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http://www.microimage.com.cn(2014-10-30 12:52:16)
前段時間，諾獎化學(xué)獎被3個看起來與化學(xué)沾不上邊的顯微鏡研究者獲得，近日，又有媒體報道稱，該獎得主研發(fā)出一款新型顯微鏡。
三個看起來像是物理學(xué)家的人，因為突破了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限而獲得2014年的諾貝爾化學(xué)獎。為什么這種需要量子理論的工作屬于化學(xué)領(lǐng)域呢？
美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的埃里克·白茲格（EricBetzig）說自己高中時化學(xué)這門課是最弱的，他學(xué)的是物理專業(yè)，還曾經(jīng)很看不起搞化學(xué)的人。他也感到諷刺，自己獲得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎。
德國馬普研究所的斯特凡·黑爾（StefanHell）比白茲格還要像一名物理學(xué)家。他1990在海德堡大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位；三年后，當(dāng)他靈光一現(xiàn)獲得改造顯微鏡的關(guān)鍵思路時，他手中正在翻閱的書是量子光學(xué)。
威廉姆·莫爾納爾（WilliamE.Moerner）在斯坦福大學(xué)化學(xué)系工作，看起來是三人中最像化學(xué)家的人。不過他早先獲得的是物理學(xué)博士學(xué)位。
白茲格、黑爾、莫爾納爾，三個看起來像是物理學(xué)家的人，因為突破了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限而獲得2014年的諾貝爾化學(xué)獎。
不僅是化學(xué)
黑爾并不認(rèn)為自己是一名為生物學(xué)家發(fā)明工具的工程師。他在2009年時說：“我在內(nèi)心從來都不是一個設(shè)備研發(fā)者。我著迷的是鉆研人們認(rèn)為已經(jīng)一勞永逸地解決了的古老物理問題。我想要知道是否就是那樣。這是我的原則。即便還是個小男生的時候，我就總是想要知道事情的核心是什么?！?br>
為什么黑爾等人所做的看起來像是物理的工作會得到化學(xué)獎呢？在諾貝爾獎公布當(dāng)天，諾貝爾化學(xué)獎委員會主席斯文·利?。⊿venLidin）對《科學(xué)美國人》做了一番解釋。他說：“傳統(tǒng)上的化學(xué)是研究很大數(shù)量的分子及其效應(yīng)?，F(xiàn)在我們能夠看到單個分子在化學(xué)系統(tǒng)里的活動。這就意味著罕見的事件被以一種非常不同的方式來研究?；瘜W(xué)反應(yīng)可以在發(fā)生的過程中就被研究，而不是只能看到最終產(chǎn)物。”
迪克森隨后更加細(xì)致地對南方周末記者解釋了為什么納米級顯微鏡的研發(fā)工作是屬于化學(xué)領(lǐng)域的。
“我們通常把光看成一種化學(xué)試劑——它能夠帶來化學(xué)反應(yīng)?！钡峡松f，“在這個案例中，它可以讓綠色熒光蛋白中的載色體在明暗之間切換。光化學(xué)在這里就非常重要了?！边@一事實對于白茲格所研發(fā)的顯微技術(shù)是至關(guān)重要的。
“另一個這是‘化學(xué)’的原因在于，”他繼續(xù)說，“納米顯微學(xué)揭示了催化作用、生物學(xué)和材料科學(xué)中的基本的化學(xué)和生化反應(yīng)過程，這讓我們更好地認(rèn)識我們的世界，并推進(jìn)科學(xué)的發(fā)展。除了以上所說的光化學(xué)，它有能力更加直接地在化學(xué)尺度上探測這些反應(yīng)，這對化學(xué)和生化學(xué)界而言都是重要的創(chuàng)新?！?br>
迪克森說黑爾的工作的確比較接近物理學(xué)，“但是他仍然用到了激發(fā)態(tài)的分子，也必須理解分子光化學(xué)，才能讓那些方法起作用”。
