朝阳详解2014诺贝尔化学奖：超出光学显微成像极限

大家好，这里是老上光显微镜知识课堂，在这里你可以学到所有关于显微镜知识，好的，请看下面文章： 图一：　在19世纪末，恩斯特•阿贝（Ernst Abbe）对光学显微镜的分辩率限制做出了界定，以为 约是光波长的一半，即约为0.2微米。这意味着科学家们可以鉴别完全细胞，以及个中一些被称为细胞器的构成部门。然而，他们却无法分辩一个正常 小的病毒或者单个卵白质。图2：在惯例光学显微镜中，可以区分线粒体的轮廓，但其分辩率却无法超出0.2微米。　　图3：张由斯特凡•W•黑尔（Stefan W. Hell）应用STED显微镜拍摄而成的图像。左边为应用传统显微镜拍摄的 肠杆菌，右边是应用STED显微镜拍摄的同样的 肠杆菌。STED图像的分辩率是前者的3倍

　　新浪科技讯 北京时光10月8日新闻，2014年度诺贝尔化学奖授予两名美国科学家以及一名德国科学家，以表扬他们在“超高分辩率荧鲜明微技巧方面的进献”。来自美国 霍华德·休斯医学研讨所的埃里克·本茨格(Eric Betzig)，德国马克斯普朗克 生物物理化学研讨所的史蒂芬·赫尔(Stefan W. Hell)以及美国斯坦福 学的威廉·默尔纳(William E. Moerner)配合分享了本年的化学奖。

　　光学显微成像技巧向纳米标准的迈进

　　血红细胞，细菌，酵母菌以及游动的精子。当17世纪的科学家们次在光学显微镜下看到这些活生生的生物现象时，一个极新的世界在他们的面前打开了。这就是光学显微成像技巧的出生。自那今后，光学显微镜已经成为生物学研讨范畴最主要的对象之一。其他显微成像技巧，如电子显微镜，都须要进行样品的制备，而如许的制备进程会杀逝世细胞。

　　借助分子发光技巧超出物理极限

　　然而，历久以来，光学显微成像技巧的成长却一向受制于一个物理极限值的束缚。1873年，显微技巧专家Ernst Abbe提出了传统显微成像技巧的物理极限值：这种技巧的分辩率将永远不克不及跨越0.2微米。这一预言导致在20世纪的绝 多半时光里，科学家们都信任光学显微成像技巧将永远无法让他们冲破到更细微的标准上(Fig 1)。一些细胞内部的细胞器，如为细胞运动供给能量的线粒体，它们的轮廓是可以看到的。但要想进一步不雅察更小的对象，如细胞内部单个分子之间的互相感化则是基本弗成能做到的。这就有点像是不雅察一座城市，你可以看到城市里林立的高楼，但却无法看清个中生涯的居民们进进出出的日常生涯。为了懂得细胞的日常运作，科学家们须要对单个分子的运动进行追踪。

　　然而Abbe提出的这一物理极限因为本年的诺贝尔化学奖获奖人的工作被冲破了。从理论上说，如今再也没有任何障碍，阻拦科学家们对更小标准上的物体进行不雅察了。于是，显微成像酿成了纳米显微成像。

　　在冲破Abbe极限的计划中，有两种各自自力成长出来的技巧办法。而全部故事还得从1993年位于芬兰西南部的一间学生宿舍里讲起。有，当史蒂芬·赫尔在翻阅一本量子光学书时，他想到了一个绝妙的主张。

　　直面Abbe极限的年青挑衅者

　　1990年在海德堡 学获得博士学位之后，史蒂芬·赫尔一向在假想超出一个多世纪前提出的Abbe极限的办法。想要挑衅一种现存的主流不雅点是令人高兴的。但其时德国的几乎所有科学家都对他的设法主意持疑惑立场，于是赫尔转而向遥远的北方追求支撑。芬兰图尔库 学一名主攻荧鲜明微成像技巧的传授给了他在本身研讨组里的一个职位。赫尔坚信必定有着可以冲破Abbe极限的办法。而当他在一本量子光学书中读到有关受激发射的内容时，一种全新的设法主意在他的脑海中逐渐成型。2009年时他曾经如许评价其时本身的感触感染：“其时，谁人设法主意吸引了我。我终于有了明白的想要去寻求的偏向。”

