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2014年諾貝爾化學獎–突破光學顯微鏡的極限

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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

繞射(10) 顯微鏡(26)

2014年諾貝爾化學獎–突破光學顯微鏡的極限

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