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    深度解析:打破光學(xué)顯微的極限

    來源:中國科學(xué)報   作者:彭科峰 王靜 張孟梟  發(fā)布時間:2014-10-10
    關(guān)鍵詞:光學(xué)顯微 極限
     10月8日,2014年度諾貝爾化學(xué)獎揭曉,美國科學(xué)家埃里克·白茲格、威廉姆·艾斯科·莫爾納爾和德國科學(xué)家斯特凡·W·赫爾三人成為最終的幸運(yùn)兒。官方稱,該獎是為表彰他們在超分辨率熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域取得的成就。  

      在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時,專家們認(rèn)為,本屆諾貝爾自然科學(xué)獎存在明顯的“偏技術(shù)”的傾向。目前,在超分辨率熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域,國內(nèi)也不乏人才,但相關(guān)設(shè)備主要靠進(jìn)口,國家對于這些技術(shù)的研究關(guān)注不足,支持不夠。  

      偏向于技術(shù)  

      “偏冷門”——這是一些科學(xué)家對于本屆諾貝爾化學(xué)獎的第一印象。  

      中國科學(xué)院院士劉忠范是納米化學(xué)與納米結(jié)構(gòu)器件研究的專家,對于這三名美德科學(xué)家獲獎,他向《中國科學(xué)報》記者表示“感覺有些意外”。  

      北京大學(xué)醫(yī)藥衛(wèi)生分析中心細(xì)胞分析實驗室袁蘭博士認(rèn)為,此次諾貝爾化學(xué)獎偏向于生物化學(xué)方向,這是因為生物化學(xué)不分家。“要搞好生物研究,首先要有化學(xué)基礎(chǔ)。同時,很多儀器都是基于熒光信號,發(fā)光的多為化學(xué)物質(zhì)。比如,人體的代謝,分子的相互作用等都是化學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)容。”  

      從物理學(xué)獎的藍(lán)光LED,到化學(xué)獎的超分辨率熒光顯微技術(shù),劉忠范認(rèn)為,2014年的諾貝爾獎明顯存在偏技術(shù)的傾向。  

      長期以來,光學(xué)顯微鏡的分辨率都被認(rèn)為是有極限的,它不可能超過二分之一個光波長度。然而,獲獎的三位科學(xué)家打破了這一極限,使光學(xué)顯微鏡步入了納米時代。  

      中科院化學(xué)所研究員王樹向《中國科學(xué)報》介紹,超分辨率熒光顯微技術(shù)從原理上打破了原有的光學(xué)遠(yuǎn)場衍射極限對光學(xué)系統(tǒng)極限分辨率的限制,在熒光分子幫助下很容易超過光學(xué)分辨率的極限,達(dá)到納米級分辨率。這一技術(shù)在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科擁有廣泛的應(yīng)用。  

      “此前,超分辨技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域是空白的,白茲格等人的研究恰巧彌補(bǔ)了這項空白。”袁蘭表示。這項技術(shù)對于納米、分子、生物應(yīng)用等研究都有很大幫助。“一般這些研究都是靠電鏡進(jìn)行,超高分辨對于活體細(xì)胞的研究意義之大,是其他顯微鏡所不能取代的。”  

      王樹認(rèn)為,利用超高分辨率顯微鏡,可以讓科學(xué)家們在分子水平上對活體細(xì)胞進(jìn)行研究,如觀察活細(xì)胞內(nèi)生物大分子與細(xì)胞器微小結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞功能如何在分子水平表達(dá)及編碼,對于理解生命過程和疾病發(fā)生機(jī)理具有重要意義。  

      “冤家”亦“親家”  

      白茲格畢業(yè)于康奈爾大學(xué),后在貝爾實驗室工作。他的主要貢獻(xiàn)是研發(fā)了用于分子生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)的光學(xué)成像工具。鮮為人知的是,他還和北京大學(xué)長江講座教授、美國科學(xué)院院士謝曉亮有過一段“緣分”。  

      “1993年10月,在加拿大溫哥華的一次會議上,白茲格宣布單分子成像獲得成功。當(dāng)時我在聽眾席上,覺得很遺憾。”謝曉亮說。當(dāng)時在美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)工作的他,和同事沒日沒夜地做同一方向的實驗,但還是被貝爾實驗室搶了先。  

      美國和法國化學(xué)家分別在1989年和1990年做出了低溫單分子實驗;1990年美國化學(xué)家在溶液里用激光檢測到了單個分子的熒光,但沒有成像。  

      在這種背景下,謝曉亮開始想如何才能在室溫下做單分子成像,這也成為他在PNNL面試時提出的新方向,最后獲得通過。“應(yīng)該說,在某種程度上,謝曉亮和白茲格是競爭對手。”劉忠范說。  

      中科院生物物理所研究員徐平勇向《中國科學(xué)報》介紹,白茲格做科研十分嚴(yán)謹(jǐn),每項工作的每一個細(xì)節(jié),都必須做到完美、精準(zhǔn)之后才會發(fā)表。由此,他所做的技術(shù)往往能在多方面得到應(yīng)用,獲得很多數(shù)據(jù)。  

      生活中,白茲格非常低調(diào),不喜歡與外界接觸,他的學(xué)生曾代他去領(lǐng)一個重要獎項。另外,他還是第二個獲諾獎的中國女婿。  

      “而現(xiàn)在,他無疑是全世界做非線性結(jié)構(gòu)光照最好的科學(xué)家。”徐平勇說。  

      “國外牽頭做,我國在跟跑”  

      上世紀(jì)八九十年代,有兩項和顯微鏡相關(guān)的技術(shù)在同時發(fā)展,一個是掃描隧道顯微鏡,一個是近場光學(xué)顯微鏡,白茲格主要的貢獻(xiàn)是和近場光學(xué)顯微鏡有關(guān)。但后來,人們對掃描隧道顯微鏡使用得比較多,近場光學(xué)顯微鏡便遭到冷落。  

      “近場光學(xué)顯微鏡可以說是‘工匠的藝術(shù)’,可操作性比較差。當(dāng)然,評委把諾貝爾獎給他,我覺得主要是看中與超分辨率熒光技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展。”劉忠范說。  

      無獨有偶,德國科學(xué)家斯特凡·W·赫爾的主要貢獻(xiàn)是發(fā)明了STED顯微鏡,實現(xiàn)了超高精度顯微技術(shù)的一大突破。袁蘭介紹,STED技術(shù)現(xiàn)在在理論上已經(jīng)可以達(dá)到40~50nm的分辨率,“人們已經(jīng)能夠通過它看到微管蛋白是什么樣的”。  

      袁蘭認(rèn)為,目前,世界上超分辨率熒光顯微技術(shù)已經(jīng)很成熟,遺憾是,“國外牽頭做,我國在跟跑”。并且,使用的儀器也是從國外購買。  

      王樹介紹,我國的科學(xué)工作者在超分辨率熒光顯微技術(shù)領(lǐng)域做了很多工作,在提高成像分辨率上達(dá)到了較高水平,“但在該領(lǐng)域的原始創(chuàng)新方面還有待突破”。  

      “我們國家對于這些技術(shù)的研究關(guān)注不足,支持不夠,科研人員沒有從技術(shù)投入中得到資助。而國外的超高分辨,發(fā)明之后很快就進(jìn)入市場了,而我們的技術(shù)轉(zhuǎn)化很慢,往往存在理論和實踐應(yīng)用的脫節(jié)。”袁蘭說,“我國有很多應(yīng)用嗷嗷待哺,急需技術(shù)支持、經(jīng)費(fèi)支持和政策支持。” 
    責(zé)任編輯:李尚峰
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