用户名:  密码:   
网站首页即时通讯活动公告最新消息科技前沿学人动向两岸三地人在海外历届活动关于我们联系我们申请加入
栏目导航 — 美国华裔教授专家网科技动向学人动向
关键字  范围   
 
解读2014年诺贝尔化学奖:超清晰荧光显微成像 开启纳米微时代
解读2014年诺贝尔化学奖:超清晰荧光显微成像 开启纳米微时代
2014/10/8 9:19:45 | 浏览:1715 | 评论:0

解读2014年诺贝尔化学奖:超清晰荧光显微成像 开启纳米微时代

来自美国和德国的三位科学家以其在光学显微成像领域的突破分享2014诺贝尔化学奖。

瑞典皇家科学院10月8日宣布,将2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家白兹格(Eric Betzig)和莫尔纳尔(William E. Moerner),德国科学家赫尔(Stefan W. Hell),以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成绩。

三位科学家将跻身自1901年第一次颁化学奖以来105位获此殊荣的科学家行列。

三人还将分享800万瑞典克朗的奖金。

诺贝尔委员会授予三人化学奖的理由是:“在超清晰荧光显微技术领域的发展”。

光学显微此前一直受成像清晰度的限制。

三位科学家的研究成果使得研究人员可以在更高清晰度下进行显微观察。

此前,知名数据机构汤森路透预测华裔科学家邓青云有望获得化学奖。

解读2014年诺贝尔化学奖:超清晰荧光显微成像 开启纳米微时代

诺贝尔奖官方颁奖词:

长期以来人们都为现有的光学显微技术感到困扰:如果显微镜下的观测物比可见光光波长度的一半还小,现有的显微镜就看不清这微小的物品了。但2014年诺贝尔化学奖获奖者们利用荧光分子为这些细小的物体“标记”,让它们在显微镜下变得五彩缤纷,轮廓清晰,使科学家能在显微镜下一瞥纳米级别的微小世界。

科学意义:

此项发现在真正意义上扩大了科学家们的视野,从此以后,科学家们就能在显微镜下看到生物细胞内纳米级别的粒子运动的情况。他们可以看到微小的粒子是如何在神经细胞之间形成突触的,也可以看到那些在帕金森症、阿茨海默症等等疾病的萌发中起到关键作用的微小蛋白质粒子,还能跟踪胚胎分裂时单个蛋白质分子的运动轨迹。

解读诺贝尔化学奖:绕过“束缚” 开启纳米微时


解读2014年诺贝尔化学奖:超清晰荧光显微成像 开启纳米微时代

据诺贝尔奖官方网站消息,诺贝尔化学奖于当地时间8日揭晓,获奖者为埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和斯特凡·黑尔,他们的获奖理由是在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。

  瑞典皇家科学院8日宣布,将2014年诺贝尔化学奖授予美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔,以表彰他们为发展超分辨率荧光显微镜所作的贡献。

  据报道,显微镜技术早于数百年前已逐步成形,分辨率亦随技术进步不断提升,但受制于光线波长限制,0.2微米成为显微镜难以突破的瓶颈。德国物理学家阿贝在1873年提出“绕射极限”概念,称0.2微米是传统光学显微技术解像度的物理极限。很多人就这样接受现实,但亦有小部分科学家坚定不移,矢志打破界限。

  1990年完成博士学位后,黑尔一直寻找突破“绕射极限”的方法,更不惜从德国前赴芬兰,结果遇上当时仍处于研究阶段的荧光显微学。于是黑尔想到设计一种“纳米电筒”,可在纳米范围内扫描目标样本,并以此为基础构建“受激发射损耗”(STED)显微技术。虽然他的理论当时没有引起哄动,但已引来学界关注。黑尔其后制作STED显微镜,并在2000年实际展示其功能,声名大噪。

  而在大西洋对岸的美国,莫纳1989年成为全球首位量度单分子光吸收量的科学家,并在8年后受到“绿色荧光蛋白”(GFP)启发,发展出能够开关GFP发光功能的方法。“绿色荧光蛋白”是2008年诺贝尔化学奖的研究,当年得奖者包括已故“中国导弹之父”钱学森堂侄、美国华裔科学家钱永健。

  莫纳为科学家观察单一分子打开大门,更成为贝齐格的突破口。贝齐格多年来为突破“绕射极限”费尽脑筋,他利用莫纳对可开关荧光分子的研究,研发出“单分子显微技术”,通过重复扫描目标样本,并在每次拍摄时只让少量分子发光,最后把所得图像重迭在一起,得出解像度突破“绕射极限”的显微影像。

