诺奖得主研发新机器:显微镜哪家强?

http://www.microimage.com.cn(2014-10-30 12:52:16)

前段时间,诺奖化学奖被3个看起来与化学沾不上边的显微镜研究者获得,近日,又有媒体报道称,该奖得主研发出一款新型显微镜。

      三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辨率极限而获得2014年的诺贝尔化学奖。为什么这种需要量子理论的工作属于化学领域呢?

      美国霍华德·休斯医学研究所的埃里克·白兹格(EricBetzig)说自己高中时化学这门课是最弱的,他学的是物理专业,还曾经很看不起搞化学的人。他也感到讽刺,自己获得了2014年的诺贝尔化学奖。

      德国马普研究所的斯特凡·黑尔(StefanHell)比白兹格还要像一名物理学家。他1990在海德堡大学获得物理学博士学位;三年后,当他灵光一现获得改造显微镜的关键思路时,他手中正在翻阅的书是量子光学。

      威廉姆·莫尔纳尔(WilliamE.Moerner)在斯坦福大学化学系工作,看起来是三人中最像化学家的人。不过他早先获得的是物理学博士学位。

      白兹格、黑尔、莫尔纳尔,三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辨率极限而获得2014年的诺贝尔化学奖。

      不仅是化学

      黑尔并不认为自己是一名为生物学家发明工具的工程师。他在2009年时说:“我在内心从来都不是一个设备研发者。我着迷的是钻研人们认为已经一劳永逸地解决了的古老物理问题。我想要知道是否就是那样。这是我的原则。即便还是个小男生的时候,我就总是想要知道事情的核心是什么。”

      为什么黑尔等人所做的看起来像是物理的工作会得到化学奖呢?在诺贝尔奖公布当天,诺贝尔化学奖委员会主席斯文·利丁(SvenLidin)对《科学美国人》做了一番解释。他说:“传统上的化学是研究很大数量的分子及其效应。现在我们能够看到单个分子在化学系统里的活动。这就意味着罕见的事件被以一种非常不同的方式来研究。化学反应可以在发生的过程中就被研究,而不是只能看到最终产物。”

      迪克森随后更加细致地对南方周末记者解释了为什么纳米级显微镜的研发工作是属于化学领域的。

      “我们通常把光看成一种化学试剂——它能够带来化学反应。”迪克森说,“在这个案例中,它可以让绿色荧光蛋白中的载色体在明暗之间切换。光化学在这里就非常重要了。”这一事实对于白兹格所研发的显微技术是至关重要的。

      “另一个这是‘化学’的原因在于,”他继续说,“纳米显微学揭示了催化作用、生物学和材料科学中的基本的化学和生化反应过程,这让我们更好地认识我们的世界,并推进科学的发展。除了以上所说的光化学,它有能力更加直接地在化学尺度上探测这些反应,这对化学和生化学界而言都是重要的创新。”

      迪克森说黑尔的工作的确比较接近物理学,“但是他仍然用到了激发态的分子,也必须理解分子光化学,才能让那些方法起作用”。

      当然,纳米显微学的出现是很多学科交叉的结果。莫尔纳尔在获奖后说:“我以前就知道斯坦福大学拥有非常令人激动的交叉学科环境,有大量的专家可以促进我的科学研究。还确实是这样。我们用光来探测分子,这包含了物理和化学。我们把这应用到生物学和生化系统中。但要在单个物体上精确测量和获取尽量多的数据也是非常重要的,而这就用到电子工程学。”

      对于纳米显微学在未来可能产生的影响,迪克森对南方周末记者说:“任何具有以下性质的系统都能够受到纳米显微学的正面影响:在纳米尺度上了解了物体相对位置并知道纳米尺度动力学如何作用于其功能后能够获益。由黑尔、白兹格和莫尔纳尔带来的进展将会让材料科学和生物学研究持续受益。”

      诺奖得主团队研发出新型显微镜 获奖不是偶然

      今年诺贝尔化学奖得主埃里克·贝齐格的团队10月23日宣布,研发出一种新型光学显微镜,能以近乎实时的速度对活体细胞的活动进行超高精度三维成像,同时把对细胞本身的伤害减至最小。这项成果已发表在《科学》杂志上。

      任职于美国霍华德·休斯医学研究所的贝齐格在一份声明中说,这种“晶格层光显微镜”拥有空间和时间方面的高分辨率,已被成功用来跟踪个体蛋白质的运动、观察受精卵的发育以及研究细胞分裂时细胞骨架成分的快速生长和收缩,而这些都曾被认为不可能做到。论文第一作者陈壁彰对笔者说,市面上看到的光学显微镜通常用同一个镜头做放大和观察,而他们新研发出的光学显微镜使用两个镜头,一个镜头把光聚焦产生一条细细的笔状光束,照射有萤光分子的生物样品以产生萤光;另一个镜头则收集这些萤光。

      为了保证获得数据的速度,并降低对生物样本的光伤害,这一显微镜会同时产生100多条笔状光束,组合成一个片状的大光束扫描样本。“想象我们的样品是一个西瓜,而照射光源是一把菜刀,扫描西瓜的三维影像就好像是用菜刀将西瓜切成好几百等分一样。切得愈薄,所得到纵向分辨率愈高。这和坊间的显微镜最大的不同是,它们是用点扫描的方式,所以速度慢,而且对活体的伤害大。

     ”该显微镜能力到底有多强大?陈壁彰在电子邮件中说,对一个正在做细胞分裂的细胞来说,它可以用不到一秒的时间获取其体积数据和图像,而且可以研究整个细胞分裂的过程,其空间分辨率也极高。“这样快速、高分辨率又对样品低伤害的显微镜,不仅可用在观察细胞上,连线虫和果蝇的卵,我们都可以做观察”。陈壁彰的导师贝齐格是今年诺贝尔化学奖3位得主之一,他的主要成就之一就是在2006年证实单分子显微镜成像方法可用于实践。

      高校斥巨资买显微镜只为得诺奖

      韩国首尔大学将以每台998万美元的高价购买了一批高尖端的显微镜。报道称,首尔大学为了进行能够获得诺贝尔奖水准的研究而决定购买尖端设备,去年4月在以理工学界教授们为对象进行设备需求调查后才最终选定了这款显微镜。

      报道称,首尔大学即将购入的是球面像差(spherical aberration)校正透射电子显微镜(Cs-correctedTEM)。小至0.07纳米(1纳米等于十亿分之一米)都可以观测得到,是拥有迄今为止最高分解能的显微镜。这意味着半径为0.126纳米的铁原子也可以观测得到。由于要发射高强度的电子束,显微镜仅是高就达4米,长宽各2米。

      这种显微镜是纳米素材研究等尖端物理学和工学领域研究所必需的设备。浦项工科大学纳米融合技术院特征分析组组长李奉浩表示:“显微镜就好比研究者的眼睛,是必不可少的设备。2010年获得诺贝尔物理学奖的二代新纳米材料二次元石墨烯(graphene)的研究也是因为有了这种显微镜的助力才实现的。”

      报道称,首尔大学为了进行能够获得诺贝尔奖水准的研究而决定购买尖端设备,去年4月在以理工学界教授们为对象进行设备需求调查后才最终选定了这款显微镜。此次首尔大学正在积极购买的每台价值100亿韩元的显微镜的数量将会多达10余台,这种显微镜全世界范围内也只有100台。
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