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6416-耶拿,阿贝无处不在

文章分类:新闻公告人气:477 次访问发表时间:2021-04-23

耶拿,阿贝无处不在

------【2014诺贝尔·化学·经济】物理学家抢走了化学奖?超过极限!

[1]

Ernst Abbe und der Nobelpreis für Chemie Von
Florian
Freistetter / 13. Oktober 2014 /
4
Kommentare / Seite 1 von 2 /
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Letzte Woche wurden die Nobelpreise des Jahres
2014 verliehen und über den
Physikpreis
habe ich ja schon ein bisschen etwas geschrieben. Sehr
faszinierend war aber dieses Jahr auch der Preis für Chemie. Der
wurde an Eric Betzig, Stefan Hell und William Moerner
verliehen und hat Mikroskopen zu tun. Als Astronom sind
fallen ja eher die Teleskope in mein Arbeitsgebiet und mit den
Mikroskopen habe ich mich eher wenig beschäftigt. Als Jenaer fand
ich das Thema der Preisverleihung aber trotzdem interessant, denn
es hat viel mit der Arbeit von Ernst Abbe zu tun. Den Namen kennen
wahrscheinlich nur die Physikerinnen und Physiker. Und die
Einwohner von Jena, denn hier trifft man Abbe überall.
Ernst Abbe wurde zwar in Eisenach geboren, kam
aber schon 1857 zum Studium nach Jena. Dass es überhaupt dazu kam,
war nicht selbstverständlich, denn Abbes Eltern waren nicht
sonderlich wohlhabend und nur die Unterstützung des Arbeitgebers
von Abbes Vater konnte Ernst die Ausbildung am Gymnasium und der
Universität ermöglichen. Abbe arbeitete in Göttingen und Frankfurt
am Main, bevor er wieder zurück nach Jena kam und schließlich 1878
Direktor der Sternwarte von Jena wurde. Und ohne Abbe gäbe es diese
Sternwarte heute vermutlich gar nicht mehr.

机械翻译:
Last week, the Nobel Prize in the year 2014 was
awarded and I already wrote a bit about the Physics Prize. This
year, however, the price for chemistry was also very fascinating.
It was awarded to Eric Betzig, Stefan Hell and William Moerner and
has microscopes. As an astronomer are falling rather the telescopes
in my work area and with the microscopes I have rather little
occupied. As a Jenaer, I found the topic of awarding the prize
interesting, because it has a lot to do with the work of Ernst
Abbe. Only physicists know the name. And the inhabitants of Jena,
because here you meet Abbe everywhere.
Ernst Abbe was born in Eisenach, but in 1857 he
came to Jena to study. It was not at all self-evident that Abbe's
parents were not very well-off, and only the support of the
employer of Abbe's father enabled Ernst to attend the Gymnasium and
the University. Abbe worked in Göttingen and Frankfurt am Main
before he returned to Jena and finally became director of the
Sternwarte von Jena in 1878. And without Abbe, it would probably no
longer be possible for the Star Wars.

