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光学显微镜极限 看见了看不见的世界

来源:作者: 时间:2015-07-06 08:05:31

    19世纪一个德国人发现的光学显微镜极限,100多年后被另一个德国人突破。10月8日,诺贝尔化学奖颁给了德国人黑尔,以及两位美国人贝齐格和莫纳。他们的新显微镜,让科学家能更清晰地透视微观奥秘。

 
  由于光会衍射,一个发光点,被眼睛或者底片捕捉到的是一块晕斑(准确说,是一块圆形的涟漪)。19世纪德国大光学家阿贝发现,两个点靠太近,近到光波的一半左右,显微镜下就显示为一块晕斑了。根据“阿贝极限”,传统显微镜能看清200纳米以上的细菌,但看不见200纳米以下的病毒和蛋白质分子。
 
  后来,电子显微镜问世了。电子也是一种光波,波长极短,电子显微镜分辨率可以突破200纳米。“但是,电子显微镜时间分辨率低,不能观察运动的东西。”中科院化学所研究员方晓红说,“要观察生物,得把对象冷冻了,放进真空。没法看到活着的细胞器怎么运动和行使功能。”
 
  一直到了1990年代,钻研显微镜技术的德国人黑尔(出生在罗马尼亚)提出了新的办法。他给普通的光源上,套上了一个面包圈一样的环装光源。“面包圈”负责“擦除”。
 
  “两束光波长是一定的,一束激发荧光,环形的一束则退激发,这样就只留下中间一小块有光。”方晓红说。如此一来,显微镜分辨度终于突破了200纳米。黑尔给他的这项发明取名STED,即“受激发射损耗”。
 
  黑尔后来回忆说,STED的灵感是他一次躺在床上看理论书籍时想到的,之后他立刻冲进了实验室,那是他科研生涯最激动的一刻。
 
  STED技术之后,另一些技术方案也获得成功。此次两位美国诺奖得主的PALM技术,思路截然不同。STED是靠擦除光晕提高分辨率;PALM则是设法让光点不要挨得太近。
 
  利用生物基因改造,被观察的蛋白质分子与荧光蛋白质分子整合(相当于给每个对象配一盏指示用的灯泡)。灯泡要发荧光,先得被一种特定波长的激光激活。PALM技术的要诀,就是每次只给很低能量的激光,这样,灯泡的大海之中,只有几个激活,灯泡挨在一起的几率基本为零。PALM会拍很多张照片,每张照片上,都有稀稀拉拉、位置清楚的发光分子,叠加在一起就显示出蛋白质分子精确的分布。假如在普通显微镜下,就会呈现为模糊一片。
 
  方晓红从事的研究,也得益于这些技术进步。她提到,哈佛大学华人教授庄小威的STORM技术,同是大获成功的超分辨率显微技术,与PALM技术同样发明于2006年,此次没有同获诺奖有些可惜。在科学网博客上也有人为庄小威鸣不平。
 
  “这些技术虽然比较新,但在化学和生物学上已经广泛应用。它们突破了‘光学分辨率极限不可突破’的认识,很了不起。”方晓红说,“黑尔在1990年代就提出了STED技术,但真正用到生物观测还是2007年。因为黑尔是个物理学家,一开始大家没有意识到STED技术用在细胞方面的前景,十几年后才有了认识。2009年我们在北京开香山会议,邀请黑尔来的时候,大家已经都说他迟早会获诺贝尔奖。”

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