  虽然目前也有电子显微镜等能提供高分辨率显微,然而这些方法的准备过程会杀死细胞,因此无法用于观察活细胞的活动。

  诺贝尔化学奖评选委员会当天声明说,长期以来,光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半,这被称为“阿贝分辨率”。借助荧光分子的帮助,今年获奖者们的研究成果巧妙地绕过了经典光学的这一“束缚”,他们开创性的成就使光学显微镜能够窥探纳米世界。如今,纳米级分辨率的显微镜在世界范围内广泛运用,人类每天都能从其带来的新知识中获益。

  诺贝尔化学奖评选委员会还指出,得奖者的研究允许人类观察病毒以至细胞内的蛋白质,对了解有关物质的功能作出重大贡献,例如可用于观察帕金森症、脑退化症和亨廷顿病患者体内的蛋白变化等。委员会赞扬三人的研究不仅为人类未来探求知识打下重要基础,他们现在仍然站在科研的最前线,通过科学研究为人类社会谋福祉。

华裔学者无缘诺贝尔化学奖

  美国科学家埃里克·贝齐格、威廉·莫纳和德国科学家斯特凡·黑尔因开发出超分辨率荧光显微镜而获得2014年度诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖评审委员会8日在瑞典首都斯德哥尔摩宣布这一消息时认定,3名科学家成功突破传统光学显微镜的极限分辨率,将显微技术带入“纳米”领域,让人类能以更精确的视角窥探微观世界。

  创新破“极限”

  3名获奖者中,现年54岁的贝齐格来自美国霍华德·休斯医学研究所,现年61岁的莫纳现任美国斯坦福大学教授,现年52岁的黑尔同时就职于马克斯·普朗克生物物理化学研究所和德国癌症研究中心。

  长期以来,光学显微镜的成像效果被认为受到光的波长限制,无法突破0.2微米即光波长二分之一的分辨率极限。这三位科学家则以创新手段“绕过”这一极限,通过激光束激活荧光分子,在荧光分子发光的时候通过特别手段消除或过滤掉多余荧光,从而获得比“极限”更精确的成像。

  诺贝尔化学奖评审委员会在当天发表的声明中说,通过荧光分子的帮助,这些科学家实现了这一突破,使用这一革命性显微技术在各自专业领域研究生命的最微小组成部分。

  其中,黑尔通过研究神经细胞了解大脑突触现象,莫纳研究与亨廷顿氏症(一种神经退化性紊乱疾病)相关的蛋白质,贝齐格研究胚胎内部的细胞分裂。

  探索“无止境”

  这一“纳米显微”技术问世前,人类凭借光学显微镜对细胞内分子作用的观察一直存在局限。

  按照诺贝尔化学奖评审委员会的说法,3位科学家的成果将显微技术带入“纳米”领域,让人类能够“实时”观察活细胞内的分子运动规律,为疾病研究和药物研发带来革命性变化。

  “在帕金森氏症、阿尔兹海默氏症(老年痴呆症)或亨廷顿氏症发作时,他们(科学家)可以跟踪与之有关的蛋白质(变化);受精卵分裂并发育成胚胎的过程中,他们也可以观察这些单个蛋白质(变化),”诺贝尔化学奖评审委员会说,3人的研究成果为微生物研究带来了几乎无限的可能,“理论上讲,如今没有什么物质结构小得无法研究。”

  如今,“纳米显微”技术在世界范围内被广泛运用,每天人类都能从其带来的新知识中获益。

  获奖“太意外”

  获得诺贝尔奖,对德国科学家黑尔似乎太过意外。他告诉诺贝尔奖基金会,接到电话时,他正在安静地阅读一篇科研论文,以为打来的是一个恶作剧电话。

  “太令人意外了,我没敢相信。我一开始觉得这可能是个恶作剧,”黑尔说,“幸运的是,我记得(瑞典皇家科学院常任秘书)诺尔马克教授的声音,我意识到(他)旁边还有其他人……才认为这是真的。”

