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2014年诺贝尔化学奖解析

来源:未知作者:胡长胜 点击:所属专题: 诺贝尔化学奖
长期以来,光学显微镜被其自身的局限性所限制,分辨能力总是达不到光的波长的一半的尺度范围。2014年的诺贝尔奖获得者通过荧光分子,机智地解决了这一问题。他们突破性的工作将光学显微镜带进了纳米尺度。

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2014年诺贝尔化学奖解析

获奖理由:
据诺贝尔奖官网消息,此次诺贝尔化学奖授予了超高分辨率荧光显微镜的发展者:埃里克•白兹格(Eric Betzig)、斯蒂芬•黑尔(Stefan W. Hell)、威廉•莫尔纳(William E. Moerner)。长期以来,光学显微镜被其自身的局限性所限制,分辨能力总是达不到光的波长的一半的尺度范围。2014年的诺贝尔奖获得者通过荧光分子,机智地解决了这一问题。他们突破性的工作将光学显微镜带进了纳米尺度。

超越光学显微镜的局限——超高分辨率荧光显微镜的发展

19世纪末,恩斯特·阿贝将光学显微镜的分辨率极限大致确定在可见光波长的一半,即0.2微米左右。这意味着科学家们可以分辨单个细胞,以及一些被称为细胞器的细胞成分。然而他们无法用这样的显微镜分辨尺寸更小的物体,例如常规尺寸的病毒,或者单个的蛋白质(图一)。

2014年诺贝尔化学奖解析

而2014年的诺贝尔奖获得者通过荧光分子,机智地解决了这一问题。他们突破性的工作将光学显微镜带进了纳米尺度。

埃里克•白兹格、斯蒂芬•黑尔、和威廉•莫尔纳由于超越了0.2微米这个极限而被授予2014年的诺贝尔化学奖。由于他们的贡献,现在通过光学显微镜我们可以观察到纳米世界。

通过纳米显微镜(nanoscopy),科学家们可以在细胞中观察到单个分子的运动。他们可以看到分子在脑的两个神经细胞之间如何产生突触;能够在导致帕金森病和亨廷顿舞蹈病的蛋白质聚集时观察它们,可以在受精卵分裂成胚时跟踪单个蛋白质的走向。

此次诺贝尔化学奖授予两项不同的工作。其中一项是斯蒂芬•黑尔在2000年开发的STED显微镜技术(图2)。这项技术同时使用两束激光,其中一束激发荧光分子发光,另外一束将除了一个纳米尺寸之外的荧光全部猝灭掉。这样,通过一个纳米一个纳米地扫描样品,我们可以获得分辨率高于阿贝极限的图像(图3)。

2014年诺贝尔化学奖解析

2014年诺贝尔化学奖解析

另一项工作来自于埃里克•白兹格和威廉•莫尔纳,他们各自独立地建立了单分子显微镜(single molecule microscopy)的基础(图4)。这项成果可以将单个分子的荧光打开或者关掉。科学家们对同一区域反复成像,每次只允许几个分散的分子发光。将这些图像叠加就获得了分辨率达到纳米尺度的图像。在2006年,Eric Betzig首次使用了这种方法(图5)。

2014年诺贝尔化学奖解析

2014年诺贝尔化学奖解析

今天,纳米显微技术在世界范围被广泛使用,通过这种技术,每天都在产生为人类带来极大益处的新知识。

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