大家好，這里是老上光顯微鏡知識(shí)課堂，在這里你可以學(xué)到所有關(guān)于顯微鏡知識(shí)，好的，請(qǐng)看下面文章： 據(jù)《新浪科技報(bào)》10月8日在北京報(bào)道，兩名美國(guó)科學(xué)家和一名德國(guó)科學(xué)家因?qū)Τ叻直媛薀晒怙@微鏡的貢獻(xiàn)而獲得2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。德國(guó)馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所和斯坦福大學(xué)的威廉·E·莫納共同獲得了今年的化學(xué)獎(jiǎng)。
    
     紅血球、細(xì)菌、酵母和游動(dòng)的精子。當(dāng)17世紀(jì)的科學(xué)家次在光學(xué)顯微鏡下看到這些活的生物現(xiàn)象時(shí)，在他們的眼前開辟了一個(gè)新天地。這就是光學(xué)顯微成像技術(shù)的誕生。從那時(shí)起，光學(xué)顯微鏡就開始出現(xiàn)。生物研究領(lǐng)域最重要的工具之一。其他顯微成像技術(shù)，如電子顯微鏡，需要制備殺死細(xì)胞的樣品。
    
     然而，長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)顯微成像技術(shù)的發(fā)展一直受到物理極限值的制約。1873年，顯微學(xué)家Ernst Abbe提出了傳統(tǒng)顯微成像的物理極限：這種技術(shù)的分辨率永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)0.2微米。這個(gè)預(yù)測(cè)使科學(xué)家們相信，在20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，光學(xué)顯微鏡成像技術(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)允許它們打破更微妙的尺度（圖1）。一些內(nèi)部細(xì)胞器，例如為細(xì)胞活動(dòng)提供能量的線粒體，在輪廓上清晰可見。對(duì)更小的物體，如細(xì)胞內(nèi)單個(gè)分子之間的相互作用，進(jìn)行觀察簡(jiǎn)直是不可能的。這就像是在觀察一座城市。你可以看到城市里的高樓大廈，但你不能看到人們進(jìn)出的日常生活。為了理解細(xì)胞的日常運(yùn)作，科學(xué)家需要跟蹤單個(gè)分子的活動(dòng)。
    
     但是今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者的工作打破了阿貝的物理極限。理論上，沒(méi)有更多的障礙阻止科學(xué)家在更小的尺度上觀察物體。因此，顯微成像變成了納米成像。
    
     在突破阿貝極限的計(jì)劃中，有兩種獨(dú)立的技術(shù)手段是獨(dú)立開發(fā)的。整個(gè)故事是1993年在芬蘭西南部的學(xué)生宿舍里講的。，當(dāng)史蒂芬·赫爾翻閱一本量子光學(xué)書時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇跡。好主意。
    
     1990年在海德堡大學(xué)獲得博士學(xué)位后，斯蒂芬·赫爾一直在想辦法超越一個(gè)多世紀(jì)前提出的阿貝極限。挑戰(zhàn)現(xiàn)有的主流觀點(diǎn)令人興奮。但是當(dāng)時(shí)幾乎所有的德國(guó)科學(xué)家都對(duì)他的想法表示懷疑，赫爾轉(zhuǎn)向在遙遠(yuǎn)的北方尋求支持。芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)的熒光顯微成像教授給了他在他的研究小組中的一個(gè)職位。赫爾堅(jiān)信一定有辦法突破阿貝極限。當(dāng)他在一本量子光學(xué)書中讀到受激發(fā)射時(shí)，一個(gè)全新的想法逐漸在他的腦海中形成。2009年，他曾經(jīng)評(píng)論過(guò)他的感受：那個(gè)想法吸引了我。我終于有了一個(gè)明確的方向，我想去追求。
    