當(dāng)然，納米顯微學(xué)的出現(xiàn)是很多學(xué)科交叉的結(jié)果。莫爾納爾在獲獎后說：“我以前就知道斯坦福大學(xué)擁有非常令人激動的交叉學(xué)科環(huán)境，有大量的專家可以促進(jìn)我的科學(xué)研究。還確實是這樣。我們用光來探測分子，這包含了物理和化學(xué)。我們把這應(yīng)用到生物學(xué)和生化系統(tǒng)中。但要在單個物體上精確測量和獲取盡量多的數(shù)據(jù)也是非常重要的，而這就用到電子工程學(xué)?！?br>
對于納米顯微學(xué)在未來可能產(chǎn)生的影響，迪克森對南方周末記者說：“任何具有以下性質(zhì)的系統(tǒng)都能夠受到納米顯微學(xué)的正面影響：在納米尺度上了解了物體相對位置并知道納米尺度動力學(xué)如何作用于其功能后能夠獲益。由黑爾、白茲格和莫爾納爾帶來的進(jìn)展將會讓材料科學(xué)和生物學(xué)研究持續(xù)受益?！?br>
諾獎得主團(tuán)隊研發(fā)出新型顯微鏡 獲獎不是偶然
今年諾貝爾化學(xué)獎得主埃里克·貝齊格的團(tuán)隊10月23日宣布，研發(fā)出一種新型光學(xué)顯微鏡，能以近乎實時的速度對活體細(xì)胞的活動進(jìn)行超高精度三維成像，同時把對細(xì)胞本身的傷害減至最小。這項成果已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
任職于美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的貝齊格在一份聲明中說，這種“晶格層光顯微鏡”擁有空間和時間方面的高分辨率，已被成功用來跟蹤個體蛋白質(zhì)的運動、觀察受精卵的發(fā)育以及研究細(xì)胞分裂時細(xì)胞骨架成分的快速生長和收縮，而這些都曾被認(rèn)為不可能做到。論文第一作者陳壁彰對筆者說，市面上看到的光學(xué)顯微鏡通常用同一個鏡頭做放大和觀察，而他們新研發(fā)出的光學(xué)顯微鏡使用兩個鏡頭，一個鏡頭把光聚焦產(chǎn)生一條細(xì)細(xì)的筆狀光束，照射有螢光分子的生物樣品以產(chǎn)生螢光；另一個鏡頭則收集這些螢光。
為了保證獲得數(shù)據(jù)的速度，并降低對生物樣本的光傷害，這一顯微鏡會同時產(chǎn)生100多條筆狀光束，組合成一個片狀的大光束掃描樣本?！跋胂笪覀兊臉悠肥且粋€西瓜，而照射光源是一把菜刀，掃描西瓜的三維影像就好像是用菜刀將西瓜切成好幾百等分一樣。切得愈薄，所得到縱向分辨率愈高。這和坊間的顯微鏡最大的不同是，它們是用點掃描的方式，所以速度慢，而且對活體的傷害大。
”該顯微鏡能力到底有多強(qiáng)大？陳壁彰在電子郵件中說，對一個正在做細(xì)胞分裂的細(xì)胞來說，它可以用不到一秒的時間獲取其體積數(shù)據(jù)和圖像，而且可以研究整個細(xì)胞分裂的過程，其空間分辨率也極高。“這樣快速、高分辨率又對樣品低傷害的顯微鏡，不僅可用在觀察細(xì)胞上，連線蟲和果蠅的卵，我們都可以做觀察”。陳壁彰的導(dǎo)師貝齊格是今年諾貝爾化學(xué)獎3位得主之一，他的主要成就之一就是在2006年證實單分子顯微鏡成像方法可用于實踐。
高校斥巨資買顯微鏡只為得諾獎
韓國首爾大學(xué)將以每臺998萬美元的高價購買了一批高尖端的顯微鏡。報道稱，首爾大學(xué)為了進(jìn)行能夠獲得諾貝爾獎水準(zhǔn)的研究而決定購買尖端設(shè)備，去年4月在以理工學(xué)界教授們?yōu)閷ο筮M(jìn)行設(shè)備需求調(diào)查后才最終選定了這款顯微鏡。
報道稱，首爾大學(xué)即將購入的是球面像差（spherical aberration）校正透射電子顯微鏡（Cs-correctedTEM）。小至0.07納米（1納米等于十億分之一米）都可以觀測得到，是擁有迄今為止最高分解能的顯微鏡。這意味著半徑為0.126納米的鐵原子也可以觀測得到。由于要發(fā)射高強(qiáng)度的電子束，顯微鏡僅是高就達(dá)4米，長寬各2米。
這種顯微鏡是納米素材研究等尖端物理學(xué)和工學(xué)領(lǐng)域研究所必需的設(shè)備。浦項工科大學(xué)納米融合技術(shù)院特征分析組組長李奉浩表示：“顯微鏡就好比研究者的眼睛，是必不可少的設(shè)備。2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的二代新納米材料二次元石墨烯（graphene）的研究也是因為有了這種顯微鏡的助力才實現(xiàn)的?！?br>
