诺贝尔奖与生命科学_ 放大世界的秘密_ 超高分辨显微镜_
【高中生物】Nature新闻：超越极限的突破性技术
【高中生物】Nature新闻：超越极限的突破性技术科学家们利用婴儿尿不湿里的吸水材料让大脑组织膨胀，使普通显微镜达到了60nm的分辨率。
显微镜可以放大活细胞和组织的图像。
如果我们真的能放大它们呢？这听起来像是《爱丽丝梦游仙境》中的童话故事，但事实上，科学家已经开发出了这种技术。
这种放大技术可以在传统显微镜下成像整个大脑，并揭示超出光学极限的分子细节。
上个月，麻省理工的edwardboyden在一次会议上展示了自己和feichen、paultillberg开发的膨胀显微技术（expansionmicroscopy）。
类似工作的技术膨胀显微技术与超高分辨率显微技术有异曲同工之妙，都能超越显微成像的衍射极限。
去年，美国和德国的三位科学家因为超高分辨率显微技术获得了诺贝尔化学奖。
几个世纪以来，光学显微镜的“衍射极限”一直被认为是无法克服的。
近年来，科学家们以不同的方式“突破”了这一限制，使人们能够区分相距不到200纳米的两个物体。
目前的超高分辨率显微镜技术可以分辨距离约为20纳米的物体。
然而，这项技术需要昂贵的专业仪器，而且在厚样品中效果并不理想。
神经学科学家都希望在一群神经元甚至整个大脑中，确定神经突触上的蛋白定位。
“我们尝试将一切放大，”boyden在美国nih的一次会议上说。
为此，他的研究团队使用了丙烯酸盐（acrylate），丙烯酸盐是婴儿尿不湿中主要的锁水成分。
这一物质有两个特别的性能，一是形成可以固定蛋白的网，二是遇水膨胀。
boyden的组织在膨胀之后，向各方向增大了约4.5倍。
加水就行了科学家们先将组织透明化，加入能将特定蛋白锚定在丙烯酸盐上的荧光分子，然后把丙烯酸盐注入组织。
丙烯酸盐遇水膨胀之后，荧光标记分子彼此被拉远，之前用可见光显微镜难以分辨的蛋白也变得清晰。
boyden展示，这个技术可以分辨膨胀前相距60nm的分子。
值得注意的是，这项技术可以在很大程度上保留蛋白质的相对方向和连接，并保持其他细胞结构的完整性。
我国成功研制高端超分辨光学显微镜
科技资讯我国成功研制高端超分辨光学显微镜由中国科学院苏州生物医学工程技术研究所承担的国家重大科研装备研制项目“超分辨显微光学核心部件及系统研制”26日在苏州高新区通过验收,标志着我国已经成功研制出高端超分辨光学显微镜。
在当今生物学和基础医学研究中,高/超分辨光学显微镜发挥着至关重要的作用,10纳米至100纳米尺度的超分辨显微光学成像更是取得原创性研究成果的重要手段。
历时5年攻关,中科院苏州医工所科研人员突破大数值孔径物镜、特种光源、新型纳米荧光增强试剂、系统集成与检测等关键技术,已经申请90余项国家发明专利，其中获得授权30余项；研制出激光扫描共聚焦显微镜、双光子显微镜、受激发射损耗(STED)超分辨显微镜、双光子-STED 显微镜等高端光学显微镜整机；建成了高端显微光学加工、装调、检测以及显微镜整机技术集成工程化平台,培养出一支具备研制复杂精密高端光学显微镜能力的研发团队,为我国高端光学显微镜的发展提供了系统解决方案。
中科院苏州医工所所长唐玉国介绍,该所研制的超分辨显微镜或核心部件已在美国、德国、以色列及国内多家研究机构投入使用并取得部分成果。
例如，中科院动物所利用高端光学显微镜观察发育生物学中的基本现象,研究潜在调控机制；中科院药物所应用高端光学显微镜观察药物胞内靶向定位和输送,加速创新性新药 研发。
(刘巍巍 董瑞丰)来源：新华社3619.6千米！国产水下滑翔机“海燕”再次刷新续航里程纪录新型金属—DNA材料实现高效核酸递送3619.6千米，天津大学“海燕”再次刷新由自己保持的国产水下滑翔机连续工作时间最长和续航里程最远等纪录。
此次再次创造纪录的是“海燕-L”长航程水下滑翔机（编号CHC03）。
该型号的“海燕”是在国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项支持下，由天津大学与青岛海洋科学与技术试点国家实验室联合实验室研制的。
记者从天津大学了解到，11月下旬，该水下滑翔机在南海北部安全回收，顺利完成项目中期海上试验考核，无故障运行141天，最大工作深度1010米，连续剖面数达734个，续航里程3619.6公里，再次刷新此前由其保持的国产水下滑翔机连续工作时间最长和续航里程最远等纪录。
6获诺贝尔奖的显微镜技术
6获诺贝尔奖的显微镜技术在显微镜发明之前，人类对于世界的观察只局限于肉眼。
当列文虎克使用他自制的显微镜观察到细胞和微生物后，一个全新的微生物世界在人类眼前打开。
此后，恩斯特·鲁斯卡于1931年发明电子显微镜，使得人们能够直接在原子水平观察。
显微镜将人类视野带到了一个之前从未触及的微观世界，人类开始对自己和自己所处的这个世界有了更深入的认知。
显微镜技术一共获得过6次诺贝尔奖，三次获物理奖，三次获化学奖。