Die
Universitätssternwarte von Jena

Im 19. Jahrhundert ging es mit der Sternwarte immer weiter bergab;
man kümmerte sich dort eigentlich nur noch um die meteorologischen
Messungen und die ganze Institution verwahrloste immer mehr. Ernst
Abbe arbeitete zu dieser Zeit an der Universität und in der
optischen Werkstätte von Carl Zeiß. In einem Gutachten, um das Abbe
im Jahr 1875 gebeten wurde, wies er auf die Notwendigkeit der
astronomischen Forschung in Jena und die Bedeutung des Erhalts
Sternwarte hin. Abbe wurde zu ihrem neuen Direktor bestellt und er
investierte einen Teil seines Gelds, um das Gebäude zu renovieren.
Die Sternwarte, die man heute in Jena sehen kann, ist ein
kompletter Neubau von 1889, der auf Abbe zurück geht.
Abbe war aber nicht nur für die Astronomie in Jena
von großer Bedeutung, sondern auch für die optische Industrie. Er
arbeitete schon früh mit Carl Zeiss in dessen optischer Werkstatt
zusammen und wurde 1876 Teilhaber der Firma und ab 1899, nach dem
Tod von Zeiss, deren alleiniger Inhaber. Außerdem war er an der
Gründung der heutigen Schott AG beteiligt und leistet mit seiner
Forschung über optische Gläser einen wichtigen Beitrag zur Existenz
dieser Firma. Für Zeiss stellte er die Produktion der Mikroskope
auf eine wissenschaftliche Basis. Bis dahin probierte man im
Wesentlich nur herum, bis man die beste Konfiguration für die
Linsen gefunden hatte. Abbe schuf die theoretischen Grundlagen, mit
denen sich berechnen ließ, wie man Mikroskope am besten
baut.
Und er lieferte auch die Theorie, die die maximal
mögliche Leistung eines optischen Mikroskop beschrieb. Abbe konnte
zeigen, dass es eine bestimmte Grenze gibt, die man einfach nicht
überschreiten konnte. Lichtstrahlen werden beim Durchgang durch
Linsen und bei der Reflexion immer abgelenkt und diese Beugung
schränkt die maximale mögliche Auflösung ein. Das Abbe-Limit für
die Auflösung eines Mikroskops sagt
(vereinfacht), dass man zwei Objekte im Mikroskop
nur dann getrennt voneinander beobachten kann, wenn ihr Abstand
mindestens der halben Wellenlänge des Lichts beträgt, mit dem man
beobachtet. Bei sichtbarem Licht sind das höchstens 200 Nanometer:
Alles was näher beieinander liegt, kann von einem optischen
Mikroskop nicht mehr aufgelöst werden.

机械翻译:
In the nineteenth century the Sternwarte went
downhill; They were only concerned about the meteorological
measurements and the whole institution became more and more
neglected. Ernst Abbe worked at the University and the optical
workshop of Carl Zeiss. In an expert report, which was asked to
Abbe in 1875, he pointed out the necessity of astronomical research
in Jena and the importance of preserving Sternwarte. Abbe was
appointed to her new director and he invested part of his money to
renovate the building. The Sternwarte, which can be seen today in
Jena, is a complete new building from 1889 dating back to
Abbe.
Abbe was of great importance not only for
astronomy in Jena, but also for the optical industry. He worked
early with Carl Zeiss in his optical workshop and in 1876 became a
shareholder of the company and from 1899, after the death of Zeiss,
their sole owner. In addition, he was involved in the founding of
today's Schott AG and is making an important contribution to the
existence of this company with his research on optical glasses. For
Zeiss he set the production of microscopes on a scientific basis.
Until then, one was essentially only trying to find the best
configuration for the lenses. Abbe created the theoretical
foundations to calculate the best way to build
microscopes.
And he also provided the theory that described the
maximum possible performance of an optical microscope. Abbe was
able to show that there is a certain limit, which simply could not
be exceeded. Light beams are deflected during the passage through
lenses and during reflection, and this diffraction restricts the
maximum possible resolution. The Abbe limit for the resolution of a
microscope says
(simplified)
that two objects in the microscope can be observed
separately from each other only if their distance is at least half
the wavelength of the light with which one observes. In visible
light, the maximum is 200 nanometers. Everything that is closer
together can not be resolved by an optical microscope.