     在芬蘭的圖爾庫(kù)大學(xué)，赫爾專攻所謂的熒光顯微鏡，一種科學(xué)家利用熒光分子對(duì)細(xì)胞部分進(jìn)行成像的技術(shù)方法。例如，他們可以利用熒光抗體結(jié)合來(lái)觀察分子DNA。抗體，允許它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)發(fā)光。如果抗體與DNA結(jié)合，它就會(huì)從細(xì)胞核中發(fā)光，細(xì)胞核就是DNA儲(chǔ)存在細(xì)胞核中的地方。這樣，科學(xué)家就可以確定特定分子的位置。但這只能讓科學(xué)家確定大群的位置。分子中的許多，如纏結(jié)的DNA分子。分辨率太低，很難分辨出特定的DNA鏈。你可以想象看到纏繞的紗線而不列出根紗的情景。
    
     當(dāng)斯蒂芬·赫爾讀到受激發(fā)射時(shí)，他意識(shí)到應(yīng)該可以制造一種裝置，這種裝置使用納米閃光一次掃描一個(gè)納米級(jí)的樣品。利用受激發(fā)射的原理，科學(xué)家可以冷卻熒光分子。他們將激光束瞄準(zhǔn)分子，ch瞬間失去能量，變得暗淡。1994年，斯蒂芬·赫爾發(fā)表了一篇描述他的想法的文章。在這個(gè)場(chǎng)景中，所謂的受激減排技術(shù)（STED），他設(shè)想使用閃光來(lái)激發(fā)所有的熒光分子，然后使用另一個(gè)閃光來(lái)熄滅所有的熒光。在記錄時(shí)，只記錄這一部分。通過(guò)掃描整個(gè)樣品表面，連續(xù)記錄強(qiáng)度信息，可以得到完整的圖像。允許熒光的空間面積越小。因此，從理論上講，光學(xué)顯微鏡的極限不再存在。
    
     但是斯蒂芬·赫爾的理論并沒(méi)有立即引起學(xué)術(shù)界的注意，但是這足以讓斯蒂芬·赫爾在德國(guó)馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所找到一份工作。在接下來(lái)的幾年里，他逐漸將目光變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)：他研制了STED顯微鏡。2000年，他證明了他的技術(shù)方法在實(shí)際工作中是可行的。然后他以一種以前任何光學(xué)顯微鏡都無(wú)法達(dá)到的分辨率對(duì)大腸桿菌進(jìn)行拍攝（圖3）。
    
     STED顯微鏡從多個(gè)小區(qū)域收集光并最終形成整體成像圖。相反，第二項(xiàng)獲獎(jiǎng)技術(shù)，即所謂的單分子顯微成像技術(shù)，涉及多個(gè)整體圖像的疊加。梅爾納獨(dú)立地為這項(xiàng)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)的個(gè)故事開始于梅爾納成功地檢測(cè)到一個(gè)微小的熒光分子。
    
     在大多數(shù)化學(xué)方法中，如測(cè)量熒光吸收，科學(xué)家通常同時(shí)觀察數(shù)百萬(wàn)個(gè)分子。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通常代表典型的或平均的分子條件。科學(xué)家只能接受這個(gè)結(jié)果，因?yàn)樗荒芨淖儭Ｋ麄冮L(zhǎng)期夢(mèng)想有能夠直接測(cè)量單個(gè)分子，因?yàn)楦敿?xì)和豐富的理解可能導(dǎo)致對(duì)諸如疾病進(jìn)展等現(xiàn)象的更深理解。
    
     因此，在1989年，當(dāng)默納成為世界上個(gè)成功測(cè)量單個(gè)熒光分子對(duì)光的吸收的科學(xué)家時(shí)，這是一個(gè)巨大的成就。當(dāng)時(shí)他在IBM位于加利福尼亞的研發(fā)中心工作。這個(gè)實(shí)驗(yàn)開啟了一扇通往新未來(lái)的大門，激發(fā)了許多化學(xué)家的靈感。他們把注意力轉(zhuǎn)向單分子研究，包括Eric Bentzger。
    