分别是：1953年的物理学奖颁给了相位差显微镜1953年的物理学奖“因论证相衬法，特别是发明相衬显微镜”授予了荷兰科学家弗里茨·塞尔尼克(Frits Zernike)。
在20世纪30年代，塞尔尼克在从事光学研究时，一次偶然的发现让他意识到不可见的光相位变化可以转变为可见的振幅变化，也就是理论上的相衬法，利用这种原理，他将传统的光学显微镜加入相位板制成了首台相衬显微镜。
相衬显微镜最大的优势就是可以观察活性透明物质。
当时的显微镜观察细胞时都需要染色，而染色会杀死细胞，塞尔尼克的相衬显微镜可直接观察到活细胞的内部结构，后来这种光学显微镜得到了广泛应用，成为生物学和医学研究中有的有力工具。
1982年的化学奖颁给了晶体电子显微技术1982年的化学奖授予英国科学家克卢格(AaronKlug)，奖励他发展了晶体电子显微技术，他把X-射线晶体学与电子显微镜的方法结合起来，观察到了病毒染色质中的DNA和蛋白质。
1986年的诺贝尔物理学奖颁给了电子显微镜和扫描隧道显微镜光学显微镜分辨能力有限(约0.2微米)，运用电子束成像的电子显微镜突破了光学分辨极限，电子显微镜的发明为人类观察微观世界开辟了新途径。
1986年的诺贝尔物理学奖就授予了设计第一台电子显微镜的鲁斯卡(Ernst Ruska)。
显微镜的发展历程还远未结束，1986年物理奖的另一半奖金分给了德国物理学家宾宁(Gerd Binnig)和瑞士物理学家罗雷尔(Heinrich Rohrer)，以表彰他们设计出隧道扫描显微镜(STM)。
超分辨显微镜技术的发展
超分辨显微镜技术的发展随着科技的进步，显微镜这种科学仪器已经被广泛应用于生命科学、物理科学、化学科学等领域，在科学研究中扮演着重要的角色。
特别是在生命科学中，显微镜对人们了解细胞的结构、功能以及分子级别的相关研究有着极为重要的贡献。
尽管现在的显微镜已经比起过去发生了巨大变化，但是对细胞、分子和微观世界的观测和研究仍然受到许多限制。
比如，传统的显微镜最精细的分辨率只有200~300纳米（1纳米=10^-9米）左右，这意味着无法观察到更小的细胞结构和分子结构。
然而，随着科技的进步，一种新型的显微镜技术被提出，即超分辨显微镜技术。
它的名称已经表明了它所具有的能力：比传统显微镜能够提高分辨率，观察到更小的物质结构。
这项技术的研究起源于1978年，但直到21世纪初，这项技术才逐渐向生命科学领域引入。
值得一提的是，在2014年，超分辨率显微镜技术的发明者Eric Betzig、William Moerner、Stefan Hell由此共同获得了诺贝尔化学奖。
超分辨显微镜技术的原理超分辨显微镜技术的基本原理是将获得的信号分解成空间或者时间，同时压缩或者展开经过分解后的信号，这样就能够达到比传统显微镜更加精细的分辨率。
这一过程与基于衍射的传统显微镜工作原理不同，更像是一种反映深层次识别方法的拼图过程。
具体地说，超分辨显微镜技术分为以下几个步骤：首先，显微镜将样本中的物质激发成荧光或者其他类型的信号，然后利用相应的器械选取某一特定的位置、方向或者时间段提取这一信号。
最后，将这些信号传送到计算机中，通过一定的算法进行处理，避免下一次信号采集时原有的信号损失。
这样，在若干轮处理后，就能够得到更加精细的图像，并且检测到更加小的物质结构。
超分辨显微镜技术在生命科学中的应用超分辨显微镜技术已经被成功应用于生命科学领域的多个方面，从分析细胞的微观结构到研究蛋白质及其相互作用等。
其中，超分辨显微镜技术的一大优势是能够检测到更加小的细胞结构和分子结构，比如细胞膜蛋白，这种蛋白的分辨率比传统显微镜可以提高10~20倍以上。
诺贝尔奖与生命科学_ 放大世界的秘密_ 透射电子显微镜与超微结构观察_
射的关系，并首次演示了电子衍射。 1940年， Boersch发现了菲涅耳衍射条纹（正
焦，欠焦过焦有不同的衬度），并给出了正确 的解释。
体感强，可用来观察生物样品 的各种表面微形态特征。
常规电镜制样技术
负染色技术 冰冻蚀刻技术 超薄切片技术 电镜三维重构技术
负染技术
用重金属盐(如磷钨酸)对铺展在载网上的样品染色；吸去染料， 干燥后，样品凹陷处铺了一层重金属盐，而凸的出地方没有 染料沉积，从而出现负染效果，分辨力可达1.5nm左右。
A Yeast Cell 酵母细胞
Figure 3-26. Freeze-fracture electron micrograph of the thylakoid membranes from the chloroplast of a plant cell. These membranes, which carry out photosynthesis, are stacked up in multiple layers. The largest particles seen in the membrane are the complete photosystem II-a complex of multiple proteins.