報道稱，首爾大學(xué)為了進(jìn)行能夠獲得諾貝爾獎水準(zhǔn)的研究而決定購買尖端設(shè)備，去年4月在以理工學(xué)界教授們?yōu)閷ο筮M(jìn)行設(shè)備需求調(diào)查后才最終選定了這款顯微鏡。此次首爾大學(xué)正在積極購買的每臺價值100億韓元的顯微鏡的數(shù)量將會多達(dá)10余臺，這種顯微鏡全世界范圍內(nèi)也只有100臺。
三個看起來像是物理學(xué)家的人，因為突破了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限而獲得2014年的諾貝爾化學(xué)獎。為什么這種需要量子理論的工作屬于化學(xué)領(lǐng)域呢？
美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的埃里克·白茲格（EricBetzig）說自己高中時化學(xué)這門課是最弱的，他學(xué)的是物理專業(yè)，還曾經(jīng)很看不起搞化學(xué)的人。他也感到諷刺，自己獲得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎。
德國馬普研究所的斯特凡·黑爾（StefanHell）比白茲格還要像一名物理學(xué)家。他1990在海德堡大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位；三年后，當(dāng)他靈光一現(xiàn)獲得改造顯微鏡的關(guān)鍵思路時，他手中正在翻閱的書是量子光學(xué)。
威廉姆·莫爾納爾（WilliamE.Moerner）在斯坦福大學(xué)化學(xué)系工作，看起來是三人中最像化學(xué)家的人。不過他早先獲得的是物理學(xué)博士學(xué)位。
白茲格、黑爾、莫爾納爾，三個看起來像是物理學(xué)家的人，因為突破了光學(xué)顯微鏡的分辨率極限而獲得2014年的諾貝爾化學(xué)獎。
不僅是化學(xué)
黑爾并不認(rèn)為自己是一名為生物學(xué)家發(fā)明工具的工程師。他在2009年時說：“我在內(nèi)心從來都不是一個設(shè)備研發(fā)者。我著迷的是鉆研人們認(rèn)為已經(jīng)一勞永逸地解決了的古老物理問題。我想要知道是否就是那樣。這是我的原則。即便還是個小男生的時候，我就總是想要知道事情的核心是什么?！?br>
為什么黑爾等人所做的看起來像是物理的工作會得到化學(xué)獎呢？在諾貝爾獎公布當(dāng)天，諾貝爾化學(xué)獎委員會主席斯文·利?。⊿venLidin）對《科學(xué)美國人》做了一番解釋。他說：“傳統(tǒng)上的化學(xué)是研究很大數(shù)量的分子及其效應(yīng)?，F(xiàn)在我們能夠看到單個分子在化學(xué)系統(tǒng)里的活動。這就意味著罕見的事件被以一種非常不同的方式來研究?；瘜W(xué)反應(yīng)可以在發(fā)生的過程中就被研究，而不是只能看到最終產(chǎn)物。”
迪克森隨后更加細(xì)致地對南方周末記者解釋了為什么納米級顯微鏡的研發(fā)工作是屬于化學(xué)領(lǐng)域的。
“我們通常把光看成一種化學(xué)試劑——它能夠帶來化學(xué)反應(yīng)?！钡峡松f，“在這個案例中，它可以讓綠色熒光蛋白中的載色體在明暗之間切換。光化學(xué)在這里就非常重要了?！边@一事實對于白茲格所研發(fā)的顯微技術(shù)是至關(guān)重要的。
“另一個這是‘化學(xué)’的原因在于，”他繼續(xù)說，“納米顯微學(xué)揭示了催化作用、生物學(xué)和材料科學(xué)中的基本的化學(xué)和生化反應(yīng)過程，這讓我們更好地認(rèn)識我們的世界，并推進(jìn)科學(xué)的發(fā)展。除了以上所說的光化學(xué)，它有能力更加直接地在化學(xué)尺度上探測這些反應(yīng)，這對化學(xué)和生化學(xué)界而言都是重要的創(chuàng)新?！?br>
迪克森說黑爾的工作的確比較接近物理學(xué)，“但是他仍然用到了激發(fā)態(tài)的分子，也必須理解分子光化學(xué)，才能讓那些方法起作用”。
當(dāng)然，納米顯微學(xué)的出現(xiàn)是很多學(xué)科交叉的結(jié)果。莫爾納爾在獲獎后說：“我以前就知道斯坦福大學(xué)擁有非常令人激動的交叉學(xué)科環(huán)境，有大量的專家可以促進(jìn)我的科學(xué)研究。還確實是這樣。我們用光來探測分子，這包含了物理和化學(xué)。我們把這應(yīng)用到生物學(xué)和生化系統(tǒng)中。但要在單個物體上精確測量和獲取盡量多的數(shù)據(jù)也是非常重要的，而這就用到電子工程學(xué)?！?br>
