2014年諾貝爾化學獎–突破光學顯微鏡的極限
 
2016/12/01
 
IC之音廣播電台
 
 
2014年諾貝爾化學獎頒給了三位科學家,艾瑞克・貝齊格,史蒂芬・海爾以及威廉・莫納,表彰他們的研究,讓人類發展出超高解析度的螢光顯微鏡,為生物學研究帶來重大的貢獻。請聽今天的科學三分鐘:2014年諾貝爾化學獎–突破光學顯微鏡的極限。

一般在中學上生物課的時候,一定用過光學顯微鏡來觀察生物的組織。然而,早在1873年,德國的物理學家阿貝,就發現了顯微鏡的光學極限。因為光是一種波,會產生繞射現象,當我們用光學顯微鏡,觀察尺寸小於200奈米的東西時,就會受到繞射現象的干擾,讓影像一片模糊。奈米是長度的單位,200奈米有多小呢?用頭髮來比喻,雖然每個人的頭髮粗細不同,但一般而言,200奈米大約是一根頭髮直徑的三百分之一。

這種情形,被稱為「阿貝繞射極限」。也就是說光學顯微鏡可以觀察細胞、細菌,但是無法觀察病毒,因為病毒太小了。而且,即使它能看到細胞,要追蹤細胞裡面蛋白質分子的相互作用,也無法辦到。就好像我們可以看到一幢建築物,卻無法看到裡面的人如何生活。

至於電子顯微鏡,雖然可以看到更小的東西,可惜電子顯微鏡儀器的電子波,波長短,能量高,會殺死細胞,因此無法觀察活的生物組織。怎麼辦呢?其中一個突破的方法,就是諾貝爾獎得主莫納和貝齊格所催生的「單分子顯微鏡」技術。

首先,莫納發現一種綠色螢光蛋白質分子,可以被特定波長的光給激發,然後發出螢光,但一段短暫的時間之後就會熄滅。而且除非滿足某些特殊條件,否則這種分子只要發出過一次光,就不會被再激發了。藉著莫納的技術,甚至可以測量到單一分子發出的螢光。

這項技術,為什麼能突破阿貝繞射極限呢?再舉個比方。您可能看過某些影片,一開始在畫面上只出現零星的點,完全看不懂是什麼圖案,但是隨著點愈來愈多,一張人臉就漸漸浮現出來,點愈多就愈清晰,最後形成一張清楚的圖畫。

單分子顯微鏡技術就是運用類似的原理:

第一步,利用基因科技,讓細胞裡我們想觀察的蛋白質分子,具有「被激發就會發出螢光」的性質。

第二步,貝齊格利用很弱的脈衝光,激發少數的螢光分子,讓它們發光。因為發光的分子很少,它們之間的距離,大多會超過200奈米,不會被光的繞射所干擾,因此能夠清楚地看到這些分子的位置,不會模糊。

第三步,等剛才發光的分子熄滅後,再激發另外一些螢光分子,記下它們的位置,依此類推。累積很多張圖以後,把這些圖重疊起來,就可以得到清晰的影像。用這個方法,可以看清楚小於200奈米的細胞結構了。

至於另一位得獎人海爾,他用的原理雖然不一樣,卻同樣讓光學顯微鏡突破了阿貝繞射極限,因此一同獲獎。透過這種顯微鏡,從此人類可以觀察活的細胞內部的奧祕,例如腦神經細胞如何運作等,在生物學、醫學方面的應用,無限寬廣。

今天的科學關鍵字,就是

單分子顯微鏡技術 single-molecule microscopy

您可以透過關鍵字,進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由科技部補助製播,感謝清華大學化學系教授儲三陽擔任本集單元科學顧問。】
2014-10-26 16:55:00播出
 
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