2019年，全球超高分辨率顯微鏡（super-resolution microscopes，SRM）市場規(guī)模為26億美元，預(yù)計(jì)從2020年到2027年復(fù)合增長率（CAGR）為8.7％。在預(yù)測期內(nèi)推動(dòng)該市場增長的關(guān)鍵因素包括：在生命科學(xué)行業(yè)中的應(yīng)用不斷增加、技術(shù)進(jìn)步以及對(duì)納米技術(shù)的日益關(guān)注。共聚焦和熒光顯微鏡的局限性在于XY橫向分辨率大于200-250nm，超分辨率顯微鏡克服了上述限制，可提供高達(dá)10-20nm的分辨率，有望為正在進(jìn)行的醫(yī)學(xué)和納米技術(shù)研究提供新的洞察力。研究人員將這些先進(jìn)的顯微鏡用于醫(yī)療程序和診斷。例如，利用帶多光子或其它先進(jìn)成像技術(shù)的微內(nèi)窺鏡，可將這些工具長期應(yīng)用于新型醫(yī)療。
超分辨率顯微鏡可對(duì)細(xì)胞樣品進(jìn)行可視化觀測，分辨率類似于光學(xué)熒光顯微鏡和衍射極限分辨率。對(duì)于所需研究的分子種類，超分辨率顯微鏡是可對(duì)細(xì)胞環(huán)境和活細(xì)胞**進(jìn)行三維可視化的設(shè)備。
由于技術(shù)進(jìn)步和研發(fā)支出增加，北美是*大的區(qū)域市場。慢性病發(fā)病率上升和對(duì)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的需求增加，是推動(dòng)該區(qū)域市場增長的因素；同時(shí)該地區(qū)的基金項(xiàng)目也迫使研究人員采用超分辨率顯微鏡。
Covid-19大流行導(dǎo)致私人和公共商業(yè)環(huán)境受到嚴(yán)格限制。在大流行期間，由于為防止感染擴(kuò)散而進(jìn)行的活動(dòng)突然中斷，已記錄到包括超分辨率顯微鏡在內(nèi)的各種醫(yī)療設(shè)備的制造和供應(yīng)減少。在大多數(shù)國家/地區(qū)，所有正在進(jìn)行的研究都已暫停，因?yàn)榇蠖鄶?shù)研究實(shí)驗(yàn)室都在研究新型冠狀病毒以及相關(guān)的診斷方法。
此外，所有制藥實(shí)驗(yàn)室已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到藥物設(shè)計(jì)和確定新型病毒株的藥物靶點(diǎn)上。隨著成像設(shè)備和顯微鏡產(chǎn)量的減少以及供應(yīng)鏈的中斷，對(duì)超分辨率顯微鏡的需求預(yù)計(jì)將暫時(shí)下降。
丹納赫公司（Leica Microsystem的母公司）在其2019年年度報(bào)告中提到了對(duì)其全球運(yùn)營的不利影響，暴露了由于大流行而造成的公共衛(wèi)生危機(jī)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)供應(yīng)鏈和分銷系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)面影響，減少了對(duì)公司產(chǎn)品和服務(wù)的需求。
受激發(fā)射耗竭（STED）顯微鏡 在2019年占據(jù)了23%的*大市場份額，并將以穩(wěn)定的復(fù)合年增長率進(jìn)一步增長，因?yàn)樗軌蛱峁o衍射限制的圖像，無需進(jìn)一步的計(jì)算處理?？焓鴴呙鑳x（fast-beam scanners）的應(yīng)用使STED顯微鏡成為*快的超分辨率成像技術(shù)之一，因?yàn)樗恍枰杉蟮臄?shù)據(jù)處理。
它在小視場下的顯示速度很快，成為對(duì)小區(qū)域進(jìn)行視頻速率成像的有效技術(shù)。STED技術(shù)的其他增長驅(qū)動(dòng)因素包括：它與有機(jī)染料的相容性、實(shí)時(shí)細(xì)胞成像以及在神經(jīng)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域越來越多的研究和開發(fā)。近年來，結(jié)構(gòu)照明顯微鏡（Structured Illumination Microscopy，SIM）的應(yīng)用使得研究人員能夠直接觀察核孔復(fù)合體（NPCs），從而識(shí)別和解決核超結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面。
