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诺贝尔化学奖深度解析打破光学显微极限

发布时间:2020-02-19 08:17:16 阅读: 来源:柴油机厂家

10月8日,2014年度诺贝尔化学奖揭晓,美国科学家埃里克·白兹格、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔和德国科学家斯特凡·W·赫尔三人成为最终的幸运儿。官方称,该奖是为表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。

在接受《中国科学报》记者采访时,专家们认为,本届诺贝尔自然科学奖存在明显的“偏技术”的倾向。目前,在超分辨率荧光显微技术领域,国内也不乏人才,但相关设备主要靠进口,国家对于这些技术的研究关注不足,支持不够。

偏向于技术

“偏冷门”——这是一些科学家对于本届诺贝尔化学奖的第一印象。

中国科学院院士刘忠范是纳米化学与纳米结构器件研究的专家,对于这三名美德科学家获奖,他向《中国科学报》记者表示“感觉有些意外”。

北京大学医药卫生分析中心细胞分析实验室袁兰博士认为,此次诺贝尔化学奖偏向于生物化学方向,这是因为生物化学不分家。“要搞好生物研究,首先要有化学基础。同时,很多仪器都是基于荧光信号,发光的多为化学物质。比如,人体的代谢,分子的相互作用等都是化学领域的内容。”

从物理学奖的蓝光LED,到化学奖的超分辨率荧光显微技术,刘忠范认为,2014年的诺贝尔奖明显存在偏技术的倾向。

长期以来,光学显微镜的分辨率都被认为是有极限的,它不可能超过二分之一个光波长度。然而,获奖的三位科学家打破了这一极限,使光学显微镜步入了纳米时代。

中科院化学所研究员王树向《中国科学报》介绍,超分辨率荧光显微技术从原理上打破了原有的光学远场衍射极限对光学系统极限分辨率的限制,在荧光分子帮助下很容易超过光学分辨率的极限,达到纳米级分辨率。这一技术在生物、化学、医学等多个学科拥有广泛的应用。

“此前,超分辨技术在相关领域是空白的,白兹格等人的研究恰巧弥补了这项空白。”袁兰表示。这项技术对于纳米、分子、生物应用等研究都有很大帮助。“一般这些研究都是靠电镜进行,超高分辨对于活体细胞的研究意义之大,是其他显微镜所不能取代的。”

王树认为,利用超高分辨率显微镜,可以让科学家们在分子水平上对活体细胞进行研究,如观察活细胞内生物大分子与细胞器微小结构以及细胞功能如何在分子水平表达及编码,对于理解生命过程和疾病发生机理具有重要意义。

“冤家”亦“亲家”

白兹格毕业于康奈尔大学,后在贝尔实验室工作。他的主要贡献是研发了用于分子生物学、神经科学的光学成像工具。鲜为人知的是,他还和北京大学长江讲座教授、美国科学院院士谢晓亮有过一段“缘分”。

“1993年10月,在加拿大温哥华的一次会议上,白兹格宣布单分子成像获得成功。当时我在听众席上,觉得很遗憾。”谢晓亮说。当时在美国太平洋西北国家实验室(PNNL)工作的他,和同事没日没夜地做同一方向的实验,但还是被贝尔实验室抢了先。

美国和法国化学家分别在1989年和1990年做出了低温单分子实验;1990年美国化学家在溶液里用激光检测到了单个分子的荧光,但没有成像。

在这种背景下,谢晓亮开始想如何才能在室温下做单分子成像,这也成为他在PNNL面试时提出的新方向,最后获得通过。“应该说,在某种程度上,谢晓亮和白兹格是竞争对手。”刘忠范说。

中科院生物物理所研究员徐平勇向《中国科学报》介绍,白兹格做科研十分严谨,每项工作的每一个细节,都必须做到完美、精准之后才会发表。由此,他所做的技术往往能在多方面得到应用,获得很多数据。

生活中,白兹格非常低调,不喜欢与外界接触,他的学生曾代他去领一个重要奖项。另外,他还是第二个获诺奖的中国女婿。

“而现在,他无疑是全世界做非线性结构光照最好的科学家。”徐平勇说。

“国外牵头做,我国在跟跑”

上世纪八九十年代,有两项和显微镜相关的技术在同时发展,一个是扫描隧道显微镜,一个是近场光学显微镜,埃里克·白兹格主要的贡献是和近场光学显微镜有关。但后来,人们对扫描隧道显微镜使用得比较多,近场光学显微镜便遭到冷落。

“近场光学显微镜可以说是‘工匠的艺术’,可操作性比较差。当然,评委把诺贝尔奖给他,我觉得主要是看中与超分辨率荧光技术的结合与发展。”刘忠范说。

无独有偶,德国科学家斯特凡·W·赫尔的主要贡献是发明了STED显微镜,实现了超高精度显微技术的一大突破。袁兰介绍,STED技术现在在理论上已经可以达到40~50nm的分辨率,“人们已经能够通过它看到微管蛋白是什么样的”。

袁兰认为,目前,世界上超分辨率荧光显微技术已经很成熟,遗憾是,“国外牵头做,我国在跟跑”。并且,使用的仪器也是从国外购买。

王树介绍,我国的科学工作者在超分辨率荧光显微技术领域做了很多工作,在提高成像分辨率上达到了较高水平,“但在该领域的原始创新方面还有待突破”。

(责任编辑:硅谷网·何睿)

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