2014年诺贝尔化学奖 授予了超高分辨率荧光显微镜的发展者：埃里克·白兹格（Eric B
2017-03-30 16:09:05   来源： 瞬渺市场部   评论：0 点击：

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）。

 

 

        获奖理由：

        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极限定义为大约是可见光波长的一半，即大约0.2微米。这意味着科学家们可以分辨单个细胞，以及细胞的一些组成部分，称为细胞器。然而他们无法用这样的显微镜分辨尺寸更小的物体，例如普通尺寸的病毒，或者单个的蛋白质（图一）。

 

图一：虚线左边的物体用光学显微镜可以分辨，虚线右边的则无法分辨。

        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。

        埃里克·白兹格、斯蒂芬·黑尔、和威廉·莫尔纳由于超越了这个极限而被授予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），科学家们可以在或细胞中观察到单个分子的运动。他们可以看到在脑的两个神经细胞之间分子如何产生突触；能够在导致帕金森病和亨廷顿舞蹈病的蛋白质聚集时跟踪它们，可以在受精卵分裂成胚时跟踪单个蛋白质。

        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（图二）。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空间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（图三）。

 

图二：STED显微镜工作原理

左：通过常规光学显微镜，线粒体的轮廓可以被分辨出来，但无法分辨0.2微米以下的物体。
右：1)在STED显微镜中，一束环状激光将除了一个纳米尺寸的空间之外的激光全部猝灭掉
2)激光束扫描整个样品。由于科学家们十分精确地知道激光束接触样品的位置，他们可以通过这个信息获得分辨率更高的图像。
3)最终得到的图像的分辨率要比0.2微米高得多。
exciting laser beam 激发激光束
quenching laser beam猝灭激光束

 

图三：Stefan Hell最早的STED显微图像之一。

左边是用传统光学显微镜获得的大肠杆菌图像，

右边是同一细菌用STED显微镜获得的图像。

STED的分辨率高于传统显微镜的三倍。

 

        另一项工作是来自于埃里克·白兹格和威廉·莫尔纳，他们分别建立了单分子显微镜(single molecule microscopy)的基础（图四）。这项工作的基础是可以将单个分子的荧光打开或者关掉。科学家们反复对同一区域进行成像，每次只允许少数分散的几个分子发光。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（图五）。

 

图四：单分子显微镜工作原理

1. 一束弱的光脉冲激发一部分荧光蛋白。这些荧光蛋白之间的距离大于阿贝的0.2微米衍射极限。荧光蛋白持续发光，直至荧光消退。之后重复这一步骤，使得另外一些新的荧光蛋白分子发光。

2.  模糊的图像通过概率论方法进一步处理使得图像边缘更加尖锐

3. 当所有图像叠加到一起时，更高的分辨率出现了，这样单个的蛋白质分子就可以被分辨出来 。

图五：中图显示了溶酶体膜，是Betzig首次使用单分子显微镜拍摄的图像。

左图是使用常规显微镜拍摄的图像；

右图：扩大的膜图像。注意0.2微米的分辨尺度与阿贝衍射限制等同。

 

       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。

 

获奖者简介：

       埃里克·白兹格（Eric Betzig）

       埃里克·白兹格（Eric Betzig）：美国人。1960年生于美国密歇根州安阿伯（Ann Arbor）市，1988年获康奈尔大学博士学位。现为美国弗吉尼亚州阿什伯恩市（Ashburn）霍华德·休斯医学研究所珍莉亚农场研究园区研究组长。

 

       斯蒂芬·黑尔（Stefan W. Hell）：德国人。1962年出生于罗马尼亚阿拉德（Arad），1990年获德国海德堡大学博士学位。现为哥廷根马克斯·普朗克生物物理化学研究所主任、德国癌症研究中心部门领导。

 

       威廉·莫尔纳（William E. Moerner）：美国人。1953年出生于加利福尼亚州普莱森顿（Pleasanton），1982年获康奈尔大学博士学位。现为斯坦福大学哈里·莫舍化学教席的应用物理学教授。