冰冻蚀刻 freeze-etching
亦称冰冻断裂。标本置于干冰或液氮中冰冻。然后断开，升温 后，冰升华，暴露出了断面结构。向断裂面上喷涂一层蒸汽碳和 铂，然后将组织溶掉，把碳和铂的膜剥下来，此膜即为复膜。
Figure 3-27. Freeze-etch electron microscopy.The specimen is rapidly frozen, and the block of ice is fractured with a knife (A). The ice level is then lowered by sublimation in a vacuum, exposing structures in the cell that were near the fracture plane (B). Following these steps, a replica of the still frozen surface is prepared, and this is examined in a transmission electron microscope.
突破衍射极限——探索纳米世界的超分辨显微技术
突破衍射极限——探索纳米世界的超分辨显微技术作者：李德增陈波来源：《化学教学》2015年第01期摘要：介绍了2014年诺贝尔化学奖，并以此为背景围绕着如何突破衍射极限提高分辨率这一核心问题，通过衍射极限产生的原因、突破的途径及新型显微技术发展的历程及特点等几个方面展开阐述，以期更好地认识新型光学显微技术在探索纳米世界时的作用和意义。
关键词：诺贝尔化学奖；衍射极限；瑞利判据；超分辨率；荧光显微技术文章编号：1005–6629（2015）1–0012–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B1 引言2014年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（Eric Betzig）、威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔（William E. Moerner）和德国科学家斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）三人获奖，以表彰他们在超分辨率荧光显微技术领域取得的成就。
长期以来，光学显微镜的分辨率被认为是有极限的，它不可能超过二分之一个光波长度，对于可见光波长而言，约200纳米。
1873年德国物理学家阿贝（E. Abbe）指出衍射极限是传统光学显微镜存在最大分辨率的物理限制。
然而，在荧光分子的帮助下，今年诺贝尔奖化学奖的几位获得者巧妙地绕开了这种限制，并突破了这一极限。
他们划时代的贡献将传统光学显微镜技术带进了纳米领域，使光学显微镜步入了纳米时代。
根据纳米荧光显微技术，科学家实现了活体细胞中单个分子通路的可视化。
他们能够观察到分子是如何在大脑神经细胞之间生成神经突触；还可以追踪帕金森病、阿尔兹海默症和亨廷顿症患者体内相关蛋白的累积情况等等。
然而科学家在最小分子水平上对活体细胞细节进行研究时，却受到了限制。
由于今年三位诺奖得主的贡献，我们可以利用突破衍射极限的光学显微镜对纳米世界一探究竟。
这次获奖的是两项独立的技术。
第一项是Stefan Hell于2000年研制的受激发射损耗（STED）显微技术。
从历年诺贝尔奖看生物学科（1985-2019）
从历年诺贝尔奖看⽣物学科（1985-2019）诺贝尔奖是我们中国⼈的梦想。
中国已获得两个诺贝尔奖，第⼀个是2012莫⾔的诺贝尔⽂学奖，第⼆个是2015屠呦呦的诺贝尔⽣理或医学奖。
今天，带⼤家⼀起了解⼀下⽣物领域诺贝尔奖的获奖情况。
⽣命科学的研究领域⾮常⼴泛，有⽣理学、遗传学、⽣物化学、细胞⽣物学、分⼦⽣物学等等。
让我们⼀起来了解诺贝尔奖获得者的⼯作，从⽽更好地理解这个学科。
细胞⽣物学有 1/3 以上的获奖项⽬与细胞⽣物学研究有关，所以你懂的。
那么细胞⽣物学主要研究哪些内容呢？概括地说，细胞⽣物学是研究细胞内部结构和功能的学科。
这个有点抽象，直⽩点说，⾸先要发现各种结构和功能各异的蛋⽩质、DNA、RNA、糖类、脂类化合物等。
然后研究这些⽣命分⼦在细胞内外是如何组织起来和相互作⽤的。
这些分⼦位于哪些区域，是线粒体，还是核糖体、溶酶体，哪些分⼦和哪些分⼦结合或靠近等等。
可能你会说都知道了⼜有卵⽤。
那还真是挺有⽤的，⽐如新药研发。
药物都必须作⽤于细胞活动的特定环节，假如这个药物结构特别，没法进⼊，那就必须和细胞表⾯的特定受体结合，⽐如 G 蛋⽩偶联受体，从⽽发挥药效。
●诺奖获奖项⽬1985 年：在胆固醇代谢的调控⽅⾯的发现。
1986 年：发现⽣长因⼦。
1989 年：发现逆转录病毒致癌基因的细胞来源。
1991 年：发现细胞中单离⼦通道的功能。
1992 年：发现可逆的蛋⽩质磷酸化作⽤是⼀种⽣物调节机制。
1994 年：发现 G 蛋⽩及其在细胞中的信号转导作⽤。
1999 年：发现蛋⽩质具有内在信号以控制其在细胞内的传递和定位。
1998 年：发现在⼼⾎管系统中起信号分⼦作⽤的⼀氧化氮。