Ernst-Abbe-Denkmal am Fürstengraben mit der Formel für das
Abbe-Limit

Ernst Abbe monument at the
Fürstengraben with the formula for the Abbe limit

Natürlich gibt es heutzutage Elektronenmikroskope und andere
optische Geräte, die nicht an das Abbe-Limit gebunden sind. Aber um
damit arbeiten zu können, muss man die Untersuchungsobjekte zum
Beispiel im Vakuum platzieren, sie in dünne Schichten schneiden
oder sonst irgendwie präparieren. Das ist oft kein Problem – aber
wenn man lebende Zellen beobachten will, wird es schwierig. Dann
muss man sie entweder auf die oben beschriebene Art und Weise
umbringen und kann dann nicht mehr die Prozesse beobachten, an
denen man interessiert ist. Oder aber man benutzt die alten
optischen Instrumente, mit denen man das, was man sehen will, nicht
sehen kann, weil es auf kleineren Skalen stattfindet.

机械翻译:
Of course, today there are electron microscopes
and other optical devices which are not bound to the Abbe limit.
But in order to be able to work with it, one has to place the
examination objects in a vacuum, cut them into thin layers, or
otherwise prepare them. This is often not a problem - but if you
want to observe live cells, it becomes difficult. Then you have to
kill them either in the way described above and then you can not
observe the processes you are interested in anymore. Or you use the
old optical instruments with which you can not see what you want to
see, because it takes place on smaller scales.

[2]

【2014诺贝尔奖】化学奖深度解读:突破极限,见所未见
wisdomfire

颁发于 2014-10-09 15:29

本文作者:wisdomfire
2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家:艾力克·贝齐格(Eric Betzig)、斯凡·W·赫尔(Stefan W. Hell)和W·E·莫纳(W. E. Moerner),以表扬他们对付成长超分辩率荧鲜明微镜做出的卓著进献。他们的突破性工作使光学显微手艺进入了纳米标准,从而使科学家们可以或许察看到活细胞中分歧分子在纳米标准上的运动。

这三位获奖科学家都是业内年夜牛,很有着名度。贝齐格是美国应用物理学家和创造家,今朝在美国霍华德·休斯医学研讨所珍利亚农场研讨园区工作;赫尔是罗马尼亚出身的德国物理学家,如今担任德国马克斯·普朗克生物物理化学研讨所所长;莫纳则是美国单分子光谱和荧光光谱范畴的有名专家,从1998年至今始终在斯坦福年夜学担任传授。

2014
年诺贝尔化学奖得主:(左)艾力克·贝齐格(Eric Betzig),(中)斯凡·W·赫尔

(Stefan W. Hell),(右)W·E·莫纳(W. E. Moerner)。图片起源:从左至右:, wikipedia,
wikipedia

这三年夜牛中,贝齐格是一个极具个性的人。20世纪90年月初,贝齐格参加贝尔试验室,研讨一种异常殊的显微镜(叫近场显微镜)。贝尔试验室是个高手云集的处所,曾经出了康复几个诺贝尔奖得主。然则,贝齐格在贝尔试验室做了几年、发了康复几篇康复文章、得了康复几个奖之后就觉得在学术界没意义,于是乎决然决然地分开了贝尔试验室。去哪儿呢?这里不得不说一下,贝齐格实在是个土豪,是个富二代。他分开贝尔之后就去他爸开的公司

了。是金子到哪儿都闪发光,在公司上班的几年间,贝齐格又搞出了康复几个创造和专利。赚了年夜把的人民币之后,贝齐格觉得在工业界待“累了”,又想回学术界---但这个时刻,他曾经分开学术界七年,想回来谈何容易?

怎样办?牛人说:没事,我先在家捣鼓、捣鼓。就如许,贝齐格在本身家客堂捣鼓出了一个超分辩率荧鲜明微镜(PALM,见下),终极招致他夺得本年的诺贝尔化学奖。不外故事到这里还没有停止:捣鼓完这个超分辩率显微镜没几年,贝齐格又觉得本身的这个手艺没太多意义,便转到另外一个偏向,开端引领另一个潮水(选择性光片照显著微镜,这几年刚火起来的一个范畴)。另外一个故意义的工作是,本年八月在德国的一个学术会议

上,有人问贝齐格关于诺贝尔奖的事,年夜牛撇撇嘴傲娇地答复道:诺贝尔奖没意义,做有趣的科研才是正事。

光学显微镜及其分辩率限定

为什么说这三位获奖者的工作是突破性的呢?

