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
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)。

 

NPChem

 

        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)。

 

Figure1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)。

 

Figure2

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

 

Figure3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)。

 

Figure4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 。


fig_ke

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:
Eric Betzig
       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。

 

Stefan W. Hell

 

       斯蒂芬·黑尔(Stefan W. Hell)

       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。

 

William E. Moerner

 

       威廉·莫尔纳(William E. Moerner)

       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。

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