2001 年：发现细胞周期的关键调节因⼦。
2009 年：发现端粒和端粒酶如何保护染⾊体。
2012 年：发现成熟细胞可被重写成多功能细胞。
2013 年：发现细胞重要运输系统—囊泡传输系统的奥秘。
2016 年：细胞⾃噬研究。
神经⽣物学神经⽣物学是当今⽣命科学领域最具活性的学科之⼀，有⼈称之为 21 世纪的明星学科。
诺贝尔奖得主科学成就解析
诺贝尔奖得主科学成就解析诺贝尔奖是全球最高学术荣誉之一，每年由瑞典皇家科学院颁发，表彰在物理学、化学、生理学或医学、文学以及经济学领域中做出突出贡献的个人或团队。
诺贝尔奖的设立旨在鼓励科学、文学和经济领域的研究与创新，因此，获得诺贝尔奖的科学家们的成就无疑是举世公认的杰出贡献。
一、物理学领域的科学成就解析诺贝尔物理学奖被授予在物理学领域做出创新性研究和重大发现的科学家，他们的成就对我们理解自然界以及发展科学技术起到了重要影响。
以下是几位物理学奖得主的科学成就解析：1. 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，改变了我们对时空观念的理解。
他在1915年进一步发展出广义相对论，阐明了引力与时空弯曲之间的关系。
爱因斯坦的理论对于现代宇宙学、引力波研究以及通信技术的发展有着重要意义。
2. 玛丽·居里（Marie Curie）玛丽·居里是第一位获得两次诺贝尔奖的女科学家，她研究了放射现象并发现了镭和钋元素。
她的研究功绩为核物理学的发展打下了重要基础，也为现代医学的放射治疗提供了重要依据。
3. 理查德·费曼（Richard Feynman）理查德·费曼在量子电动力学领域做出了重要贡献。
他提出了费曼图的概念，解释了粒子与辐射之间的相互作用，为现代粒子物理学的发展做出了重要贡献。
二、化学领域的科学成就解析诺贝尔化学奖的获得者通常因对化学领域做出的重要发现、发明新的实验方法或者理论基础的创新有着杰出贡献。
以下是一些化学领域的科学成就解析：1. 斯特凡·温伯格（Stefan W. Hell）斯特凡·温伯格在超分辨显微镜的研究中取得突破性进展。
他与同僚共同发展了一种名为荧光衰减显微镜的技术，使得显微镜的分辨率大幅提高，为细胞和分子水平上的研究提供了新的可能。
2. 亚伦·克列奥瑟（Aaron Ciechanover）亚伦·克列奥瑟等人在细胞内的蛋白质降解机制研究中做出了重要贡献。
光学显微镜如何达成纳米级
详解诺贝尔化学奖：光学显微成像如何到达纳米级2014-10-092014年度诺贝尔化学奖授予两名美国科学家以及一名德国科学家，以表彰他们在“超高分辨率荧光显微技术方面的贡献”。
来自美国霍华德·休斯医学研究所的埃里克·本茨格(Eric Betzig)，德国马克斯普朗克生物物理化学研究所的史蒂芬·赫尔(Stefan W. Hell)以及美国斯坦福大学的威廉·默尔纳(William E. Moerner)共同分享了今年的化学奖。
光学显微成像技术向纳米尺度的迈进血红细胞，细菌，酵母菌以及游动的精子。
当17世纪的科学家们第一次在光学显微镜下看到这些活生生的生物现象时，一个崭新的世界在他们的眼前打开了。
这就是光学显微成像技术的诞生。
自那以后，光学显微镜已经成为生物学研究领域最重要的工具之一。
其他显微成像技术，如电子显微镜，都需要进行样品的制备，而这样的制备过程会杀死细胞。
(图1)在19世纪末，恩斯特•阿贝（Ernst Abbe）对光学显微镜的分辨率限制做出了界定，认为大约是光波长的一半，即约为0.2微米。
这意味着科学家们可以辨别完整细胞，以及其中一些被称为细胞器的组成部分。
然而，他们却无法分辨一个正常大小的病毒或者单个蛋白质。
(图2)在常规光学显微镜中，可以区分线粒体的轮廓，但其分辨率却无法超越0.2微米。
(图3)第一张由斯特凡•W•黑尔（Stefan W. Hell）使用STED显微镜拍摄而成的图像。
左边为使用传统显微镜拍摄的大肠杆菌，右边是使用STED显微镜拍摄的同样的大肠杆菌。
STED图像的分辨率是前者的3倍(图4)单分子显微镜原理(图5)中间图像为溶酶体膜（lysosome membranes），是埃里克•白兹格（Eric Betzig）首次使用单分子显微镜拍摄的图片之一。
从中选取0.2微米的阿贝衍射极限大小显示在右边。
左边为用传统显微镜拍摄的图片，可以看出图片分辨率提高了很多倍。
超高分辨率荧光显微镜
研究重点在于分子间如何相互作用、组装形成 复合物。
1.通过观察蛋白质之间的组合关系来了解它们 的作用，并能为后续的细胞功能试验打下基础 2.SR成像有助于人们更好地了解分子间的差异 3.SR成像技术还能用于在单分子水平研究蛋白 动态组装过程
图3-1 蛋白质组装示意图
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应用前景
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基于点扩散函数调制的超分辨技术
环状光的孔径理论上可以通过增加激光强度无限缩小 获得一个小于衍射极限的荧光激发点
更改了阿贝的衍射极限公式:
d
2nsin 11/ l
可见，随着 I 的增加，STED 技术的分辨 率可以无穷小
16