故事得从光学显微镜提及。跟着暗中的中世纪时代停止,欧洲进入文艺中兴时期。在文明艺术获得极年夜成长的同时,当代天然科学也逐步成长起来:台光学显微镜恰是在文艺中兴时期问世。是谁制作了台光学显微镜已不完全可考(一说是两个荷兰的眼镜制作商于16世纪晚期创造),但这不紧张。紧张的是,从此以后科学家们可以用光学显微镜来瞧瞧这个瞅瞅谁人了,察看的对象当然也包括各类性命有机体。在谁人时代,随意看看树叶、小草也是个分量级的年夜发现:有名的罗伯·胡克(Robert Hooke)老师便是在1665年用光学显微镜看了看红酒瓶的软木塞从而发现了细胞的存在。当代生物学及微生物学皆因光学显微镜而诞生,光学显微镜也成为性命科学中必弗成少的对象。跟着人们观测的器械越来越小,人们不由疑难,光学显微镜到底能看多小?

“能看多小”,换成比拟科学的说法便是:“分辩率有多高”。分辩率(严厉讲是光学分辩率)描写的是成像体系剖析成像细节能力,或者说是成像体系能区分的两点之间的小间隔。1873年,物理学家恩斯·阿贝(Ernst Abbe)得出论断:传统的光学显微镜分辩率有一个物理极限,即所用光波波长的一半(,即200纳米)。

为什么会如许呢?要懂得这个,咱们回到高中物理曾经先容过的单缝衍射试验:当一束光颠末一条狭缝,在中央亮条纹的两侧会出现一系列明暗瓜代的条纹。这是因为光是电磁波,它被狭缝限定时会发生衍射从而偏离直线流传。假如光颠末的不是一条狭缝,而是一个圆孔,那么圆孔会在各个偏向上限定光的流传,从而光在各个偏向上发生衍射而造成圆孔衍射图样,或者叫“爱里斑”(Airy Disk):这个图案中心有一个比拟年夜的亮斑,外围有一些明暗瓜代的环。同样的事理,因为衍射的存在,成像体系无奈把光芒会聚成无穷小的点,而只会在像立体上造成有限年夜小的爱里斑。经由过程任何光学仪器成像的进程,都可以以为是把物立体上的无数微弱的点转换成爱里斑,然后再把它们叠加起来出如今像立体上。如许的成果是,任何成像体系所获得的像无奈准确地描写物体的所有细节。

那么像立体上可以或许出现多邃密的细节?假如物立体上有两个点,经由过程一个光学成像体系后发生两个爱里斑。当这两个点离得较远时,像立体上的爱里斑也会离得较远---此时咱们可以轻松分辩出物立体上有两个点。假如把两个点逐渐移近,爱里斑也会随之靠近。当它们靠近到一个圆斑中心与另一个圆斑边沿重合的时刻,咱们到达可以或许分辩出有两个点的极限(这就叫瑞利判据)。假如这两个点更靠近,像立体上的两个爱里斑就险些重合在一路,成为一个圆斑,那物立体上的两个点就弗身分辩了。是以,爱里斑的直径就给出了抱负光学体系的高分辩率;在光学显微镜中,这个数值年夜概是光波波长的小一半,。

(A),(B)爱里斑;(C)分辩率及瑞利判据。图片起源:。

很长光阴以来,人们都以为光学显微手艺无奈突破这个极限。为了到达更高的分辩率,许多人选择了其他显微手艺,如电子显微镜()。事实上,电子显微镜也是遵循衍射纪律的。分歧的是电子波长比光波短1000倍,从而分辩率更高。然而,电子显微镜有一个很显著的毛病:它很难用于活体生物样品的察看;相反地,光学显微镜对付察看的样品根本没有侵犯性。

超分辩率荧鲜明微镜的原理

这三位科学家是若何突破光学显微镜的分辩率极限呢?

