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【2014诺贝尔奖】化学奖揭晓:看到纳米的世界

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环球科技观光团 发表于  2014-10-08 18:38

很长时间以来,人们都认为光学显微技术无法突破一条极限:它永远不可能获得比所用光的半波长更高的分辨率 。然而,2014年诺贝尔化学奖的得主使用荧光分子,巧妙地绕开了这一极限。他们突破性的工作将光学显微技术带到了纳米尺度。

在纳米显微学(nanoscopy)的领域中,科学家使活细胞中不同分子的运动可视化——他们能够看到脑部神经细胞间的突触是如何形成的,他们能够观察到与帕金森氏症、阿尔兹海默症和亨丁顿舞蹈症相关的蛋白聚集过程,他们也能够在受精卵分裂形成胚胎时追踪不同的蛋白质。

今天,科学家们竟然能够从最微小的分子细节来研究活细胞,在前人看来这简直是不可能的事情。在1873年,显微镜学者恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)给传统的光学显微镜分辨率规定了一个物理极限:它不可能突破0.2微米。而艾力克·贝齐格(Eric Betzig)、斯特凡·W·赫尔(Stefan W. Hell)和W·E·莫尔纳尔(W. E. Moerner)于2014年被授予诺贝尔化学奖,正是由于突破了这个极限。由于他们的成就,光学显微镜现在可以进入纳米世界了。

左:艾力克·贝齐格,美国人,霍华德·休斯医学研究所的研究带头人。1960年生于美国密歇根州安娜堡,1988年获得美国康奈尔大学博士学位。中:斯特凡·W·赫尔,德国人,哥廷根马克斯普朗克生物物理化学研究所的主任,海德堡德国癌症研究中心的部门主任。1962年生于罗马尼亚阿拉德,1990年获得德国海德堡大学博士学位。右:W·E·莫尔纳尔,美国人,美国斯坦福大学应用物理系和化学系教授。1953年生于美国加州普利桑屯,1982年获得美国康奈尔大学博士学位。图片来源:从左至右:janelia.org, wikipedia, wikipedia

本次奖项颁给两个不同的研究。其一是斯特凡·W·赫尔在2000年发明的受激发射损耗(STED)显微技术。这项研究使用了两道激光束,一束用来激发荧光分子使其发光,另一束则将大部分发光抵消——除了一块纳米尺度的微小区域。显微镜一纳米一纳米地扫描样本,并产生图像,其分辨率远好于阿贝分辨率的限制。


STED显微镜的工作原理。

艾力克·贝齐格和威廉姆·莫尔纳尔各自独立做出的成就,为第二种方法——单分子荧光显微术打下了基础。这种技术关键是发现可以打开和关闭单个分子的荧光。科学家们对同一区域多次成像,每次只让几个零散的分子发出荧光。通过对这些图像进行叠加,他们得到了一幅纳米级分辨率的超级稠密图像。2006年,埃里克·白兹格首次将这种技术投入了实际运用。

今天,纳米显微技术已经在全球被广泛使用,并且不断在为人类做出新的贡献。

2014诺贝尔奖化学奖奖项解读。

(编辑:Calo)

文章题图:nobelprize.org

 

拓展阅读

【2014诺贝尔奖】化学奖直播/解读贴

编译来源

nobelprize.org, The Nobel Prize in Chemistry 2014

热门评论

  • 2014-10-08 19:25 福尔摩咩

    (还是吐槽一句……诺贝尔理综奖……………)

    [33] 评论
  • 2014-10-08 20:09 负离子.吹风机

    这明明是物理!只不过是被生物用得多...为什么会是化学!

    [32] 评论
  • 2014-10-08 20:35 we_cry 空间信息与数字技术专业
    引用@负离子.雷 的话:这明明是物理!只不过是被生物用得多...为什么会是化学!

    [14] 评论

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全部评论(52)
  • 1楼
    2014-10-08 18:58 伏井

    [0] 评论
  • 2楼
    2014-10-08 19:02 注册果壳用户的好处

    两束激光是怎么得到1纳米的光斑的

    [0] 评论
  • 3楼
    2014-10-08 19:06 注册果壳用户的好处

    还是没电子显微镜和隧道扫描分辨率高吧,这个对比电子显微镜有什么优势

    [1] 评论
  • 4楼
    2014-10-08 19:14 閑雲散人

    这他喵的不是物理的东西??

    [2] 评论
  • 5楼
    2014-10-08 19:19 窗敲雨 药学硕士

    越来越小~~\(≧▽≦)/~

    [0] 评论
  • 6楼
    2014-10-08 19:24 福尔摩咩
    引用@注册果壳用户的好处 的话:还是没电子显微镜和隧道扫描分辨率高吧,这个对比电子显微镜有什么优势

    电子显微镜无法观察活体……而这个可以在不杀死一个细胞的基础上观察它内部发生的反应以及观察结构……

    [8] 评论
  • 7楼
    2014-10-08 19:25 福尔摩咩

    (还是吐槽一句……诺贝尔理综奖……………)

    [33] 评论
  • 8楼
    2014-10-08 19:29 东东竟然又 信息对抗专业,万有青年烩讲者

    “不能小于半波长”这个结论是不是在高中物理书里有?

    [2] 评论
  • 9楼
    2014-10-08 19:52 EdwardXn

    赞一个

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-10-08 19:54 鬼谷藏龙 神经科学博士生

    那庄小威的STORM呢?