基于点扩散函数调制的超分辨技术贡献
2000 年，用一束激光激发荧 光分子发光，再用另一束环状 激光消除激发光周边的荧光， 通过二维点扫描实现了超高分 辨率成像，将光学显微镜分辨 率提高了近 10 倍实现了 1994 年提出的想法
在生物领域的应用一直没有发展
后期努力均在远场条件下发展
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超高分辨率显微成像
几种超高分辨显微成像技术原 理示意及成像结果
超高分辨率显微成像——一般指在远场条件下基
于荧光的、“突破”衍射极限的光学显微成像技
术
荧光——物质吸收光照后发出的一类光
成为
低背景：利用了荧光发射光波长比吸收光波长较 生物
长这一重要原理，通过光路设计，分开激发光和 学研
荧 发射光，大幅降低了成像的背景
究中
光 高灵敏度：结合灵敏的检测器件，在优化条件下， 最常
显 微 镜
荧光显微镜还可以检测单个荧光分子发出的极其 微弱的荧光，成为单分子成像的最佳选择，其发 展也奠定了这次诺贝尔化学奖的半壁江山
超分辨率荧光显微技术——2014年诺贝尔化学奖简介
（ 舐 ， ＆ ） ； △ 学发展的进程激发人们对更小物质 的研究渴 望 。因此科学 家们一直致力于超分辨率显微镜 的研
显 微技 术 的 应 用前 景 。
关键词 ： 诺 贝 尔化 学 奖 ； 超 分 辨 率 荧光 显 微 镜 ； 受激 发 射 损 耗 显 微镜 ： 光 激 活 定 位 显 微 镜
文章编 号 ： １ ０ ０ ８ － ０ ５ ４ ６ （ ２ ０ １ ４ ） １ １ － ０ ０ ０ ２ — ０ ３
４ ５ ０ ｎ ｍ， 则分辨率最小约为 ２ ０ ０ ｎ ｍ。 即阿贝分辨率极限 的数值 约 为 ２ ０ ０ ｎ ｍ。
１ ８ ９ ６ 年， 英 国物 理 学家瑞 利 （ Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ ） 提出， 在 成
射损耗 （ Ｓ Ｔ Ｅ Ｄ ） ， 指 的是用 一束 激发光使荧光物质发 光 的同时 ． 用另外 的高能量脉冲激光器发射一束环型 的波长较长的激光 。 将第一束光斑中大部分 的荧光物 质通过受激发射损耗过程淬灭至基态 ， 并通过 限制受
化 学教 与学 ２ ０ １ ４年 第 １ １ 期
于靠近 ， 其像斑重叠在一起 ． 就可能分辨不 出是两个
物 点 的像 ， 即光 学 系统 中存 在 着 一 个 分 辨 极 限 ， 这 个 分 辨极 限 通 常采 用瑞 利 提 出的判 据 ： 当一个 爱 里斑 的
～
， ） 一
这从另一个角度印证了“ 阿贝衍射极 限” 理论 。 因 此， 人们 认 为光 学显 微 镜 的成像 效 果 受 到光 的波 长 限
制， 最大 分 辨率 为光 波 的 １ ／ ２ 。
诺贝尔化学奖深度解析：打破光学显微极限
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
科 技信 息
・
Ⅲ ・
往 往 能在 多方 面得 到应 用 ， 获得很 多数 据 。
教授、 美 国科 学院院士谢 晓 亮有过 一段 “ 缘分 ” 。
“ 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
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 。
足， 支持不够。
偏 向于技 术
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
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 Ｌ Ｅ Ｄ， 到化 学奖 的超 分 辨 率 荧光
2008年 诺贝尔化学奖
2008年诺贝尔化学奖2008年诺贝尔化学奖是由瑞典皇家科学院授予了三位科学家罗格·W·卡尔斯特伦、马丁·查菲和罗杰·克尼斯，以表彰他们在发展和应用了超分辨率荧光显微镜的突破性工作。
他们的工作使得科学家们能够以前所未有的清晰度和分辨率观察到微观世界，为生命科学和医学研究提供了重要的工具。
超分辨率荧光显微镜是一种能够克服传统光学显微镜分辨率限制的新型显微镜。
传统的显微镜受到光的衍射限制，无法观察到比光的波长更小的物体。
然而，生物体内许多重要的分子和结构尺寸远小于光的波长，因此无法被传统显微镜观察到。
这一局限性给生命科学和医学研究带来了极大的挑战。
卡尔斯特伦、查菲和克尼斯的突破性工作解决了这一难题。
他们通过不同的方法，突破了传统光学显微镜的分辨率极限，使得研究人员能够以前所未有的精度观察到细胞内的微观结构和分子。
卡尔斯特伦和查菲发展了一种称为STED（受激发射退火）显微镜的技术，通过在激光束中引入特殊的光学透镜，能够抑制光的衍射效应，从而提高显微镜的分辨率。
而克尼斯则发展了一种称为PALM（单分子定位显微镜）的技术，通过标记待观察的分子，并利用光的开关效应，逐个激活和照亮这些分子，最后将它们的图像合并以获得高分辨率的图像。
这些突破性的技术为生命科学和医学研究带来了巨大的影响。
研究人员可以更加准确地观察细胞内的分子动态过程，研究细胞的生理功能和疾病发生的机制。
