生命科学的发展总是与显微成像技术的进步紧密相连。受限于光学衍射特性，传统远场荧光显微镜的分辨率止步于250 nm，阻碍了人们在更为精细的尺度上理解细胞的功能、相互作用和动力学特性。超分辨荧光显微技术通过有针对性或随机的分子转换机制，突破了这一限制，使得人们能够在纳米量级的分辨率下观察细胞和生物分子，极大地推动了生命科学的发展。由于这一突破，该技术获得了2014年诺贝尔化学奖。单分子定位显微镜是该技术的典型代表，在这一方法中，使用光子可转换的染料或荧光蛋白对生物样品进行染色，在特定的光照条件下，分子以稀疏的密度随机发光，显微镜探测到的点扩散函数可视为来自一个个孤立的分子；对这些点扩散函数进行定位，就能够获得对应分子的位置，再将所有位置叠加起来，就可以重建出生物结构的超分辨图像。目前，单分子定位显微镜针对厚度为20 μm以内的生物样品可以实现横向20 nm、轴向50 nm的分辨率，相比于传统的荧光显微镜，分辨率提升了一个数量级。然而，迄今为止，单分子定位显微镜在生命科学领域仍未得到广泛应用，这主要源于三方面原因：第一，当成像深度较大（如超过50 μm）时，样品内部复杂的生物和光学环境会引起点扩散函数的畸变，从而使得单分子携带的轴向定位信息严重缺失，轴向定位精度迅速恶化，导致重建结果出现伪影。第二，要实现荧光分子的随机发光，照明强度需要达到1 – 10 kW/cm²，当照明视场口径为200 μm时，需要约6 W的激光出射功率，对激光器要求较高。第三，单分子定位显微镜要求荧光染料具有随机发光特性，且不易荧光漂白，许多性能最适用的染料如AF647、CF660C等，发射光谱都集中在红外光波段，不易区分。因此，现阶段单分子定位显微镜仅局限于分辨常规出现的小尺度单色结构。对于同时需要大空间尺度和高分辨率的生物研究，或者观察大量细胞中的稀有特征，或者观察多种结构的分布和关联，单分子定位显微镜仍面临较多挑战。

本人致力于研发基于单分子定位的超分辨显微成像技术，包括搭建超分辨显微成像平台、开发单分子定位算法、开发新型荧光探针等。