     八年后，穆納在先前的諾貝爾獎(jiǎng)得主綠色熒光蛋白技術(shù)（GFP）的基礎(chǔ)上向單分子顯微鏡技術(shù)邁進(jìn)了一步。
    
     1997年，Merner來(lái)到圣地亞哥的加利福尼亞大學(xué)，在那里他獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，GFP技術(shù)的發(fā)明者錢永優(yōu)教授也在那里工作。錢教授從水母中分離出綠色熒光蛋白。綠色熒光蛋白的重要之處在于它們也能夠使生物細(xì)胞中的其他蛋白質(zhì)可見。利用基因技術(shù)，科學(xué)家們已經(jīng)將這些綠色熒光蛋白與其他類型的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。科學(xué)家可以知道標(biāo)記的蛋白質(zhì)在生物體中的位置。
    
     Merna注意到GFP的一個(gè)熒光分子，它的熒光可以隨意打開或關(guān)閉。當(dāng)他激發(fā)波長(zhǎng)為488納米的蛋白質(zhì)時(shí)，它開始發(fā)出熒光，但是過(guò)了一會(huì)兒，它就熄滅了。之后，不管他用多少光來(lái)照射它，熒光都會(huì)發(fā)出。然而，后來(lái)他發(fā)現(xiàn)，如果用405納米的波長(zhǎng)照射蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)會(huì)再次激活并發(fā)出熒光，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被激活時(shí)，它會(huì)在488納米的波長(zhǎng)下發(fā)出熒光。
    
     Merner將這些可激發(fā)的蛋白質(zhì)結(jié)合到溶膠中并均勻地分布，使得單個(gè)分子之間的距離大于Abbe衍射極限所設(shè)定的0.2微米長(zhǎng)度極限。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)表在1997年出版的《自然》雜志上。
    
     通過(guò)這一發(fā)現(xiàn)，Merna展示了用光學(xué)手段操縱單分子熒光的可能性，這個(gè)結(jié)果解決了Eric Bengtsg困擾他兩年的問(wèn)題。
    
     和斯蒂芬·赫爾一樣，埃里克·本茨格對(duì)打破阿貝設(shè)定的衍射極限非常著迷。上世紀(jì)90年代初，本茨格在美國(guó)新澤西貝爾實(shí)驗(yàn)室研究近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡中，光從離蘇爾河很近的薄片上射出。這種顯微鏡可以突破阿貝的衍射極限，但是這種方法也有一些無(wú)法克服的缺陷。例如，它產(chǎn)生的光作用在非常短的距離上，使得在細(xì)胞表面之下呈現(xiàn)深層結(jié)構(gòu)變得困難。
    
     1995年，Eric Bentzger得出結(jié)論，在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡方面沒(méi)有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。此外，他也覺(jué)得自己不適合學(xué)術(shù)界，所以他決定結(jié)束他的學(xué)術(shù)生涯。但是他對(duì)自己下一步要去哪里感到困惑。他離開了貝爾實(shí)驗(yàn)室，但是關(guān)于阿貝衍射極限的問(wèn)題仍然縈繞在他的腦海中。在一次冬季漫步中，他突然想出了一個(gè)新主意：有可能利用不同分子的不同性質(zhì)來(lái)避免阿貝衍射極限，例如產(chǎn)生不同顏色熒光的分子
    
     受Merner和其他科學(xué)家工作的啟發(fā)，Eric Bentzger以前用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡觀察過(guò)單個(gè)分子的熒光。現(xiàn)在，他開始懷疑，如果不同的分子e麻省理工學(xué)院研究不同顏色的熒光，如紅色、黃色和綠色。他的具體想法是使顯微鏡一次只記錄一種顏色。如果所有發(fā)出相同顏色的分子都分散，并且它們之間的間隔超過(guò)阿貝衍射的0.2微米極限，則稱之為p接下來(lái)，當(dāng)不同顏色的圖像疊加在一起時(shí)，所得到的圖像分辨率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于阿貝衍射極限，并且紅色、黃色和綠色的分子仍然可以區(qū)分，即使它們是o。這種方法可以避免阿貝的衍射極限，但仍存在一些實(shí)際問(wèn)題。例如，他找不到足夠的分子來(lái)區(qū)分光學(xué)性質(zhì)。
    