與傳統(tǒng)熒光顯微鏡相比，隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（STORM）和光激活定位顯微技術(shù)（PALM）技術(shù)在空間分辨率方面提供了*大的改進(jìn)。這些方法更容易理解，并依賴于熒光探針的化學(xué)性質(zhì)，閃光和關(guān)閉。在這些大量拍攝到的圖像中，隨機(jī)閃爍的開關(guān)使得單個(gè)分子的精確定位變得不可思議。 另一個(gè)技術(shù)是熒光光敏定位顯微鏡(fluorescence photoactivation localization microscopy, FPALM)。
2019年，生命科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了超過40%的*大市場份額，其余依次是：納米技術(shù)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體和其它。為了正確理解神經(jīng)功能失調(diào)和機(jī)制，神經(jīng)科學(xué)在很大程度上依賴于先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)，特別是活體腦成像技術(shù)。
增加對(duì)傳染病機(jī)制的研究，了解病毒結(jié)構(gòu)，癌細(xì)胞增殖機(jī)制和信號(hào)通路，是推動(dòng)生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的主要因素。此外，在藥物開發(fā)中不斷增加的產(chǎn)品應(yīng)用，以了解大分子的結(jié)構(gòu)生物學(xué)及其功能，預(yù)計(jì)將促進(jìn)該部門的增長。然而，納米技術(shù)預(yù)計(jì)將在預(yù)測期內(nèi)實(shí)現(xiàn)*快的復(fù)合年增長率。這歸因于在研究各種生物過程中不斷增加的產(chǎn)品應(yīng)用，揭示了納米顆粒與細(xì)胞的結(jié)合及其結(jié)果。
北美在2019年占據(jù)了超過33%的*大市場份額，并將在整個(gè)預(yù)測期內(nèi)保持**地位。先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)施、了解各種疾病機(jī)理的研發(fā)投入以及該地區(qū)廣泛的藥物開發(fā)活動(dòng)預(yù)計(jì)將推動(dòng)超分辨率顯微鏡市場的增長。此外，醫(yī)療補(bǔ)償設(shè)施的可用性也促進(jìn)了區(qū)域市場的增長。
該地區(qū)開展了廣泛的醫(yī)學(xué)研究，以研究各種疾病機(jī)制和各種需要突破常規(guī)顯微鏡限制的途徑。對(duì)于這種情況，超分辨顯微鏡在檢測中起著重要的作用。Danaher（徠卡微系統(tǒng)的母公司）和Applied Precision（GE Healthcare）等市場**企業(yè)的總部位于美國，生產(chǎn)基地位于不同的地點(diǎn)。
在預(yù)測期內(nèi)，亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將創(chuàng)下*高的復(fù)合年增長率。這是由于越來越多的跨行業(yè)采用這種顯微鏡，如學(xué)術(shù)生命科學(xué)，生物技術(shù)，制藥和納米技術(shù)。然而，與亞太市場相比，歐洲市場更大，這主要是由于該地區(qū)存在大量高端系統(tǒng)。此外，技術(shù)進(jìn)步和歐洲傳染病的高流行率也可能推動(dòng)其增長。
合作是這個(gè)市場持續(xù)發(fā)展的趨勢之一。例如，在過去幾年中，JEOL與尼康、卡爾蔡司與精工的合作提高了與超分辨率顯微鏡相關(guān)的產(chǎn)品競爭力，增加了銷售額，也建立了新的市場。合作通常發(fā)生在生產(chǎn)階段，預(yù)計(jì)會(huì)在開發(fā)和工程等領(lǐng)域增加。機(jī)電一體化、軟件、模擬電子和物理方面的技術(shù)知識(shí)是大多數(shù)公司生存的基礎(chǔ)。
市場是技術(shù)驅(qū)動(dòng)的，因此，制造商進(jìn)行嚴(yán)格的研發(fā)，開發(fā)新的和先進(jìn)的產(chǎn)品，以滿足醫(yī)療保健和其他行業(yè)不斷變化的需求。大公司采取的另一個(gè)關(guān)鍵戰(zhàn)略是并購。例如，2019年2月，Danaher Corp.收購了GE healthcare的生物制藥業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)還包括該公司的顯微鏡產(chǎn)品。
