大家好，這里是老上光顯微鏡知識課堂，在這里你可以學到所有關于顯微鏡知識，好的，請看下面文章： 據《新浪科技報》10月8日在北京報道，兩名美國科學家和一名德國科學家因對超高分辨率熒光顯微鏡的貢獻而獲得2014年諾貝爾化學獎。德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所和斯坦福大學的威廉·E·莫納共同獲得了今年的化學獎。
    
     紅血球、細菌、酵母和游動的精子。當17世紀的科學家次在光學顯微鏡下看到這些活的生物現象時，在他們的眼前開辟了一個新天地。這就是光學顯微成像技術的誕生。從那時起，光學顯微鏡就開始出現。生物研究領域最重要的工具之一。其他顯微成像技術，如電子顯微鏡，需要制備殺死細胞的樣品。
    
     然而，長期以來，光學顯微成像技術的發展一直受到物理極限值的制約。1873年，顯微學家Ernst Abbe提出了傳統顯微成像的物理極限：這種技術的分辨率永遠不會超過0.2微米。這個預測使科學家們相信，在20世紀的大部分時間里，光學顯微鏡成像技術永遠不會允許它們打破更微妙的尺度（圖1）。一些內部細胞器，例如為細胞活動提供能量的線粒體，在輪廓上清晰可見。對更小的物體，如細胞內單個分子之間的相互作用，進行觀察簡直是不可能的。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出的日常生活。為了理解細胞的日常運作，科學家需要跟蹤單個分子的活動。
    
     但是今年的諾貝爾化學獎獲得者的工作打破了阿貝的物理極限。理論上，沒有更多的障礙阻止科學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劃中，有兩種獨立的技術手段是獨立開發的。整個故事是1993年在芬蘭西南部的學生宿舍里講的。，當史蒂芬·赫爾翻閱一本量子光學書時，他發現了一個奇跡。好主意。
    
     1990年在海德堡大學獲得博士學位后，斯蒂芬·赫爾一直在想辦法超越一個多世紀前提出的阿貝極限。挑戰現有的主流觀點令人興奮。但是當時幾乎所有的德國科學家都對他的想法表示懷疑，赫爾轉向在遙遠的北方尋求支持。芬蘭圖爾庫大學的熒光顯微成像教授給了他在他的研究小組中的一個職位。赫爾堅信一定有辦法突破阿貝極限。當他在一本量子光學書中讀到受激發射時，一個全新的想法逐漸在他的腦海中形成。2009年，他曾經評論過他的感受：那個想法吸引了我。我終于有了一個明確的方向，我想去追求。
    
     在芬蘭的圖爾庫大學，赫爾專攻所謂的熒光顯微鏡，一種科學家利用熒光分子對細胞部分進行成像的技術方法。例如，他們可以利用熒光抗體結合來觀察分子DNA。抗體，允許它們在短時間內發光。如果抗體與DNA結合，它就會從細胞核中發光，細胞核就是DNA儲存在細胞核中的地方。這樣，科學家就可以確定特定分子的位置。但這只能讓科學家確定大群的位置。分子中的許多，如纏結的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。
    
     當斯蒂芬·赫爾讀到受激發射時，他意識到應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納米級的樣品。利用受激發射的原理，科學家可以冷卻熒光分子。他們將激光束瞄準分子，ch瞬間失去能量，變得暗淡。1994年，斯蒂芬·赫爾發表了一篇描述他的想法的文章。在這個場景中，所謂的受激減排技術（STED），他設想使用閃光來激發所有的熒光分子，然后使用另一個閃光來熄滅所有的熒光。在記錄時，只記錄這一部分。通過掃描整個樣品表面，連續記錄強度信息，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，光學顯微鏡的極限不再存在。
    
     但是斯蒂芬·赫爾的理論并沒有立即引起學術界的注意，但是這足以讓斯蒂芬·赫爾在德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所找到一份工作。在接下來的幾年里，他逐漸將目光變為現實：他研制了STED顯微鏡。2000年，他證明了他的技術方法在實際工作中是可行的。然后他以一種以前任何光學顯微鏡都無法達到的分辨率對大腸桿菌進行拍攝（圖3）。
    
     STED顯微鏡從多個小區域收集光并最終形成整體成像圖。相反，第二項獲獎技術，即所謂的單分子顯微成像技術，涉及多個整體圖像的疊加。梅爾納獨立地為這項技術奠定了基礎。這項技術的個故事開始于梅爾納成功地檢測到一個微小的熒光分子。
    
     在大多數化學方法中，如測量熒光吸收，科學家通常同時觀察數百萬個分子。這些實驗的結果通常代表典型的或平均的分子條件。科學家只能接受這個結果，因為它不能改變。他們長期夢想有能夠直接測量單個分子，因為更詳細和豐富的理解可能導致對諸如疾病進展等現象的更深理解。
    
     因此，在1989年，當默納成為世界上個成功測量單個熒光分子對光的吸收的科學家時，這是一個巨大的成就。當時他在IBM位于加利福尼亞的研發中心工作。這個實驗開啟了一扇通往新未來的大門，激發了許多化學家的靈感。他們把注意力轉向單分子研究，包括Eric Bentzger。
    