通过超分辨率荧光显微镜，科学家们可以看到细胞核内的染色体结构，观察到蛋白质在细胞内的分布和运动，甚至可以研究单个分子的行为。
这些研究成果为疾病的诊断和治疗提供了新的思路和方法。
超分辨率荧光显微镜的发展也引起了许多技术的进一步发展。
科学家们不断改进显微镜的分辨率和灵敏度，开发出了更多种类的显微镜技术。
例如，融合了光学显微镜和电子显微镜的光电子显微镜、利用声波来观察样品的声子显微镜等等。
这些新技术的出现使得科学家们能够更加全面地认识和理解微观世界，推动了生命科学和医学研究的进步。
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2014诺贝尔化学奖“催熟”中国超分辨率光学显微镜市场
尽管传统的激光扫描共聚焦显微镜依然是当前细胞生物医学成像领域的主力仪器，但得益于2014年诺贝尔化学奖的结果，中国相关领域的越来越多的研究人员已开始把目光投向了更加先进的超高分辨率光学显微镜。
1873年，德国科学家阿贝（Abbe）根据衍射理论首次推导出衍射分辨极限，即能够被光学分辨的两点间的距离总是大于波长的一半。
换句话说，传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限：它不可能突破0.2微米，这也被称之为阿贝魔咒。
而艾力克-贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡-W-赫尔（Stefan W. Hell）和W-E-莫尔纳尔（W. E. Moerner）于2014年被授予诺贝尔化学奖，正是因为突破了这个极限。
由于他们的成就，光学显微镜现在可以进入纳米世界了。
相较于另一种大家熟悉的超高分辨率成像技术电子显微镜，超分辨率光学显微镜有其独特的优势，譬如通过它可以对单个活体细胞内部的结构和生理活动进行观察，而电子显微镜是无法做到这一点的。
这三位科学家可能没有想到的是，他们的获奖也极大促进了中国超分辨率显微镜市场的发展。
通过日前在中国科学技术大学生命科学学院召开的第八届中国生命科学公共平台管理与发展研讨会显微成像技术论坛，笔者近距离接触了许多来自中国顶级科研机构的生命科学实验平台显微成像部门的一线管理及技术人员，也近距离感知了超分辨率显微技术的热度。
尽管传统的激光扫描共聚焦显微镜依然是当前细胞生物医学成像领域的主力仪器，但得益于2014年诺贝尔化学奖的结果，中国相关领域的越来越多的研究人员已开。
突破极限，见所未见——2014年诺贝尔化学奖侧记
突破极限，见所未见——2014年诺贝尔化学奖侧记作者：暂无来源：《创新科技》 2014年第11期译/ 石毅2014 年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克·贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）和W·E·莫纳（W. E. Moerner），以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。
他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。
这三位获奖科学家都是业内知名人士，很有知名度。
贝齐格是美国应用物理学家和发明家，目前在美国霍华德·休斯医学研究所珍利亚农场研究园区工作；赫尔是罗马尼亚出生的德国物理学家，现在担任德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所所长；莫纳则是美国单分子光谱和荧光光谱领域的著名专家，从1998 年至今一直在斯坦福大学担任教授。
光学显微镜及其分辨率限制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说起。
随着黑暗的中世纪结束，欧洲进入文艺复兴时期。
在文化艺术得到极大发展的同时，现代自然科学也慢慢发展起来：第一台光学显微镜正是在文艺复兴时期问世。
是谁制造了第一台光学显微镜已不完全可考（一说是两个荷兰的眼镜制造商于16 世纪晚期发明），但这不重要。
重要的是，从此以后科学家们可以用光学显微镜来瞧瞧这个瞅瞅那个了，观察的对象当然也包括各种生命有机体。
在那个时代，随便看看树叶小草也是个重量级的大发现：著名的罗伯特·胡克（Robert Hooke）先生就是在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。
现代生物学及微生物学皆因光学显微镜而诞生，光学显微镜也成为生命科学中必不可少的工具。
随着人们观测的东西越来越小，人们不禁疑问，光学显微镜到底能看多小？“能看多小”换成比较科学的说法就是“分辨率有多高”。
超高分辨率显微镜推进纳米生物学研究说明书
第26卷 第12期2014年12月V ol. 26, No. 12Dec., 2014生命科学Chinese Bulletin of Life Sciences文章编号：1004-0374(2014)12-1255-11DOI: 10.13376/j.cbls/2014181收稿日期：2014-12-01*通信作者：E-mail:**************.cn超高分辨率显微镜推进纳米生物学研究任煜轩*，于 洋，王 艳(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所国家蛋白质科学中心·上海(筹)，上海 201210)摘 要：超高分辨率显微镜是近年来生命科学领域重要的研究手段之一。