2017年5月，Bruker Corp.收購了Luxendo GmbH，以增強(qiáng)其超分辨率、掃描場共焦和多光子熒光顯微鏡產(chǎn)品組合，用于活細(xì)胞成像、小生物胚胎學(xué)、大腦發(fā)育和光遺傳學(xué)應(yīng)用。然而，各個(gè)地區(qū)的國內(nèi)制造商通過提供低價(jià)設(shè)備，對(duì)全球參與者構(gòu)成了激烈的競爭。在超分辨率顯微鏡市場上，一些**的參與者包括：
· Carl Zeiss Meditec AG 卡爾蔡司
· Nikon Corp. 尼康
· Olympus Corp. 奧林巴斯
· Leica Microsystems (Danaher Corp.) 徠卡
· Hitachi High Technologies日立**
· Applied Precision (GE Healthcare) GE生命科學(xué)
· Bruker 布魯克
· PicoQuant Group
1、 萊卡公司采用的超分辨技術(shù) STED
2000 年，德國科學(xué)家 StefanHell 開發(fā)了另一種超高分辨率顯微技術(shù)，其基本原理是通過物理過程來減少激發(fā)光的光斑大小，從而直接減少點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半高寬來提高分辨率。當(dāng)特定的熒光分子被比激發(fā)波長長的激光照射時(shí)，可以被強(qiáng)行猝滅回到基準(zhǔn)態(tài)。利用這個(gè)特性，Hell 等開發(fā)出了受激發(fā)射損耗顯微技術(shù) (stimulated emission depletion，STED)。其基本的實(shí)現(xiàn)過程如圖 2 所示，就是用一束激發(fā)光使熒光物質(zhì)(既可以是化學(xué)合成的染料也可以是熒光蛋白)發(fā)光的同時(shí)，用另外的高能量脈沖激光器發(fā)射一束緊挨著的、環(huán)型的、波長較長的激光將**束光斑中大部分的熒光物質(zhì)通過受激發(fā)射損耗過程猝滅，從而減少熒光光點(diǎn)的衍射面積，顯著地提高了顯微鏡的分辨率，原理見下圖。
STED 成像技術(shù)的*大優(yōu)點(diǎn)是可以快速地觀察活細(xì)胞內(nèi)實(shí)時(shí)變化的過程，因此在生命科學(xué)中應(yīng)用更加廣泛。
2、 蔡司公司采用的超分辨技術(shù) PLAM
2002 年，Patterson 和 Lippincott‐Schwartz 首次利用一種綠色熒光蛋白(GFP)的變種(PA‐GFP)來觀察特定蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種熒光蛋白 PA‐GFP 在未激活之前不發(fā)光，用 405nm 的激光激活一段時(shí)間后才可以觀察到 488nm 激光激發(fā)出來的綠色 
熒光。德國科學(xué)家EricBetzig 敏銳地認(rèn)識(shí)到，應(yīng)用單分子熒光成像的定位精度，結(jié)合這種熒光蛋白的發(fā)光特性，可以來突破光學(xué)分辨率的極限。2006 年 9月，Betzig 和 Lippincott‐Schwartz 等首次在 Science 上提出了光激活定位顯微技術(shù)(photoactivated localization microscopy，PALM)的概念。其基本原理是用 PA‐GFP 來標(biāo)記蛋白質(zhì)，通過調(diào)節(jié) 405nm 激光器的能量，低能量照射細(xì)胞表面，一次僅激活出視野下稀疏分布的幾個(gè)熒光分子，然后用 488nm 激光照射，通過高斯擬合來精確定位這些熒光單分子。在確定這些分子的位置后，再長時(shí)間使用 488nm 激光照射來漂白這些已經(jīng)定位正確的熒光分子，使它們不能夠被下一輪的激光再激活出來。之后，分別用 405nm 和 488nm 激光來激活和漂白其他的熒光分子，進(jìn)入下一次循環(huán)。這個(gè)循環(huán)持續(xù)上百次后，我們將得到細(xì)胞內(nèi)所有熒光分子的精確定位。將這些分子的圖像合成到一張圖上，*后得到了一種比傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡至少高 10 倍以上分辨率的顯微技術(shù)，原理如下：