  不过,黑尔没有陷入惊喜中,而是挂完电话继续阅读论文。

  “我读完了那篇我希望读到结尾的论文,然后再给我妻子打电话,还有几个和我关系密切的人。”黑尔说,他没有去理会如潮水般涌来的电话和采访请求。

  回忆起研究成果,黑尔说,他的研究最开始时遭到业内人士的强烈抵制,“人们觉得这个‘极限’自1873年就存在,再去做一些研究……有点疯狂,不太现实”。

  “然而,我的观点是,20世纪发生了那么多物理学(研究发现)……我觉得一定有某种东西或现象能帮助你突破那个极限,”黑尔说,“我一直都乐于挑战事物,挑战公共智慧。”

  本版据新华社京华时报记者郭莹 张思佳

  □解读 显微镜下的更小世界

  从光学显微镜到能探知纳米世界的超分辨率显微镜,2014年诺贝尔化学奖所表彰的科学研究突破了以往物体观测尺寸的界限,使人类得以研究更微小的世界。

  北京大学生物动态光学成像中心研究员孙育杰介绍,超分辨率荧光显微技术主要应用于生物领域。孙育杰说,传统光成像分辨率一般是波长的一半200纳米。这个分辨率在细胞成像上有些大了。很多细胞结构小于这个,很多生物分子排列很紧,这样也看不到。因此,科学家们致力于超分辨率领域的研究。

  孙育杰介绍,超分辨率领域的发展分为三个阶段,在1994年,德国人斯特凡·黑尔最先从原理和技术上实现了超分辨率,当时称为STED,但因为生物兼容性很差,很容易将生物样品烧坏,因此一直没能大范围应用。2006年,此次诺奖得主埃里克·贝齐格与华裔科学家庄小威几乎在同一时间各自独立发表论文,发明了新的超分辨率技术。二者在原理上非常像,且生物兼容性非常好,“这个技术一下子火起来”。

  此后,最早推出超分辨率技术的黑尔教授也在技术上不断改革,使得生物兼容性很好。因此,目前该领域主要广泛使用这三种技术。“这3个技术都很成熟,也有公司投入生产。比如尼康、奥林巴斯等,已经商用化了。北京还有10多家实验室在用这个技术。”

  目前,这几种技术把传统成像分辨率提高了10到20倍,最好的能达到10纳米,“这种提高是非常了不起的”。因此,超分辨率技术推出后,科学家们可以看到细胞内的细节,包括细胞结构,分子间的相互作用,相互定位及动态过程等。“好比一个近视眼的人突然戴上了合适的眼镜”。

  化学奖属于跨界出品

  物理学的原理和技术,广泛应用于生命科学领域,最后却获得了诺贝尔化学奖,这令一些人感到困惑。对此,孙育杰说,这几个技术都是跨界技术。实际上黑尔和庄小威都是物理专业毕业。他们都是一直从事物理研究,最后转做生物,用物理理论解决了生物的技术需求。“这是一个典型的技术诺贝尔奖,也是跨界的结果”。

  对于此技术获得化学奖,他说这几类技术实现超分辨率,都是利用荧光探针的性质,包括化学有机染料、荧光蛋白等。在2008年也有科学家凭借荧光蛋白获得过诺贝尔化学奖。“这其实是个生物领域”。他表示,这个技术就是利用了生物分子、化学分子的性质,实现了突破衍射极限的超高分辨率成像。

  □反应 学界为华裔学者叫屈

  昨天,诺贝尔化学奖公布后,很多学界专家都认为华裔科学家庄小威更有资格获得该奖。

  原北大生命科学院院长饶毅在第一时间发表文章称,“贝齐格的工作不仅与华裔教授庄小威的工作在物理原理上完全一样,而且他们研究论文发表的时间也一样,令人不解为何厚此薄彼”。

  孙育杰认为,在荧光显微技术这一领域,庄小威也是极为重要的贡献人。

  有学者说,莫纳虽然在成像领域里德高望重,备受尊敬,但是相比诺贝尔奖,还有一定差距。在质量上远不如黑尔、贝齐格和庄小威。

  据介绍,庄小威目前任哈佛大学化学系和物理系教授,兼北京大学生物动态成像中心研究员。庄小威毕业于中国科技大学少年班,美国加州大学物理学博士、斯坦福大学博士后,40岁当选美国科学院院士。

  ■埃里克·贝齐格

  1960年出生于美国密歇根州,1988年获得美国康奈尔大学博士学位。美国神经科学家、发明家、应用物理学家,他从康奈尔大学毕业后在贝尔实验室工作。其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。现在美国弗吉尼亚州霍华德·休斯医学研究所工作。

