北大成像专家解读2014诺贝尔化学奖
今年诺贝尔化学奖三位获奖人,打破了光学成像中长期存在的衍射极限,将荧光显微成像的分辨率带入到“纳米时代”,为生命科学研究带来巨大变化。2014 年的诺贝尔化学奖在10月8日宣布授予美国科学家埃里克·白兹格(Eric Betzig)、威廉姆·莫纳尔(William Moerner)和德国科学家施泰方·海尔(Stefan Hell),以表彰他们在超高分辨率荧光显微技术领域的贡献。正如官方颁奖文中描述,这类技术从方法实现到在科学研究中大展身手虽然不过十几年时间,但已 对多个领域产生显著推动,并且可以预言在未来将给生命科学研究带来巨大的变化。 什么是超高分辨率荧光显微技术 我们人眼一般最小能看见大约0.1毫米的东西, 而生物的基本单元 -- 细胞的直径平均约为20微米或0.02毫米, 所以对生物微观世界的观察需要使用光学显微镜。光学显微技术有很多优点,不但能放大微观世界,同时还对样品没有损害,并且可以特异地观察目标对象。这种特异性一般是通过荧光显微技术实现的。荧光是物质吸收光照后发出的光,一般发射光波长比吸收光波长较长,因此可以单独检测荧光,对目标实现高灵敏度的检测。然而,光学显微镜的分辨率是有限的。由于光的衍射,即使一个无限小的光点在通过透镜成像时也会形成一个弥散图案,俗称“艾里斑”。这样即便两个物点相距较远,其弥散斑却可能很近,以致无法区分。 基于此原理,早在1873年,德国科学家恩斯特•阿贝(Ernst Abbe)提出了阿贝光学衍射极限,并作为其重要成就刻于其墓碑上。根据这个公式,光学显微镜的分辨率约为检测光波长的一半,300纳米左右(可见光的波长为400-700纳米),或是我们头发直径的1/300。超高分辨率荧光显微技术通过一系列物理原理和化学机制“打破”了这一衍射极限,把光学显微镜的分辨率提高了几十倍,使我们以前所未有的视角观察生物微观世界。 为什么生物学研究需要超高分辨率荧光显微技术 很多亚细胞结构都在微米到纳米尺度,衍射极限的存在限制了我们使用光学显微镜观察这些生物样品。比如细胞的骨架蛋白微丝非常密集,在荧光显微镜下其图像非常模糊,无法看到细节,而电子显微镜的分辨率可以达到1nm左右,非常清楚地呈现了细胞骨架的细节。然而电子显微镜几乎不能做活的样品,特异性也没有荧光显微镜好。因此,发展超高分辨率荧光显微技术对生物学研究意义非常重大。 超高分辨率荧光显微技术的发展历程 目前的超高分辨率荧光显微技术大体可分为三类,包括受激发射损耗、结构光照明技术和单分子技术。其历史大体可以追溯到上个世纪80年代。这次获得诺贝尔化学奖的三位科学家是这个方向的先驱人物。 |