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是時候該長知識了 日常化學小教室 ─ 2014諾貝爾化學獎

作者:欸│2015-03-04 02:42:06│巴幣:28│人氣:1103




艾瑞克 ‧ 貝齊格(Eric Betzig),史蒂芬 ‧ 海爾(Stefan W. Hell)以及威廉 ‧ 莫納(William E. Moerner)等三人得到了2014的諾貝爾化學獎,這是因為他們越過了一個科學上設想的限制,也就是一個光學顯微鏡永遠無法超越0.2微米的解析度規格。

利用分子的螢光,科學家現在可以監看在細胞內部分子之間的交互作用;他們可以觀察與疾病相關的蛋白質聚集,也可以在奈米的尺度裡追蹤細胞的分裂。

紅血球細胞、細菌、酵母細胞以及游動精子:當科學家在十七世紀第一次開始在顯微鏡下研究活體組織時,一個新的世界在他們的眼前打開。

這是微生物學出世之際,從此之後,光學顯微鏡成為生命科學家工具箱裡面最重要的工具之一。

其他的顯微鏡術,例如電子顯微鏡,其所需的準備方法最終會殺死細胞。


發亮的分子越過了物理的屏障

然而,有一段很長的時間,光學眼微鏡被一個物理的屏障所阻礙了,限制了所能解析的結構大小。

在1873年,顯微鏡學家恩斯特 ‧ 阿貝(Ernst Abbe)發表了一個方程式,證明了光學顯微鏡的解析度是如何受到光的波長,以及一些其他因素所限制。

因此這導致科學家們,在二十世紀的大半時間裡,相信光學顯微鏡是永遠無法用來觀察那些比所用的光之波長的一半還小的物體,也就是0.2微米(200奈米;微米=10的負六次方米 =10的三次方奈米)細胞裡的一些胞器的輪廓,例如細胞的發電機粒線體,雖可以看到,但幾乎不可能分辨更小的物體,因此譬如想要追蹤細胞裡的蛋白質分子之間的相互作用,就無法做到,這好比能看到一個城市的建築物,但卻無法看出市民如何的生活,何如何為其生存而努力。

為了瞭解一個細胞如何的運作,你必須能追蹤個別的分子如何的工作。

在十九世紀末葉,恩斯特 ‧ 阿貝(Ernst Abbe)定義了光學顯微鏡的解析度約為光的波長的一半,差不多是0.2微米(200奈米),這意味著科學家能夠區別一個完整的細胞以及一些細胞內的胞器,不過他們將永遠無法分辨小到一個正常大小的病毒,或是一個單一的蛋白質分子。

儘管阿貝的方程式依然成立,但繞射的極限阻礙仍被克服了。

艾瑞克 ‧ 貝齊格,史蒂芬 ‧ 海爾以及威廉 ‧ 莫納等三人之所以獲得2014的諾貝爾化學獎,就是因為他們利用螢光分子,將光學顯微鏡帶進了另一個境界。

理論上,不再存在有太小而無法觀察的結構。就結果而言,光學顯微鏡變成了奈米顯微鏡。

如何規避阿貝繞射極限的故事,要分成兩條路來說;兩個基於不同的原理所各自獨立發展出的方法,都獲得成功。讓我們回朔到1993年,在芬蘭西南部的一個學生公寓裡,史蒂芬 ‧ 海爾在翻閱一本量子光學的教科書時,得到了一個很棒的點子。


對阿貝繞射極限的青春叛逆面對的是懷疑

自從海爾在1990年從德國海德堡大學取得博士學位之後,他就一直在尋找方法,來規避阿貝在超過一個世紀以前所訂下的限制。

挑戰一個已經建立的理論,這樣的想法很誘人,但是在德國的資深科學家們,用懷疑面對了他的熱情,導致海爾往寒冷的北方尋找庇護所。

一位在芬蘭特爾庫(Turku)大學研究螢光顯微鏡術的教授,給了海爾在其研究小組工作的一個職位。

海爾相信一定有一個機會能夠克服阿貝的繞射極限,而當他讀到本量子光學課本裡面〝受激放射〞的字語時,在他的腦海裡浮現了一個新的想法:〝在那個瞬間,曙光在我腦際出現,我終於找到一個實際的觀念來追求 ─ 一條真正的線索。〞這是他於2009年自己的說明,讓我們計入他的想法一探究竟。