    [5] 评论
  • 11楼
    2014-10-08 20:00 福尔摩咩
    引用@注册果壳用户的好处 的话:还是没电子显微镜和隧道扫描分辨率高吧,这个对比电子显微镜有什么优势

    而且由于电子的穿透力实在弱,所以被观察的东西得要非常非常非常薄……大概50-100nm……感受一下

    [2] 评论
  • 12楼
    2014-10-08 20:05 福尔摩咩
    引用@鬼谷藏龙 的话:那庄小威的STORM呢?

    我也觉得STORM拍的照片更帅……

    [0] 评论
  • 13楼
    2014-10-08 20:09 负离子.吹风机

    这明明是物理!只不过是被生物用得多...为什么会是化学!

    [32] 评论
  • 14楼
    2014-10-08 20:35 we_cry 空间信息与数字技术专业
    引用@负离子.雷 的话:这明明是物理!只不过是被生物用得多...为什么会是化学!

    [14] 评论
  • 15楼
    2014-10-08 20:56 暴走的小野猪

    读完···感觉总结起来是···

    两个物理学家和一个化学家,用生物学的方法,获得了诺贝尔化学奖···?

    [1] 评论
  • 16楼
    2014-10-08 21:04 你这是自寻箱子
    引用@注册果壳用户的好处 的话:还是没电子显微镜和隧道扫描分辨率高吧,这个对比电子显微镜有什么优势


    电子显微镜通常需要高真空操作,在这种环境下目前已知只有水熊和少数虱子能继续活着。单个细胞就别想了。

    而荧光显微技术可以用于任何透明介质,原则上可以观察任何活细胞内的荧光现象。换句话说,通过合适的荧光标记,可以实时观测正在进行的生理活动。

    [3] 评论
  • 17楼
    2014-10-08 21:05 你这是自寻箱子
    引用@暴走的小野猪 的话:读完···感觉总结起来是···两个物理学家和一个化学家,用生物学的方法,获得了诺贝尔化学奖···?

    是用物理学的方法来研究生物领域和化学领域的东西。

    [0] 评论
  • 18楼
    2014-10-08 21:06 你这是自寻箱子
    引用@负离子.雷 的话:这明明是物理!只不过是被生物用得多...为什么会是化学!

    因为研究对象可以低至单个分子。分子,化学。

    [0] 评论
  • 19楼
    2014-10-08 21:58 福尔摩咩

    直播采访那个化学奖委员会主席的时候记者问了好像跟化学没什么关系……他说……“These are what build science.”……感觉好帅……(这老头好萌!)

    [1] 评论
  • 20楼
    2014-10-08 22:03 注册果壳用户的好处
    引用@注册果壳用户的好处 的话:两束激光是怎么得到1纳米的光斑的

    还是有点糊涂,既然光的波长(700nm)远大于1nm,那么是怎么生成1nm的光斑的

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-10-08 22:18 福尔摩咩
    引用@注册果壳用户的好处 的话: 还是有点糊涂,既然光的波长(700nm)远大于1nm,那么是怎么生成1nm的光斑的

    激光只是用来激发那些物质让他们发荧光的,所以真正被探测到的光是荧光物质发的……

    而探测的方法就像上面那个动画一样,用足够小的孔或者是叫别的什么,一次一个纳米这样,只要记录该处是否有需要的波长的光……

    [1] 评论
  • 22楼
    2014-10-08 22:30 注册果壳用户的好处
    引用@福尔摩咩 的话:激光只是用来激发那些物质让他们发荧光的,所以真正被探测到的光是荧光物质发的……而探测的方法就像上面那个动画一样,用足够小的孔或者是叫别的什么,一次一个纳米这样,只要记录该处是否有需要的波长的光……

    你这个还是有同样的问题啊,1nm的孔,光能过的去吗

    [0] 评论
  • 23楼
    2014-10-08 22:31 馒头老妖 有机化学博士,法学学士

    诺贝尔理综奖。

    [1] 评论
  • 24楼
    2014-10-08 23:11 D的继承人

    也就是说,光学显微镜可以看到核糖体了?

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-10-08 23:22 你这是自寻箱子
    引用@D的继承人 的话:也就是说,光学显微镜可以看到核糖体了?

    这是荧光显微方法,你得对想观察的对象进行适当的荧光标记。

    [1] 评论
  • 26楼
    2014-10-08 23:25 D的继承人
    引用@你这是自寻箱子 的话:这是荧光显微方法,你得对想观察的对象进行适当的荧光标记。

    标记核糖体后就可以看见了?

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-10-08 23:57 你这是自寻箱子
    引用@D的继承人 的话:标记核糖体后就可以看见了?

    对一个核糖体标记一个荧光标记,你可以看到核糖体的准确位置,并且把核糖体与其他细胞器分开。

    如果能对一个核糖体标记两个或多个荧光标记,你可以看到其各部分之间的位置关系,标记的越细致,就能观测到核糖体的越多的细节。

    [1] 评论
  • 28楼
    2014-10-09 00:06 D的继承人
    引用@你这是自寻箱子 的话:对一个核糖体标记一个荧光标记,你可以看到核糖体的准确位置,并...

    哦~涨姿势了

    [0] 评论
  • 29楼
    2014-10-09 00:14 然啊然

    时间呢?扫描一个细胞得多久? 能否保证各个点对其,而且没有边界效应?

    [0] 评论
  • 30楼
    2014-10-09 07:49 梧桐清声 生理学博士
    引用@鬼谷藏龙 的话:那庄小威的STORM呢?

    嗯,今天在买买提上看了一天八卦,得出结论,庄小威不冤。

    [0] 评论

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