起首退场的是莫纳。超分辩率荧鲜明微镜很紧张的一个方面是荧光。荧光是一种光致冷发光征象。荧光分子可以或许吸引一种波长的光,喷射出另外一种波长的光。荧光分子是有必定寿命的,其连续发光一段光阴后,将不克不迭接续发光(这种征象叫做光致褪色)。荧光分子可所以荧光卵白质分子(如2008年诺贝尔化学奖得主人民币永健发现的绿色荧光卵白),也可所以有机分子。在莫纳之前,人们观测荧光分子时都是同时观测到几百万、几万万个分子,获得的成果是其均匀统计成果。而莫纳是个可以或许探测单个荧光分子的人,于1989年将手艺推进到观测单个荧光分子。可以或许探测并察看单个荧光分子对付超分辩率显微镜极其紧张。
微米的爱里班,然则在没有其他分子存在的情况下,它的中心肠位可以更准确地被肯定下来的。这就康复比一座山岳直径很年夜,然则峰顶的地位却能轻松的丈量。在必定前提下,单个荧光分子的定位精度能到达1纳米。这是超分辩率显微镜的根基。

莫纳的另一个进献是发现了像节制电灯胆一样便利地节制荧光蛋鹤发光的办法:一些已褪色的荧光卵白在照耀
405nm激光后可以或许被激活,再照耀其引发光(如488nm)即可从新发出荧光;这个办法称为“光激活(photoactivation)”。

光激活定位显微镜原理。图片起源:改动自
2014
年诺贝尔化学奖申报。

贝齐格创造的超分辩率显微镜叫光激活定位显微镜(photoactivated localization
microscopy,PALM),此中所应用的便是莫纳发现的光激活办法。贝齐格应用微量的405nm激光照耀样品,使得此中极小部门荧光分子可以或许发出荧光。因为这些发光的荧光分子很稀少从而相距较远,它们的地位可以或许准确地肯定下来。等这些分子光致褪色后,再次照耀405nm激光而激活另一小部门荧光分子。反复这个进程即可将样品中的所有分子定位出来,从而获得整个样品的图像。

溶酶体膜在分歧显微镜下的成像成果。(左)传统光学显微镜成像;(中)光激活定位显微镜成像;(右)放年夜的光激活定位显微镜成像。注:
微米刻度相称于阿贝衍射极限,分辩率获得很年夜改善。图片起源: Science 313:1642–1645。

赫尔则另辟蹊径,他创造的是STED(受引发射损耗,stimulated emission
depletion)荧光成像手艺。在这个手艺中,,然则另一种甜甜圈外形的激光能将其照耀区域的所有分子的荧光打消,从而只留下中央的分子的荧光。经由过程扫描整个样品,从而完成对整个样品的成像。

STED显微镜原理。图片起源:改动自2014年诺贝尔化学奖申报。

另一片天空

本日,科学家们可以或许从微弱的分子细节来研讨活细胞,这在古人看来是弗成能的工作。在纳米显微
(nanoscopy)范畴,科学家可以察看到更小的布局,也可以观测活细胞中分歧分子的运动---他们可以或许看到脑部神经细胞间的突触是若何造成的,他们可以或许察看到与帕金森氏症、阿尔兹海默症和亨丁顿跳舞症相关的卵白凑集进程,他们也可以或许在受精卵决裂形

成胚胎时追踪分歧的卵白质。这无疑将推进听类从分子程度懂得性命科学中的征象与机理。

华人科学家庄小威的工作

值得一提的是,险些与贝齐格2006年创造PALM同时,哈佛年夜学化学系与物理系的华人传授庄小威也自力创造了另一种超分辩率显微镜(STORM,stochastic optical reconstruction
microscopy)。PALM和STORM这两种显微手艺不仅同年,并且原理也根本同等。分歧之处在于贝齐格应用的是光激活卵白,而庄小威运用的是有机荧光分子对。但很遗憾的是,庄小威并未能分享本年的诺贝尔化学奖。(编纂:Calo)

文章题图:

[3]

【2014诺贝尔·化学·经济】物理学家抢走了化学奖?