     1995年，Eric Bentzger在《光學(xué)公報(bào)》上發(fā)表了他的理論，然后離開學(xué)術(shù)界去他父親的公司工作。
    
     多年來(lái)，埃里克·本特斯格和學(xué)術(shù)界完全分開了。但是有，對(duì)科學(xué)的渴望的種子又在他的身體里萌芽，他的眼睛又回到了科學(xué)上，這次他注意到了綠色熒光分子的消息。他很快就意識(shí)到這種熒光蛋白，它能產(chǎn)生綠色熒光分子。對(duì)活細(xì)胞中的其他蛋白質(zhì)的光，可以用來(lái)規(guī)避阿貝衍射極限。
    
     真正的突破出現(xiàn)在2005，他偶然發(fā)現(xiàn)一種可以隨意開啟或關(guān)閉熒光的蛋白質(zhì)，就像梅爾納在1997的分子水平上觀察到的那樣。奔馳意識(shí)到這是10年前他頭腦中缺乏的工具。要有不同的顏色，他們只是在不同的時(shí)間熒光。
    
     僅僅一年后，Eric Bentzger和其他從事激發(fā)熒光蛋白研究的科學(xué)家證明了他的技術(shù)在實(shí)踐中是可行的。在光信號(hào)的刺激下，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)出熒光，但是由于非常微弱的光，只有一部分蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)出光。由于數(shù)量少，幾乎每個(gè)分子之間的距離都超過(guò)阿貝衍射極限所定義的0.2微米長(zhǎng)度。e，可以非常地記錄每個(gè)發(fā)光分子的位置。過(guò)了一會(huì)兒，當(dāng)這些分子的熒光逐漸消失時(shí)，研究小組激活另一組蛋白質(zhì)分子使它們發(fā)光。同樣，只有一部分分子會(huì)發(fā)光。同樣，每個(gè)發(fā)光分子的圖像都被記錄下來(lái)，這個(gè)過(guò)程已經(jīng)被反復(fù)重復(fù)。
    
     當(dāng)Bentzger最終將這些圖像疊加在一起時(shí)，他獲得了溶菌酶外膜結(jié)構(gòu)的超分辨率圖像。該圖像的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Abbe衍射極限所定義的值。2006年，他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于這些發(fā)現(xiàn)的論文，突破。
    
     這兩種由Eric Bentzger開發(fā)的方法，Stephen Hull和William Murner，已經(jīng)導(dǎo)致了許多納米級(jí)成像技術(shù)的出現(xiàn)，這些技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。與越來(lái)越多的從事這一領(lǐng)域的科學(xué)家合作。當(dāng)他們將功能強(qiáng)大的納米成像設(shè)備瞄準(zhǔn)組成生命的最小組件時(shí)，他們幫助人們獲得許多最新的知識(shí)。斯蒂芬·赫爾目前正在研究一種復(fù)雜的神經(jīng)細(xì)胞探針來(lái)打賭。特了解大腦中的突觸；威廉·穆納正在研究亨廷頓綜合癥相關(guān)的蛋白質(zhì)，埃里克·本茨格正試圖追蹤胚胎的細(xì)胞分裂。
    
     但有一點(diǎn)是肯定的：2014位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主為我們追尋人類最重要的知識(shí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（陳峰）
    
     網(wǎng)站網(wǎng)友點(diǎn)擊量更高的文獻(xiàn)目錄排行榜： 點(diǎn)此鏈接 關(guān)注頁(yè)面底部公眾號(hào)，開通以下權(quán)限： 一、獲得問(wèn)題咨詢權(quán)限。 二、獲得工程師維修技術(shù)指導(dǎo)。 三、獲得軟件工程師在線指導(dǎo) toupview,imageview,OLD-SG等軟件技術(shù)支持。 四、請(qǐng)使用微信掃描首頁(yè)底部官主賬號(hào)！