2014年诺贝尔化学奖颁发给超高分辨率显微技术领域的三位科学家，以表彰他们在该领域所作出的杰出贡献。
超高分辨率技术的典型代表有受激损耗、结构光照明以及单分子定位等。
这些技术的出现使得传统光学显微镜难以分辨的细胞器、分子等细节信息可以被观察到，帮助科学家从纳米尺度认识细胞内分子结构、定位以及相互作用。
关键词：超高分辨率；受激损耗；结构光照明；光敏定位；随机光学重构中图分类号：Q-336 文献标志码：A Super-resolution microscopy in NanobiologyREN Yu-Xuan*, YU Yang, WANG Yan(National Center for Protein Sciences Shanghai, Institute of Biochemistry and Cell Biology,Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201210, China )Abstract: Super-resolution microscopy is one of the advanced means for the study of life sciences. The 2014 Nobel prize in Chemistry was awarded to three scientists for their contributions to the super-resolution microscopy. Representative techniques achieving super-resolution are stimulated-emission, structured-illumination, and single-molecule localization. The advancement of these techniques enable the visualization of the detail in cell organelle, macromolecules, and the localization of molecules. Such kind of information was unresolvable under traditional optical microscopes and will help understand the structure, location, interaction of molecules within cells in nanometer scale.Key words: super-resolution; stimulated emission depletion; structured illumination; photo-activation localization; stochastic optical reconstruction生命科学处处充满着神奇。
光学成像在生命科学中的应用,从2014年诺贝尔奖纳米显微镜技术谈起
400年前，显微镜发明
第一次打开了人类认识微观世界的大门 开启了人类生命与生活的重要内容
Robert Hooke
1665
软木的木栓组织 上的微小气孔
• 1665 年，Robert Hooke(胡克)：「细胞」名词便是由虎克利用 显微镜观察软木的木栓组织上的微小气孔而得来的。 • 1674 年， Leeuwenhoek( 列文虎克 ) ：发现 了原生动物，并随后首次发现「细菌」。
三、突破衍射极限成像
阿贝衍射极限
德国科学家阿贝，1873
能看多小？
阿贝衍射极限
显微镜可分辨的最小线度为： L =0.61λ/N.A. N.A.为镜头的数值孔径。 可见光：380～780nm 普通显微镜的分辨率一般为 200nm以上。
斯特凡⋅赫尔的受激发射损耗 (STED)
STED 扫描成像过程
• 1930年，Lebedeff(莱比戴卫)：搭建第 一架干涉显微镜，同时Zernike(卓尼克) 在1932年发明出相位差显微镜，适用于 观察活细胞和未染色标本。
• 1952 年， Nomarski( 诺马斯基 ) ： 发明微分干涉相位差光学系统。 适用于观察活细胞的种种细节。
• 1988 年 ， Confocal 扫 描 显 微 镜被广为使用。既可以用于 观察细胞形态，也可以用于 进行细胞内生化成分的定量 分析、和实现长时间活细胞 动态观察。 • 1990年，发展了非线性光学多 光子显微成像技术。适用于生 物细胞、活组织的长时间动态 三维成像。
射频波段 核磁共振谱学及成像 —— 波谱学技术的代表之一
Isidor Isaac Rabi
Felix Bloch
Edward Mills Purcell
气态原子磁共振 1944年诺贝尔物理学奖