     八年后，穆納在先前的諾貝爾獎得主綠色熒光蛋白技術（GFP）的基礎上向單分子顯微鏡技術邁進了一步。
    
     1997年，Merner來到圣地亞哥的加利福尼亞大學，在那里他獲得了諾貝爾獎，GFP技術的發明者錢永優教授也在那里工作。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胞中的其他蛋白質可見。利用基因技術，科學家們已經將這些綠色熒光蛋白與其他類型的蛋白質結合在一起。科學家可以知道標記的蛋白質在生物體中的位置。
    
     Merna注意到GFP的一個熒光分子，它的熒光可以隨意打開或關閉。當他激發波長為488納米的蛋白質時，它開始發出熒光，但是過了一會兒，它就熄滅了。之后，不管他用多少光來照射它，熒光都會發出。然而，后來他發現，如果用405納米的波長照射蛋白質，蛋白質會再次激活并發出熒光，當蛋白質被激活時，它會在488納米的波長下發出熒光。
    
     Merner將這些可激發的蛋白質結合到溶膠中并均勻地分布，使得單個分子之間的距離大于Abbe衍射極限所設定的0.2微米長度極限。這個實驗的結果發表在1997年出版的《自然》雜志上。
    
     通過這一發現，Merna展示了用光學手段操縱單分子熒光的可能性，這個結果解決了Eric Bengtsg困擾他兩年的問題。
    
     和斯蒂芬·赫爾一樣，埃里克·本茨格對打破阿貝設定的衍射極限非常著迷。上世紀90年代初，本茨格在美國新澤西貝爾實驗室研究近場光學顯微鏡。在近場光學顯微鏡中，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法克服的缺陷。例如，它產生的光作用在非常短的距離上，使得在細胞表面之下呈現深層結構變得困難。
    
     1995年，Eric Bentzger得出結論，在近場光學顯微鏡方面沒有進一步改進的余地。此外，他也覺得自己不適合學術界，所以他決定結束他的學術生涯。但是他對自己下一步要去哪里感到困惑。他離開了貝爾實驗室，但是關于阿貝衍射極限的問題仍然縈繞在他的腦海中。在一次冬季漫步中，他突然想出了一個新主意：有可能利用不同分子的不同性質來避免阿貝衍射極限，例如產生不同顏色熒光的分子
    
     受Merner和其他科學家工作的啟發，Eric Bentzger以前用近場光學顯微鏡觀察過單個分子的熒光。現在，他開始懷疑，如果不同的分子e麻省理工學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。如果所有發出相同顏色的分子都分散，并且它們之間的間隔超過阿貝衍射的0.2微米極限，則稱之為p接下來，當不同顏色的圖像疊加在一起時，所得到的圖像分辨率將遠遠高于阿貝衍射極限，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，但仍存在一些實際問題。例如，他找不到足夠的分子來區分光學性質。
    
     1995年，Eric Bentzger在《光學公報》上發表了他的理論，然后離開學術界去他父親的公司工作。
    
     多年來，埃里克·本特斯格和學術界完全分開了。但是有，對科學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上，這次他注意到了綠色熒光分子的消息。他很快就意識到這種熒光蛋白，它能產生綠色熒光分子。對活細胞中的其他蛋白質的光，可以用來規避阿貝衍射極限。
    
     真正的突破出現在2005，他偶然發現一種可以隨意開啟或關閉熒光的蛋白質，就像梅爾納在1997的分子水平上觀察到的那樣。奔馳意識到這是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間熒光。
    
     僅僅一年后，Eric Bentzger和其他從事激發熒光蛋白研究的科學家證明了他的技術在實踐中是可行的。在光信號的刺激下，蛋白質會發出熒光，但是由于非常微弱的光，只有一部分蛋白質會發出光。由于數量少，幾乎每個分子之間的距離都超過阿貝衍射極限所定義的0.2微米長度。e，可以非常地記錄每個發光分子的位置。過了一會兒，當這些分子的熒光逐漸消失時，研究小組激活另一組蛋白質分子使它們發光。同樣，只有一部分分子會發光。同樣，每個發光分子的圖像都被記錄下來，這個過程已經被反復重復。
    
     當Bentzger最終將這些圖像疊加在一起時，他獲得了溶菌酶外膜結構的超分辨率圖像。該圖像的分辨率遠遠超出了Abbe衍射極限所定義的值。2006年，他們在《科學》雜志上發表了一篇關于這些發現的論文，突破。
    
     這兩種由Eric Bentzger開發的方法，Stephen Hull和William Murner，已經導致了許多納米級成像技術的出現，這些技術在世界范圍內得到了廣泛的應用。與越來越多的從事這一領域的科學家合作。當他們將功能強大的納米成像設備瞄準組成生命的最小組件時，他們幫助人們獲得許多最新的知識。斯蒂芬·赫爾目前正在研究一種復雜的神經細胞探針來打賭。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的蛋白質，埃里克·本茨格正試圖追蹤胚胎的細胞分裂。
    
     但有一點是肯定的：2014位諾貝爾化學獎得主為我們追尋人類最重要的知識奠定了堅實的基礎。（陳峰）
    
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