，多次重复这个过程，每次随机打开荧光基团的不同亚基，得到图像，确定每个亚基的位置后，把以上图像重建成清晰的整个图像。以下的例子中，研究者们获得20nm左右的分辨率。

A

B

Figure 1 STORM成像原理图

A STORM成像顺序：假定一个标记红色荧光基团的六聚体，这个荧光基团在红色和绿色脉冲激光下可转换荧光和暗态。所有的荧光基团都可被强红脉冲激光转化成暗态。在每个成像循环，绿色激光脉冲只打开荧光基团的一部分，这样可以分辨出活跃的荧光基团。接下来，红光照明下，关闭前这些分子一直发出荧光，这样可以准确确定他们的位置。多个成像循环后重建整个图像

B 永久淬灭前，连在DNA上的Cy5能被打开关闭数百次，红色激光(633 nm, 30W/cm2)被用于激发Cy5和转化Cy5到暗态。绿色激光(532 nm, 1 W/cm2)被用于转换Cy5到荧光状态。红绿线的转换显示不同的激光激发模式。

 

实验验证：

A

B

C

Figure 2 STORM 可以突破衍射极限分辨超微结构

A STORM清晰地分辨出在dsDNA上轮廓长度为46nm的两个开关。DNA的结构在左边，三个DNA样品的STORM图像在右边。STORM图像显示出清晰分开的两簇，每簇和单个开关相对应。每簇的中心位置都用红点标记，三个样品开关间距离分别为46nm、44nm、34nm。

B 连在dsDNA上4个开关的STORM图像，每对开关间的轮廓距离为46nm。

C 外包RecA质粒DNA的STORM图像，显示了全内反射显微镜下开关标记的免疫荧光图像；同一个丝状体的STORM成像。

 

STORM的优点：

1、突破衍射极限：以上展示的STORM图像显示了两簇被检开关位置，可以看出双开关很好的分开了。两簇中心的距离是41nm，与理论上的量值符合。研究者还用4个开关标记过更长的DNA样品，STORM图像揭示出四簇开关的位置和开关间的距离(Fig. 2B)。这些结果显示STORM可以在突破衍射分辨率限制的情况下为生物样品成像。

 

2、可控模式下开启、关闭开关，进而定位大批开关的位置，这样可用于生物成像技术。为展示这方面的能力，他们准备了外包RecA蛋白的DNA环状质粒，用开关式二抗进行间接免疫荧光成像。(Fig. 2C)

STORM配置：包括简单全内反射显微镜、低压连续波长激光器和光转换染料，如花青素Cy3和Cy5。

技术缺陷：整个STORM技术的图象处理过程需要几分钟的时间，太慢，同时染料不够丰富。

 

最新进展：

1、2007年Science的一篇研究报告：利用一组可转换荧光探针获得了多色随机光学重建显微法（multicolor stochastic optical reconstruction microscopy）。利用这种方法，研究人员以20-30纳米级别的分辨率演示了DNA模式样品和哺乳动物细胞的多色成像，这种纳米级的技术不仅将在分子相互作用的直接可视成像方面大放异彩，也将帮助其它细胞活动或分子活动的观测。

 

2、2008年Science的一篇研究报告：利用3D STORM在纳米级确定单个荧光基团的轴向和侧向位置，侧向分辨率达到20-30nm，轴向分辨率达到50-60nm，这样可以分辨纳米级的3D结构。(中国显微图像网译制)