作者:南边周末记者
黄永明
2014-10-17 08:17:33
起源:南边周末

美国科学家威廉姆·莫尔纳尔。

(东方IC/图)

三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辩率极限而获得2014年的诺贝尔化学奖。为什么这种需要量子实践的工作属于化学范畴呢?

美国霍华德·休斯医学研讨所的埃里克·白兹格(Eric Betzig)说本身高中时化学这门课是弱的,他学的是物理专业,还曾经很看不起搞化学的人。他也觉得讥讽,本身获得了2014年的诺贝尔化学奖。

德国马普研讨所的斯凡·黑尔(Stefan Hell)比白兹格还要像一名物理学家。他1990在海德堡年夜学获得物理学博士学位;三年后,当他灵光一现获得改革显微镜的症结思绪时,他手中正在翻阅的书是量子光学。

威廉姆·莫尔纳尔(William E. Moerner)在斯坦福年夜学化学系工作,看起来是三人中像化学家的人。不外他早先获得的是物理学博士学位。

白兹格、黑尔、莫尔纳尔,三个看起来像是物理学家的人,因为突破了光学显微镜的分辩率极限而获得2014年的诺贝尔化学奖。

自力的工作

显微镜早出如今1674年(注:乱说八道!),荷兰贩子和科学家列文虎克透过自制显微镜察看了水池里的水点,发现了一个全新的天下。微生物的存在开端被人们晓得。

后来,显微镜颠末许多改良,越来越专业和周详,然则一个局限是显微镜的制作者们所无奈超过的。它便是德国的光学设计专家恩斯·阿贝(Ernst Abbe)提出的,实践上,显微镜无奈分辩尺寸小于其所运用的光芒波长一半的物体。阿贝为此而写的方程式提出于1873年。
120年后,黑尔在芬兰的学生公寓里翻阅量子光学册本,看到“受引发射”时,萌发了一个设法主见。他始终在斟酌若何可以或许突破阿贝所提出的极限。依照他在2009年的说法:“那一刻,它让我如梦初醒。我终于找到了一个切实值得追寻的观点,一个真正的线索。”

黑尔很快就计较出了本身的办法是可行的。然则当他把本身冲动听心的发现奉告传授时,传授却面无脸色,说了一句“纸上可行罢了”。

又过了七年,也便是2000年,那时黑尔曾经在德国马普研讨所工作,他终于用试验证清晰明了本身的设法主见是可行的。他以光学显微镜从未到达过的分辩率拍摄了在世的年夜肠杆菌。

他还用他创造的受引发射损耗显微手艺(STED)察看了在世的神经细胞的运动。只管其他显微手艺,康复比电子显微镜也可以或许察看极其微弱的物体,但它只能察看死物,而无奈像黑尔的STED如许察看正在发生的性命运动。

美国科学家莫尔纳尔的项紧张突破出现于1989年。其时他在IBM位于加州圣何塞的研讨中心工作。他胜利地丈量了单个分子对光的吸引,其时天下上除了他,没人能做到。

“他对科学很有豪情,是一位精采、专一,并且异常勤恳工作的科学家和教育家。”美国乔治亚理工学院的化学传授罗伯·迪克森(Robert Dickson)对南边周末记者说。莫尔纳尔曾经是迪克森的博士后导师。

莫尔纳尔的第二项紧张工作是他到了加州年夜学圣迭戈分校之后,与迪克森等人一同完成的。他们于1997年在《天然》杂志上颁发了这项工作,即单分子的绿色荧光卵白可以受控关上和封闭。这篇论文是诺贝尔奖委员会在授奖时援用的两篇症结文献之一。

