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光学成像在生命科学中的应用：从 2014年诺贝尔奖纳米显微技术谈起 龚旗煌 北京大学物理系 人工微结构和介观物理国家重点实验室 报告内容 一、引言 二、显微镜发明 三、突破衍射极限成像 四、看不见光 —— 新波段应用 五、致谢 一、引言 2014年诺贝尔化学奖授 予美国科学家埃里克 ·白 兹格、威廉姆 ·莫尔纳尔 和德国科学家斯特凡 · 赫 尔，以表彰他们在超高分 辨率荧光显微技术领域的 贡献。 显微镜 —— 生命科学中光学成像的首要工具 我们怎么 “看见”？ 眼球对物体在视网膜上成像 透镜对物体在照相底片上成 像 我们能看多小？ 眼球对物体在视网膜上成像 二、显微镜发明 早在公元前一世纪， 人们就已发现通过球 形透明物体去观察微 小物体时，可以使其 放大成像。后来逐渐 对球形玻璃表面能使 物体放大成像的规律 有了认识。 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」。 • 1833年，Brown(布朗) ：在显微镜下观 察紫罗兰，随后发表了对 「细胞核」的 详细论述。 • 1857年，Kolliker (寇利克) ：发现细胞 中之 「线粒体」 。 • 1879年，Flemming (佛莱明) ：发现了动 物细胞进行有丝分裂时，其清晰可见的 染色体活动过程。 • 1888年，Cajal (卡嘉尔)为首的组织学 家发展出显微镜染色观察法，为显微解 剖学奠定了基础。 • 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。 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