  2011年7月,贝齐格接受BBC的采访介绍超分辨率显微镜技术时说,我们第一次掌握了这种技术,可以让我们了解正在发生的复杂的三维动态。

  2006年,超高分辨率显微镜研究行业翻开了新的篇章。贝齐格和其他三个科研小组几乎同时发表了他们提高显微镜分辨率的科研成果。贝齐格和研究伙伴一起在2006年的《科学》杂志上发表了他们的研究成果。

  ■斯特凡·黑尔

  1962年生于罗马尼亚阿拉德,于1981年进入德国海德堡大学学习,并于1990年获得海德堡大学物理学博士学位。现为德国籍,是马克斯·普朗克生物物理化学研究所所长之一。

  1991年至1993年,黑尔在位于德国海德堡的欧洲分子生物学实验室从事研究工作。1993年至1996年在芬兰图尔库大学的物理医学系从事研究工作。1994年,黑尔发明了STED显微镜,是超分辨率显微技术的一大突破。

  1997年,黑尔迁往哥廷根,成为马克斯·普朗克学会在哥廷根的生物物理化学研究所的研究员。2003年至今,黑尔也是位于海德堡的德国癌症研究中心高分辨率光学显微技术部门的主任。

  2002年,黑尔获德国雷宾赫激光技术奖。2008年,曾获德国科学技术最高奖——莱布尼茨奖。

  ■威廉·莫纳

  1953年生于美国加利福尼亚州的普莱森顿,1982年获得康奈尔大学物理学博士学位。现为美国斯坦福大学哈利·S·莫什讲座教授,是单分子光谱和荧光光谱领域的著名专家。

  1981年至1995年,莫纳在IBM位于加利福尼亚州圣荷西的研究中心担任研究人员和管理人员。1993年至1994年,在瑞士苏黎世联邦理工学院担任访问客座教授。1995年至1998年,在加利福尼亚大学担任杰出教授(物理化学领域)。1998年至今,在斯坦福大学担任教授。

  莫纳曾获得不少荣誉,1984年获得罗杰·I·威尔金斯全美杰出年轻电气工程师奖;2001年获得美国物理学会厄尔勒·K·普利勒奖;2008年获得以色列沃尔夫奖化学奖;2009年获得欧文·朗缪尔化学物理学奖。

相关栏目:『学人动向
秦晖:强力控制下的大帝国,没有一个是永垂不朽的 2022-12-02 [10]
倪忆 | 江同志的数学情缘:老照片背后的故事 2022-12-01 [129]
被引超11万次,发Nature139篇文章,Sargent分享10个论文撰写经验 2022-11-18 [144]
裘小龍博士 獲頒聖路易大學文學傑出成就獎 2022-11-19 [131]
天使粒子论文遭顶刊三连撤 4名华人科学家遭质疑 2022-11-19 [161]
邓晓芒:中国知识分子的毛病在于对权力和政治的依赖 2022-11-19 [251]
加州大学系统5万学人罢工,中国留学生“躺枪” 2022-11-15 [252]
丘成栋:“丘氏出两位数学家,母亲一定很欣慰“ 2022-11-13 [174]
谭雅玲:美国崩溃论,可以歇歇了 2022-11-12 [402]
陈平原:所有人都迷信官位,这个非常可怕! 2022-10-26 [322]
相关栏目更多文章
最新图文:
:浙江财经大学国际青年学者论坛的邀请函 (10/31-11/1) :美国加大审查范围 北大多名美国留学生遭联邦调查局质询 :天安门广场喜迎“十一”花团锦簇的美丽景象 马亮:做院长就能够发更多论文?论文发表是不是一场“权力的游戏”? :印裔人才在美碾压华裔:我们可以从印度教育中学到什么? :北京452万人将从北京迁至雄安(附部分央企名单) :《2019全球肿瘤趋势报告》 :阿尔茨海默病预防与干预核心讯息图解
更多最新图文
更多《即时通讯》>>
 
打印本文章
 
您的名字:
电子邮件:
留言内容:
注意: 留言内容不要超过4000字,否则会被截断。
未 审 核:  是
  
关于我们联系我们申请加入后台管理设为主页加入收藏
美国华裔教授专家网版权所有,谢绝拷贝。如欲选登或发表,请与美国华裔教授专家网联系。
Copyright © 2022 ScholarsUpdate.com. All Rights Reserved.