21世纪以来与生命科学相关的诺贝尔化学奖
真核转录的分子基础
2005 Yves Chauvin, Richard R.Schrock, Robert H.Grubbs
烯烃复分解反应研究（广泛用 于生产药品和先进塑料等）
2004 Aaron Ciechanover, Avram Hershko, Irwin Rose
泛素调节的蛋白质降解
2003 Peter Agre, Roderick MacKinnon
2015 Tomas Lindahl, Paul Modrich, Aziz Sancar
DNA 修复的机制研究
2014 Eric Betzig, Stefan W. Hell, William E. Moerner
超高分辨率荧光显微技术
2012 Robert J. Lefkowitz, Brian K. Kobilka
细胞膜通道揭秘
2002 John B. Fenn,Koichi Tanaka,Kurt Wǖthrich
生物大分子的识别和结构分析
手性催化氢化和手性催化氧化 2001 William S. Knowles, Ryoji Noyori ,K. Barry Sharple贝尔化学奖
年度
获奖者
成果主题
2018 Frances H. Arnold,George P. Smith,Gregory P. Winter 多肽和抗体的噬菌体呈现技术
2017 Jacques Dubochet,Joachim Frank,Richard Henderson 生物分子高分辨率结构测定
G 蛋白偶联受体研究
Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz,
2009
核糖体结构和功能的研究
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荧 光 显 微 镜 的 结 构
普通荧光显微镜的不足
使用荧光物质标记细胞中的特定成分或结构，不仅 图像与对比度增强，而且由于许多荧光显微镜的光源 使用短波长的紫外光，一定程度上提高了分辩率 （δ=0.61 λ/ NA ）。但当所观察的荧光标本稍厚时，普 通荧光显微镜不仅接收焦平面的荧光，而且还接收来 自焦平面上方或下方的散射荧光，使观察到的图像反 差和分辨率大大降低。
检测针孔 二色分光镜 物镜
激光器 照明针孔
样品
PMT或CCD
检测针孔 二色分光镜 物镜
激光器 照明针孔
焦平面
PMT或CCD
检测针孔 二色分光镜 物镜
激光器 照明针孔
非焦平面
荧光显微镜的不足与共聚焦显微镜的优势
检测针孔 二色分光镜
PMT或CCD
AOTF
561 488 405
焦平面
Zeiss 5 LIVE激光共聚焦活细胞成像系统，被称 为世界上最快的显微镜，扫描速度最快可达120 幅/秒（512x512 像素）。
3D STED Nanoscopy beyond 160 µm depth
165 µm 175 µm
Cleared Rat Kidney, Nephrin-Atto594 Color Coded Projection, deconvolved Courtesy: David Unnersjö Jess, SciLifeLab, KTH, Solna
CCD
二色分光镜
激发滤镜
67
物镜
汞灯
样品
CCD
二色分光镜
激发滤镜
物镜
汞灯
样品焦平面
CCD
二色分光镜
激发滤镜
物镜
汞灯
非样品焦平面
激光扫描共聚焦显微镜
激光的特点
高度单色性 发散小 亮度高
逐点照明
共轭聚焦技术
PMT或CCD
检测针孔 二色分光镜 物镜
激光器 照明针孔
样品
PMT或CCD
▪ 转盘式共聚焦显微镜，活细胞观察的又一有力 工具。
超高分辨率共聚焦显微镜
为什么需要超高分辨率
衍射极限
GFP
titin
influenza virus mitochondria
bacterium
2
cell
衍射极限理论
STED工作原理
STED:StimulatedEmissionDepletion, 受激发射损耗
纯光学方法实现超高分辨率成像，所见即所得
激发光 STED激光
通过受激发射大幅缩小荧光的有效激发ctinin - Isolated myofibrils from rats Doublet (distance ~170 nm) resolved withSTED Dr. Elisabeth Ehler, KingsCollege London, England
Please enterthe titel here
GatedSTED
Excitation
Detection STED DNAOrigami
76nmdistance
STED laser not used at full power
Time (ns)
HelaCell MitoTrackerOrange
STED deconvolution
acentriole stained with primaryand secondaryantibody conjugated to Chromeo488 Courtesy: Dr. GrazvydasLukinavicius,EPFL, Lausanne,Switzerland