如何让光学显微镜的分辨率超过电子显微镜？ 第1页

这个问题下好多答主提到了光学显微镜的衍射极限相关的限制，并因此认为不可能让光镜超过电镜。确实，在目前最先进的电镜已经把分辨率提高到皮米级别的情况下，要让光镜分辨率超过电镜是不可能的。但是如果我们把要求放宽一点，要求光镜分辨率达到电镜级别，那么还是可以找到好几种思路的。

其它答主提到的衍射极限 是经典的限制显微镜分辨率的公式，其中分子是波长，N.A. 是数值孔径，要想提高分辨率，就要尽可能减小波长，增大数值孔径，而由于可见光波长范围的限制，外加上技术上数值孔径提升也很有限，导致最终光学显微镜最高的分辨率被限制在了200纳米左右。但科学家也能找到办法去突破这200纳米的极限。

思路一. 暴力降低波长，压榨衍射极限

波长越短，分辨率越高。假如我们把光学显微镜的定义范围拓展一点：照明光不仅限于可见光，而延展到使用X-光，甚至 射线这种超短波长的光去照明，波长从几百纳米降低到几纳米，分辨率自然就能大大提高，最大程度上压榨衍射极限能允许的分辨能力。

目前X-光显微镜（注意不是医院的X-光机，原理不是一回事）的制造难点一是在于得到高质量的X-射线光源成本较大，更重要的是其频率实在太高，很难偏折，难以使用透镜将其汇聚。我查找了一下目前伯克利，以及德国电子加速器等机构都制造出了这种X-光显微镜，分辨率达到了10nm，已经达到了普通扫描电镜的级别。

思路二. 改进成像原理，突破衍射极限

为了突破衍射极限，科学家从成像原理出发，发明了种种超分辨技术，其代表性的技术如STED，STORM等，都是利用荧光分子的开关特性，从物理或算法上，大大突破普通光学显微镜的分辨率限制。

这里直接给出两个分辨率的公式：

STED: , STORM:

可以看到两者都在原有基础上分母项引入了新的因子，其中STED是激发光强与饱和光强的比值，STORM是接受到的光子数。通过增大这个因子，比如增大光强或者延长拍摄时间等，理论上它们的分辨率都能够无限提高。

实际中超分辨显微技术的分辨率已经到了10nm，也已经达到了普通扫描电镜的级别。限制它们分辨率的首要因素是荧光分子实际尺寸的大小。当分辨率足够小的时候，荧光分子的自身的几何尺寸已经不可忽略。期待未来能够找到纳米级甚至更小的荧光分子。

思路三. 改用近场成像，绕过衍射极限

所谓的衍射极限本身其实是有适用范围的，这个公式只在远场成像下适用。远场下，样品只有低频部分信号（即尺度大于照明光波长）的信号能够传播。而高频信息则在样品几个纳米以内距离里迅速衰减。如果能够在这些信号完全衰减掉之前就将其探测收集到，获得样品的高频信息，就能够得到样品的更精细的结构，这就是近场显微镜NSOM的原理。

近场成像使用超微探头伸到样品表面出去收集高频信息，或者照明探头离样品很近使高频光也能照明样品，使得分辨率大大提高。目前也已经达到了10nm，达到普通扫描电镜的水平。目前限制它的因素应该就是探头的工艺了。当然，在分类上NSOM或许应该被分为扫描探针显微镜，不过人家毕竟也是用的可见光去照明，照明或者收集信号也都有用光学透镜，我认为把它放在光学显微镜里讲也是合适的。

总结

以上列举了三个使光学显微镜达到电镜级别分辨率的思路，并且它们在原理上都仍然有还有很大的提高潜力。随着各种工艺，材料科学的发展，未来它们可能真的能够超过一部分电镜的分辨率。