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高分辨荧光显微镜的发展

罗伯特·埃里克·贝齐格(Robert Eric Betzig,1960年1月13日)是美国物理学家,与斯蒂芬·海勒(Stefan Helle)和威廉·E.共同获得2014年诺贝尔化学奖。莫纳。Eric Betzig,William Moerner和Stefan Hell提供了一种技术,使人们能够观察神经细胞内部,找到可能导致疾病的蛋白质,并追踪细胞分裂成活胚胎的过程。根据Sample(2014年)的研究,“获奖者能够看到十亿分之一米的特征,打破了光学显微镜的理论障碍”。

贝齐格在加州理工学院学习物理。1983年获得学士学位,1985年和1988年分别在康奈尔大学获得应用物理学和工程物理学硕士学位和博士学位。获得博士学位后,Betzig在贝尔实验室半导体研究部工作。1996年,他成为安娜堡机械公司的研发副总裁。他的父亲罗伯特·贝齐格拥有这家公司。从事光激活显微术的发展。自2006年以来,他一直在霍华德休斯医学院工作,在那里他领导着一个高分辨率荧光显微镜的开发小组。

埃里克·贝齐格、斯蒂芬·赫尔和威廉·莫尔纳为新一代显微镜的发明做出了贡献。它们是荧光的,可以用比以前使用的光学显微镜更高的分辨率看到物体。新一代显微镜被称为纳米显微镜。他们可以看到纳米级的物体(例如,进入细胞)。以前,人们认为这是不可能的。这篇文章涉及两个不相关的发展。在2000年,Stefan Hell使用了受激发射耗尽的方法,使用两束激光束作用于一个荧光分子。Eric Betzig和William Moerner各自独立工作,为第二种方法——单分子显微镜的发明奠定了科学基础,这种方法是基于每个单独分子的荧光发光的开启和关闭的能力。

16-17世纪之交,显微镜的出现使生物学和医学发生了革命性的变化。人们看到了细菌和细胞的世界,发现人类是多细胞生物。科学家们看到了活细胞,希望了解它内部发生了什么,为什么它会衰老和死亡。似乎有许多新发现,但在19世纪出现了阻碍进一步发展的障碍。它涉及光学显微镜分辨率的物理极限。

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根据Fernholm(2014),1873年,一位眼镜商Ernst Abbe推导出了显微镜的分辨率方程,在此基础上不可能看到小于可见光波长一半(0.2微米)的物体。科学家可以用光学显微镜看到细胞内的大物体(细胞核和线粒体)。然而,已经不可能看到原子核内部发生了什么。在20世纪,一种工程思想创造了X射线和电子显微镜,它使用比可见光小许多数量级的辐射。如果这次辐射没有杀死生物样本,一切都会好起来的。
对于活性剂,开始使用荧光显微镜的方法,即用特殊无毒物质对物体着色,这些物质能够在紫外线照射下发光。这种方法的分辨率比视觉效果好。然而,研究的质量不够。

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1990年,海德堡大学(heidelberguniversity,Stefan Hell)的一位年轻科学家痴迷于寻找克服阿贝极限的方法。然而,他的资深导师并不支持一位年轻同事的热情。于是,赫尔去了芬兰图尔库大学工作,在那里他开始学习荧光显微镜。在那里,当他在读量子光学的教科书时,他想到了扫描电子显微镜。他的想法是基于使用两个激光器,一个激光器刺激沉积在生物制品上的荧光分子的发光,另一个以特殊方式配置,可以熄灭除最高频率以外的任何光照。

埃里克·贝齐格和威廉·莫尔纳的研究方法稍有不同,不过也使用了荧光显微镜技术。他们的方法被称为单分子显微镜,这是基于连续激光照射制剂的部分,即扫描。对同一药物的个别图片进行总结,得到具有超精细分辨率的定性图像。

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Betzig痴迷于克服光学显微镜中衍射障碍的想法。90年代初,他在新泽西州贝尔实验室进行了所谓的近场显微镜实验,但没有成功。1995年,他发表了理论原理,阐述了如何通过在显微镜下操纵不同颜色的分子以及将适当的图像相互作用而绕过衍射障碍。然而,后来,Betzig放弃了近十年的学术生涯,直到21世纪才开始积极研究,那时他发现了荧光蛋白的研究,荧光蛋白的发光是可以控制的。2006年,Betzig和一组同事使用了一组分散的单个分子,它们之间的距离超过了阿贝的极限。通过结合大量的镜头,他获得了超分辨率的溶酶体膜图像。

这些发现使观察生化过程成为可能。荧光奈米显微镜可以以高分辨率探索固定和活细胞的结构,并获得三维图像,这在目前是不可能的。这可能是为了观察细胞内发生的事情:活细胞中大分子的运动,蛋白质的运动。特别是,它可以监测突触,即大脑神经元的连接,跟踪与帕金森氏症和阿尔茨海默氏症相关的蛋白质的运动,以及观察受精卵的行为。

还有一件更重要的事情:事实上,Betzig和Moerner能够在荧光显微镜方法的基础上,结合最新的技术创新,克服了阿贝的局限性。这给我们希望,其他无法解决的障碍迟早会得到解决。

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