PLAM 通過定位細(xì)微結(jié)構(gòu)乃至單分子，實(shí)現(xiàn) 20 nm 的橫向分辨率和 50 nm 軸向分辨率。
3、 尼康公司采用的超分辨技術(shù) STROM 和 SIM STROM
2006 年底，美國霍華德‐休斯研究所的華裔科學(xué)家莊曉薇實(shí)驗(yàn)組開發(fā)出來一種類似于 PALM 的方法，可以用來研究細(xì)胞內(nèi)源蛋白的超分辨率定位。他們發(fā)現(xiàn)，不同的波長可以控制化學(xué)熒光分子 Cy5 在熒光激發(fā)態(tài)和暗態(tài)之間切換，例如紅色 561nm 的激光可以激活 Cy5 發(fā)射熒光，同時(shí)長時(shí)間照射可以將 Cy5 分子轉(zhuǎn)換成暗態(tài)不發(fā)光。之后，用綠色的 488nm 激光照射 Cy5 分子時(shí)，可以將其從暗態(tài)轉(zhuǎn)換成熒光態(tài)，而此過程的長短依賴于第二個(gè)熒光分子 Cy3 與 Cy5 之間的距離。因此，當(dāng) Cy3 和 Cy5 交聯(lián)成分子對(duì)時(shí)，具備了特定的激發(fā)光轉(zhuǎn)換熒光分子發(fā)射波長的特性。將 Cy3 和 Cy5 分子對(duì)膠聯(lián)到特異的蛋白質(zhì)抗體上，就可以用抗體來標(biāo)記細(xì)胞的內(nèi)源蛋白。應(yīng)用特定波長的激光來激活探針，然后應(yīng)用另一個(gè)波長激光來觀察、精確定位以及漂白熒光分子，此過程循環(huán)上百次后就可以得到*后的內(nèi)源蛋白的高分辨率影像，被他們命名為隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微技術(shù) (stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)。2007 年，他們進(jìn)一步改進(jìn) STORM 技術(shù)，發(fā)展了不同顏色的變色熒光分子對(duì)，可以同時(shí)記錄兩種甚至多種蛋白質(zhì)的空間相對(duì)定位，從而闡明籠形蛋白 clathrin 形成的內(nèi)吞小泡與細(xì)胞骨架蛋白之間的精確空間位置關(guān)系，兩種顏色的分辨率都可以達(dá)到 20～30nm。原理如下圖：
STORM 通過一對(duì)染料對(duì)通過隨機(jī)發(fā)光空間定位，實(shí)現(xiàn)了 XY 20 nm 分 辨率。
SIM
改變光學(xué)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)來突破光學(xué)極限的另一個(gè)方法是利用飽和結(jié)構(gòu)照明顯微技術(shù)(saturated structure illumination microscopy，SSIM)。早在 1963 年，Lukosz 和 Marchand 就提出了特定模式側(cè)向入射的光線可以用來增強(qiáng)顯微鏡分辨率的理論。2005 年，加州大學(xué)舊金山分校的 Gustafsson 博士首先將非線性結(jié)構(gòu)性光學(xué)照明部件引入到傳統(tǒng)的顯微鏡上，得到了分辨率達(dá)到 50nm 的圖像。SSIM 技術(shù)的原理是將多重相互衍射的光束照射到樣本上，然后從收集到的發(fā)射光模式中提取高分辨率的信息。如圖所示：
SIM 通過結(jié)構(gòu)照明莫爾紋原理實(shí)現(xiàn)了任何熒光染料都可以達(dá)到 XY 100nm。
4、 奧林巴斯公司采用的 OSR 技術(shù)
圖像超分辨率重構(gòu)(super resolution。SR)是指利用計(jì)算機(jī)將一幅低分辨率圖像（low resolution，LR）或圖像序列進(jìn)行處理，恢復(fù)出高分辨率圖像（high resolution，HR）的一種圖像處理技術(shù)。奧林巴斯超分辨技術(shù)通過高倍 60X 或者 100X 油鏡，通過縮小共聚焦上的針孔，用強(qiáng)激光將樣品掃描 20~50 次后通過軟件進(jìn)行運(yùn)算重構(gòu)，此技術(shù)存在一定的局限性：
1、必須使用高倍油鏡低倍不適用
2、因縮小針孔需使用強(qiáng)激光對(duì)樣品損傷比較大。
3、對(duì)樣品掃描 20~50 次，樣品熒光淬滅嚴(yán)重，更不適用于活細(xì)胞。
4、環(huán)境要求較高，在做 20~50 次的過程中因環(huán)境振動(dòng)等引起*后軟件運(yùn)算不準(zhǔn)確。
5、共聚焦圖片均為軟件著色，不能做多色熒光標(biāo)記，容易引起串色。