對于納米顯微學(xué)在未來可能產(chǎn)生的影響，迪克森對南方周末記者說：“任何具有以下性質(zhì)的系統(tǒng)都能夠受到納米顯微學(xué)的正面影響：在納米尺度上了解了物體相對位置并知道納米尺度動力學(xué)如何作用于其功能后能夠獲益。由黑爾、白茲格和莫爾納爾帶來的進(jìn)展將會讓材料科學(xué)和生物學(xué)研究持續(xù)受益?！?br>
諾獎得主團(tuán)隊研發(fā)出新型顯微鏡 獲獎不是偶然
今年諾貝爾化學(xué)獎得主埃里克·貝齊格的團(tuán)隊10月23日宣布，研發(fā)出一種新型光學(xué)顯微鏡，能以近乎實時的速度對活體細(xì)胞的活動進(jìn)行超高精度三維成像，同時把對細(xì)胞本身的傷害減至最小。這項成果已發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
任職于美國霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的貝齊格在一份聲明中說，這種“晶格層光顯微鏡”擁有空間和時間方面的高分辨率，已被成功用來跟蹤個體蛋白質(zhì)的運動、觀察受精卵的發(fā)育以及研究細(xì)胞分裂時細(xì)胞骨架成分的快速生長和收縮，而這些都曾被認(rèn)為不可能做到。論文第一作者陳壁彰對筆者說，市面上看到的光學(xué)顯微鏡通常用同一個鏡頭做放大和觀察，而他們新研發(fā)出的光學(xué)顯微鏡使用兩個鏡頭，一個鏡頭把光聚焦產(chǎn)生一條細(xì)細(xì)的筆狀光束，照射有螢光分子的生物樣品以產(chǎn)生螢光；另一個鏡頭則收集這些螢光。
為了保證獲得數(shù)據(jù)的速度，并降低對生物樣本的光傷害，這一顯微鏡會同時產(chǎn)生100多條筆狀光束，組合成一個片狀的大光束掃描樣本?！跋胂笪覀兊臉悠肥且粋€西瓜，而照射光源是一把菜刀，掃描西瓜的三維影像就好像是用菜刀將西瓜切成好幾百等分一樣。切得愈薄，所得到縱向分辨率愈高。這和坊間的顯微鏡最大的不同是，它們是用點掃描的方式，所以速度慢，而且對活體的傷害大。
”該顯微鏡能力到底有多強(qiáng)大？陳壁彰在電子郵件中說，對一個正在做細(xì)胞分裂的細(xì)胞來說，它可以用不到一秒的時間獲取其體積數(shù)據(jù)和圖像，而且可以研究整個細(xì)胞分裂的過程，其空間分辨率也極高。“這樣快速、高分辨率又對樣品低傷害的顯微鏡，不僅可用在觀察細(xì)胞上，連線蟲和果蠅的卵，我們都可以做觀察”。陳壁彰的導(dǎo)師貝齊格是今年諾貝爾化學(xué)獎3位得主之一，他的主要成就之一就是在2006年證實單分子顯微鏡成像方法可用于實踐。
高校斥巨資買顯微鏡只為得諾獎
韓國首爾大學(xué)將以每臺998萬美元的高價購買了一批高尖端的顯微鏡。報道稱，首爾大學(xué)為了進(jìn)行能夠獲得諾貝爾獎水準(zhǔn)的研究而決定購買尖端設(shè)備，去年4月在以理工學(xué)界教授們?yōu)閷ο筮M(jìn)行設(shè)備需求調(diào)查后才最終選定了這款顯微鏡。
報道稱，首爾大學(xué)即將購入的是球面像差（spherical aberration）校正透射電子顯微鏡（Cs-correctedTEM）。小至0.07納米（1納米等于十億分之一米）都可以觀測得到，是擁有迄今為止最高分解能的顯微鏡。這意味著半徑為0.126納米的鐵原子也可以觀測得到。由于要發(fā)射高強(qiáng)度的電子束，顯微鏡僅是高就達(dá)4米，長寬各2米。
這種顯微鏡是納米素材研究等尖端物理學(xué)和工學(xué)領(lǐng)域研究所必需的設(shè)備。浦項工科大學(xué)納米融合技術(shù)院特征分析組組長李奉浩表示：“顯微鏡就好比研究者的眼睛，是必不可少的設(shè)備。2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的二代新納米材料二次元石墨烯（graphene）的研究也是因為有了這種顯微鏡的助力才實現(xiàn)的?！?br>
報道稱，首爾大學(xué)為了進(jìn)行能夠獲得諾貝爾獎水準(zhǔn)的研究而決定購買尖端設(shè)備，去年4月在以理工學(xué)界教授們?yōu)閷ο筮M(jìn)行設(shè)備需求調(diào)查后才最終選定了這款顯微鏡。此次首爾大學(xué)正在積極購買的每臺價值100億韓元的顯微鏡的數(shù)量將會多達(dá)10余臺，這種顯微鏡全世界范圍內(nèi)也只有100臺。