第三位获奖者白兹格的阅历可能是三人中不寻常的。他从前是一名试验物理学家,在读博时代,以及在贝尔试验室工作的时刻,他研发了一种被称为“近场显微镜”的仪器,这种显微镜可以或许看到比通俗光学显微镜更小的物体。然而他终极发现,这种显微镜也有一个局限,即它并不克不迭察看活物。

他很失望,以为没有需要再在这个偏向上做下去了,于是从贝尔试验室告退,到他父亲运营的机械公司工作了七年。其间,他对机械做了许多改良,然后就又觉得短缺应战性了,于是重燃了回到科学界的盼望。

然则他曾经有十年没有颁发过科学论文了,若何能力让科学界从新采取他呢?他决意做一些具有突破性的器械出来。想来想去,决议要在显微镜上做点工作。

此时他从文献中读到了绿色荧光卵白,这给了他很年夜启迪。到2005年,他做出了与莫尔纳尔相似的工作。他在这个根基上成长出了纳米级显微镜,并拍摄到超高分辩率的溶酶体膜照片。

不仅是化学

黑尔并不以为本身是一名为生物学家创造对象的工程师。他在2009年时说:“我在心坎历来都不是一个装备研发者。我入神的是钻研人们以为曾经一劳永逸地办理了的古老物理问题。我想要晓得是否便是那样。这是我的准则。即便照样个小男生的时刻,我就老是想要晓得工作的焦点是什么。”

为什么黑尔等人所做的看起来像是物理的工作会获得化学奖呢?在诺贝尔奖颁布当天,诺贝尔化学奖委员会主席斯文·利丁(Sven Lidin)对《科学美国人》做了一番诠释。他说:“传统上的化学是研讨很年夜数目的分子及其效应。如今咱们可以或许看到单个分子在化学体系里的运动。这就象征着罕有的变乱被以一种异常分歧的体式格局来研讨。化学反响可以在发生的进程中就被研讨,而不是只能看到终极产品。”

迪克森随后加倍过细地对南边周末记者诠释了,为什么纳米级显微镜的研发工作,是属于化学范畴的。

“咱们凡是把光当作一种化学试剂——它可以或许带来化学反响。”迪克森说,“在这个案例中,它可以让绿色荧光卵白中的载色体在明暗之间切换。光化学在这里就异常紧张了。”这一事实对付白兹格所研发的显微手艺是至关紧张的。

“另一个这是‘化学’的缘故原由在于,”他接续说,“纳米显微学揭示了催化作用、生物学和资料科学中的根本的化学和生化反响进程,这让咱们更康复地熟悉咱们的天下,并推进科学的成长。除了以上所说的光化学,它有能力加倍直接地在化学标准上探测这些反响,这对化学和生化学界而言都是紧张的立异。”

迪克森说黑尔的工作切实实在比拟靠近物理学,“然则他仍旧用到了引发态的分子,也必需懂得分子光化学,能力让那些办法起作用”。

当然,纳米显微学的出现是许多学科穿插的成果。莫尔纳尔在获奖后说:“我以前就晓得斯坦福年夜学领有异常令人冲动的穿插学科情况,有年夜量的专家可以匆匆进我的科学研讨。还确切是如许。咱们用光来探测分子,这包括了物理和化学。咱们把这应用到生物学和生化体系中。但要在单个物体上准确丈量和获取只管即便多的数据也是异常紧张的,而这就用到电子工程学。”

对付纳米显微学在将来可能发生的影响,迪克森对南边周末记者说:“任何具有以下性子的体系都可以或许遭到纳米显微学的正面影响:在纳米标准上相识了物体相对地位并晓得纳米标准动力学若何作用于其功效后可以或许获益。由黑尔、白兹格和莫尔纳尔带来的进展将会让资料科学和生物学研讨连续受益。”

[4]