解答:用一個奈米大小的手電筒掃描樣品

在特爾庫大學,海爾在進行稱為螢光顯微鏡術的研究,那是一種利用螢光分子來讓細胞顯像的技術。舉例來說,他們可以使用只專一的與細胞DNA分子偶合隻螢光抗體,科學家們用一個短暫的脈衝光來激發抗體,這會上抗體發光並持續一個短暫的時間,如果抗體是與DNA偶合的它們就會在細胞當中發光,因為DNA是塞在細胞核裡面的。利用這個方法,科學家們可以看到某些分子的位置,但是他們只能定出一群聚集在一起的分子之位置,例如一些糾纏在一起的多股DNA,但是因為解析度太低,而無法分辨單股DNA,這就好像你可以看到一捲紗線,但卻無法看出紗線是如何纏繞的。

當海爾讀到受激放射時,他體認到應該可以設計一種奈米的手電筒,能夠對著樣品以一次一個奈米的方式掃描。利用受激放射,科學家們可以將分子的螢光淬滅,當他們將一到雷射光束罩在那些發光的分子上時,它們會立刻失去能量而變暗。

在1994年,海爾發表了一篇論文概略說明了他的想法,它規劃的方法稱為受激放射消去法(stimulated emission depletion,簡稱STED),利用一到脈衝光將所有的螢光分子激發(開始發光),同時利用另一到脈衝光將所有的螢光分子淬滅,但是只有在中間的一個奈米尺度大小的體積之內除外,因此只會取得在這個體積之內的螢光。透過對樣品的掃描以及同時對光線強度的測量,就可以取得一張清楚的圖像。

每一次被容許放出螢光的體積越小,最後得到的影像解析度就越高,因此在理論上,光學顯微鏡在解析度的方面就不再有限制了。






第一次打這種東西,如果有錯字的部分歡迎提出來,我會盡快修改

內容圖片取自google

被封面片進來的就算了
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留言共 5 篇留言

Everest
騙你

03-04 05:23

路燈不是檯燈
縮圖很會w

03-04 06:38

沒事別亂立FLag
縮圖咧wwwwwwwwwwwwwwwwww

03-04 08:28

兔二:滾你奶奶的
  很有趣的科技。該科技突破了「1873年,顯微鏡學家Ernst Abbe」的「光學顯微鏡的解析度無法超過(200奈米)」之論述。

  「STED,藉著操作「兩道脈衝光」突破這限制。首先,除中間某個奈米尺度大小的體積之內除外,一道脈衝光,使所有的螢光分子發光,而另一道脈衝光將所有的螢光分子淬滅,因此最後發光仍的而能觀測的分子,僅是該體積內的。最後,將欲觀察的樣本,以『兩道脈衝光』照射,則能取得高解析度的局部,而越多次照射,便能取得越多高解析度的樣本局部。拼湊該樣本局部群,便能取得『接近』樣本整體之掃描結果。

  故,『每一次被容許放出螢光的體積越小,最後得到的影像解析度就越高』。因此,在理論上,光學顯微鏡在解析度的方面就不再有限制了。」

  我關心的問題有兩個。

  一、被允許放出的螢光之體積的縮小,真的不存在極限嗎?(※經驗上的可行性、還有量子物理的理論性挑戰---在分子觀察尺度越小的狀況下,發現分子會忽大忽小,這是否會影響多次的反覆掃描的重組結果?)

  二、該科技所耗費的資金有多少?無論是起初的儀器開發、採買,中間的耗材......

  三、該觀測技術,不會對樣本產生「額外影響」嗎?

03-04 13:25

コーティカルテ
被縮圖騙進來拉ww
不過長知識推

03-05 12:35

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