　　解决计划：纳米标准的闪光样品扫描

　　在芬兰图尔库 学，赫尔专攻所谓荧鲜明微成像学，这是一种技巧办法，科学家们借助荧光分子对细胞的局部进行成像。好比说他们可以应用荧光抗体联合的办法来不雅察分子DNA。他们应用短暂的闪光激发该抗体，让它们在短时光内发光。假如抗体与DNA联合了，那幺它就会从细胞的焦点部位发光，因为那边恰是细胞核内存储DNA的地位。经由过程这种办法，科学家们可以断定某一特定分子的地点地位。但如许也仅仅是能让科学家们肯定 团分子，如环绕纠缠纠缠的DNA分子的地点地位。如许做的分辩率太低，难以区分出特定的DNA链。你可以想象一下看到环绕纠缠的纱线，而看不清单根纱线的场景。

　　而当史蒂芬·赫尔读到有关受激发射的内容时，他意识到应该有可能制成一种装配，其应用纳米闪光灯扫过样品，每次一纳米。应用受激发射道理，科学家们可以冷却荧光分子。它们将一束激光束瞄准一个分子，后者立刻掉去能量并变得暗淡。在1994年，史蒂芬·赫尔揭橥了一篇文章陈说了本身的这一设法主意。在这一他假想中的技巧计划，也就是所谓“受激发射减损技巧”(STED)上钩划采取闪光来激发所有的荧光分子，随后应用别的一次闪光让所有分子荧光熄灭——那些位于中部地位上纳米标准空间内的除外(图 2)。当进行记载时则只记载下这一部门。让这一光束扫过全部样品外面，并持续记载光强信息，就有可能获得一张整体图像。每次许可发出荧光的空间区域越小，最后获得的图像分辩率便越高。于是，从道理上说，对于光学显微成像的极限再也不复存在了。

　　在德国研制首台纳米闪光装配

　　然而史蒂芬·赫尔的理论文章并没有立刻在学术界引起存眷，但却足以让史蒂芬·赫尔在德国马克斯普朗克生物物理化学研讨所获得一个职位，在接下来的数年里，他将本身的假想逐渐酿成实际：他开辟出了STED显微镜。2000年，他证实了本身的技巧办法在现实工作中是可行的。其时他对 肠杆菌进行了摄像，其分辩率是此前任何光学显微镜都从来未能到达过的(图 3)。

　　STED显微镜经由过程多次小区域上采集光线并最终形成整体成像图。与之相反，此次获奖的第二种技巧计划，即所谓“单分子显微成像技巧”，则涉及多幅整体图像的叠加。埃里克·本茨格和威廉·默尔纳各自自力的奠基了这项技巧的基本。这一技巧的最初故事是从默尔纳初次胜利探测到单个渺小的荧光分子开端的。

　　默尔纳——初次探测到单个荧光分子

　　在 多半化学办法中，好比测量荧光的接收，科学家们一般都是同时对数以百万计的分子同时进行不雅察。这类试验获得的成果一般代表的是典范或平均分子的情形。科学家们只能接收如许的成果，因为这是无法转变的。但历久以来他们都一向妄想着有朝一日可以或许对单一分子进行直接的测量，因为加倍详尽和丰硕的熟悉或许可以或许带来对一些现象，好比疾病成长进程更深入的懂得。

　　于是，在1989年，当默尔纳成为世界上首位胜利测量单个荧光分子光接收的科学家时，那是一项巨大的造诣。其时他在IBM位于加州的研发中间工作。这项试验开启了通往新的将来的 门，并启示 量化学家将他们的留意力转向单分子研讨，个中一位就是埃里克·本茨格。

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