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详解诺贝尔化学奖:光学显微成像如何到达纳米级

导读: 2014年度诺贝尔化学奖授予两名美国科学家以及一名德国科学家,以表彰他们在“超高分辨率荧光显微技术方面的贡献”。

   北京时间10月8日消息,2014年度诺贝尔化学奖授予两名美国科学家以及一名德国科学家,以表彰他们在“超高分辨率荧光显微技术方面的贡献”。来自美国 霍华德·休斯医学研究所的埃里克·本茨格(Eric Betzig),德国马克斯普朗克 生物物理化学研究所的史蒂芬·赫尔(Stefan W. Hell)以及美国斯坦福大学的威廉·默尔纳(William E. Moerner)共同分享了今年的化学奖。

  光学显微成像技术向纳米尺度的迈进

  血红细胞,细菌,酵母菌以及游动的精子。当17世纪的科学家们第一次在光学显微镜下看到这些活生生的生物现象时,一个崭新的世界在他们的眼前打开了。这就是光学显微成像技术的诞生。自那以后,光学显微镜已经成为生物学研究领域最重要的工具之一。其他显微成像技术,如电子显微镜,都需要进行样品的制备,而这样的制备过程会杀死细胞。

 (图1)在19世纪末,恩斯特•阿贝(Ernst Abbe)对光学显微镜的分辨率限制做出了界定,认为大约是光波长的一半,即约为0.2微米。这意味着科学家们可以辨别完整细胞,以及其中一些被称为细胞器的组成部分。然而,他们却无法分辨一个正常大小的病毒或者单个蛋白质。

(图2)在常规光学显微镜中,可以区分线粒体的轮廓,但其分辨率却无法超越0.2微米。

 (图3)第一张由斯特凡•W•黑尔(Stefan W. Hell)使用STED显微镜拍摄而成的图像。左边为使用传统显微镜拍摄的大肠杆菌,右边是使用STED显微镜拍摄的同样的大肠杆菌。STED图像的分辨率是前者的3倍

(图4)单分子显微镜原理

 (图5)中间图像为溶酶体膜(lysosome membranes),是埃里克•白兹格(Eric Betzig)首次使用单分子显微镜拍摄的图片之一。从中选取0.2微米的阿贝衍射极限大小显示在右边。左边为用传统显微镜拍摄的图片,可以看出图片分辨率提高了很多倍。

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