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详解2014诺贝尔化学奖超越光学显微成像极限物流

发布时间:2019-11-29 12:46:41 阅读: 来源:砂浆泵厂家

详解2014诺贝尔化学奖:超越光学显微成像极限

在常规光学显微镜中,可以区分线粒体的轮廓,但其分辨率却无法超越0.2微米。

新浪科技讯北京时间10月8日消息,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,以表彰他们在“超高分辨率荧光显微技术方面的贡献”。来自美国霍华德·休斯医学研究所的埃里克·本茨格(Eric Betzig),德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的史蒂芬·赫尔(Stefan W. Hell)以及美国斯坦福大学的威廉·默尔纳(William E. Moerner)共同分享了今年的化学奖。

光学显微成像技术向纳米尺度的迈进

血红细胞,细菌,酵母菌以及游动的精子。当17世纪的科学家们第一次在光学显微镜下看到这些活生生的生物现象时,一个崭新的世界在他们的眼前打开了。这就是光学显微成像技术的诞生。自那以后,光学显微镜已经成为生物学研究领域最重要的工具之一。其他显微成像技术,如电子显微镜,都需要进行样品的制备,而这样的制备过程会杀死细胞。

借助分子发光技术超越物理极限

然而,长期以来,光学显微成像技术的发展却一直受制于一个物理极限值的约束。1873年,显微技术专家Ernst Abbe提出了传统显微成像技术的物理极限值:这种技术的分辨率将永远不能超过0.2微米。这一预言导致在20世纪的绝大多数时间里,科学家们都相信光学显微成像技术将永远无法让他们突破到更细微的尺度上(Fig 1)。一些细胞内部的细胞器,如为细胞活动提供能量的线粒体,它们的轮廓是可以看到的。但要想进一步观察更小的对象,如细胞内部单个分子之间的相互作用则是根本不可能做到的。这就有点像是观察一座城市,你可以看到城市里林立的高楼,但却无法看清其中生活的居民们进进出出的日常生活。为了了解细胞的日常运作,科学家们需要对单个分子的活动进行追踪。

然而Abbe提出的这一物理极限由于今年的诺贝尔化学奖获奖人的工作被突破了。从理论上说,现在再也没有任何障碍,阻止科学家们对更小尺度上的物体进行观察了。于是,显微成像变成了纳米显微成像。

在突破Abbe极限的方案中,有两种各自独立发展出来的技术方法。而整个故事还得从1993年位于芬兰西南部的一间学生宿舍里讲起。有一天,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意。

直面Abbe极限的年轻挑战者

1990年在海德堡大学获得博士学位之后,史蒂芬·赫尔一直在设想超越一个多世纪前提出的Abbe极限的方法。想要挑战一种现存的主流观点是令人兴奋的。但当时德国的几乎所有顶尖科学家都对他的想法持怀疑态度,于是赫尔转而向遥远的北方寻求支持。芬兰图尔库大学一名主攻荧光显微成像技术的教授给了他在自己研究组里的一个职位。赫尔坚信一定有着可以突破Abbe极限的方法。而当他在一本量子光学书中读到有关受激发射的内容时,一种全新的想法在他的脑海中逐渐成型。2009年时他曾经这样评价当时自己的感受:“当时,那个想法吸引了我。我终于有了明确的想要去追求的方向。”

待续

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