Eric Betzig, Stefan Hell, And W. E. Moerner Win 2014 Nobel
Prize In Chemistry Volume 92 Issue 41 |
p. 5 | News of The Week Issue Date: October
13, 2014 | Web Date: October 9, 2014
By
Celia Henry Arnaud Department: Science
& Technology
The 2014 Nobel Prize in Chemistry honors three
individuals for the development of superresolution fluorescence
microscopy, which has made it possible to obtain optical images at
the nanometer scale—well below the diffraction limit.
Eric
Betzig, 51, of the Howard Hughes Medical Institute’s
Janelia Farm campus in Ashburn, Va.; Stefan
W. Hell, 51, of the Max Planck Institute for Biophysical
Chemistry, in Göttingen, Germany, and the German Cancer Research
Center, in Heidelberg; and William
E.
(W.
E.)
Moerner,
61, of Stanford University will share the $ million
prize.
Moerner was the first person to detect a single
fluorescent molecule, which he achieved while working at IBM’s
Almaden Research Center in San Jose, ­Calif. Before
that, researchers could only detect many molecules
­simultaneously.

The filament
structures within a nerve cell are clearly resolved in a STED
microscopy image
(circular inset)
but blurry in a conventional light microscope
image.

Credit: G. Donnert & S. W. Hell/Max Planck Institute
for Biophysical Chemistry

Moerner later discovered, while working at the
University of California, San Diego, that one variant of green
fluorescent protein could be turned on and off on command. The
protein would fluoresce when excited with 488-nm light, but once it
faded the protein wouldn’t turn back on. But Moerner discovered
that exposure to 405-nm light reactivated the protein. It could
again be excited with 488-nm light.
Such photoswitchable fluorescent proteins form the
basis of photoactivated localization microscopy
(PALM), which Betzig coinvented with Harald
Hess in 2006. They built the original instrument in Hess’s living
room.
In PALM, photoactivatable fluorescent proteins are
toggled on and off a few at a time. The method requires that the
activated proteins be far enough apart that their locations can be
precisely determined. An image can be built by repeating the cycle
many times and superimposing the images. Similar methods were also
developed in 2006 by Xiaowei Zhuang
of Harvard University(stochastic optical reconstruction
microscopy, or STORM)and by Samuel T. Hess of the University of
Maine
(fluorescence PALM, or fPALM).
The method developed by Hell—stimulated emission
depletion(STED)microscopy—works differently. In that
method, one laser beam stimulates fluorescence in labeled
biomolecules. A second overlapping doughnut-shaped laser beam turns
off that fluorescence in all but a nanometer-sized volume. By
scanning across a sample, it is possible to build an image with
nanometer-scale resolution.
“I’m glad not to be in the shoes of the Nobel
Prize committee which had to make the decision who not to include
as an award winner,” says Joerg Bewersdorf, a superresolution
microscopy expert at Yale University. “The field has benefited
tremendously by contributions of quite a few pioneers over the last
two decades.”
These original superresolution methods improved
lateral resolution, but they did little to improve depth
resolution. Since the introduction of PALM, STORM, STED, and fPALM,
the inventors and others have further developed them to acquire
three-dimensional images.
The awarding of the prize for superresolution
imaging “reflects the amazing impact this technology is having
throughout biology,” says Jennifer Lippincott-Schwartz, a cell
biologist at the National Institutes of Health who has collaborated
with Betzig. These techniques “are revolutionizing our concepts of
some of the most fundamental components of living cells, which up
until now were hidden because of our inability to see below the
resolution limit of light.”
“I see this as a confluence of areas of science,”
American Chemical Society President Thomas J. Barton says. “There’s
no question it’s chemistry. But we see a lot of sciences playing a
role in the whole picture. I think that’s a very healthy
thing.”

Betzig and
Harald Hess built their original instrument in Hess’s living
room.

Credit: HHMI

Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
Copyright ? 2017American Chemical
Society

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