通过荧光显微或纳米显微镜对细胞分子模式进行成像，可能深入了解分子行为与功能的关联。荧光显微镜能在多大程度上分辨出一个结构或分子，取决于从结构中采集到的光的量——虽然可以延长曝光时间以增加检测光的量，然而微观结构表现既有随机的布朗运动，也有自身的主动运动，延长曝光时间会导致结构成像模糊。也就是说，空间和光谱分辨率从根本上受到有限光子通量和光漂​​白引起的运动模糊的限制。在生理温度下，光化学反应不仅限制了多尺度成像，而且对维持细胞组织的生化反应也是有毒的。减少分子运动的一种解决方法是细胞的化学固定，随后嵌入抗褪色介质以降低光漂白率，然而更大的问题是固定过程至少需要几分钟，并且通过交联、变性反应从根本上改变了样品，因此不能忠实地捕捉动态的、不平衡的分子模式。

另一方面，细胞可以通过快速冷冻成固体或达到非常高粘度的温度来实现物理固定。水的粘度从 37° 到 -196°C 之间至少增加 15 个数量级，扩散变得可以忽略不计。活细胞必须极快地冷却到玻化转变温度 ≈-136°C 以下，以避免冰晶对细胞结构的机械破坏，以及脂质膜和蛋白质的变性。如果冷却速度足够快，水分子就会因无法达到热力学平衡而保留类似液体的结构，能够在超低温下保存细胞失衡的大分子模式。

德国Max Planck研究所的研究人员开发出一种可与显微镜集成的超快速冷却装置，可在活细胞的显微观察过程中实现无冷冻保护剂的超快速冷冻捕获活细胞，可以直接在荧光显微镜上观察活细胞中任何感兴趣的时间点(毫秒)的分子活动模式，允许在冷冻捕获之前对观察目标的动态过程进行成像，并将其与同一细胞冷冻捕获后在多个尺度的精确分子模式成像相互结合，同时成功绕过分子运动模糊和光破坏这两大困扰。这项出色的成果发表在《科学进展》杂志上。

超低温冷冻捕获细胞是通过极其快速地冷却到超低温度(-196°C)实现的——这个温度下分子运动趋于停止。冻结行动必须非常迅速——必须比冰的形成过程快，因为冰的形成会破坏细胞，而在0°C到-136°C的临界范围内，冰的形成非常快。在非常低的温度下(低于-136°C)，冰晶无法形成，水分子的运动实际上是趋于停止的。这意味着冷却速度必须超过每秒10万摄氏度。

研究人员将含有样品的显微镜玻璃盖玻片（∅ 4 mm）直接粘附到金刚石热交换器（∅ 5 mm）上，对准落射荧光显微镜的高数值孔径（NA）空气物镜（NA：0.95）——这样能够在进行冷冻捕获之前以及在冷冻捕获期间对样品连续成像。他们利用加压液氮（LN 2：-196°C，50 巴）快速冷却钻石的另一侧，随之而来的高流量冷却剂对金刚石进行高效的对流冷却，通过金刚石高导热率从样品中极为快速提取热量，从而实现了超高冷冻效率，将细胞内的一切瞬间“凝固”在-196°C，保留了本来的分子模式，以供显微镜继续成像。水的粘度从 37° 到 -196°C 之间至少增加 15 个数量级，扩散变得可以忽略不计。因此，在超低温捕获下，可以超越分辨率和定位精度的基本限制。这不仅解决了运动模糊的问题，也停止了光化学破坏。

超快速冷冻捕获技术允许使用通常具有破坏性的高激光功率，以几十纳米的分辨率分析本来看不见的天然分子模式。由于在-196°C时没有光破坏，同一个被冷冻捕获的细胞可以通过不同的显微镜模式——从分子到细胞尺度的各种模式进行观察和测量。这奇妙的设计打开了几乎无限的、让隐藏的分子模式“曝光”的可能性，新技术可能实现从纳米角度探索细胞内分子之间的相互作用——例如原癌蛋白和肿瘤抑制蛋白之间如何相互作用——等更多的分子细节。

“这是荧光显微镜的一个重要进步，特别是超分辨率显微镜和显微光谱的结合，允许在多个尺度上描绘细胞中的分子反应。”德国多特蒙德马克斯·普朗克分子生理学研究所系统细胞生物学系主任、教授菲利普·巴斯蒂安斯博士说。“它将改变我们观察细胞中分子组织和反应模式的方式，因此提供更多关于生命物质自组织能力的见解。”