Нобелевская премия 2014 года по химии присуждена за флуоресцентную микроскопию сверхвысокого разрешения

Нобелевская премия 2014 года в области химии присуждена ученым Эрику Бетцигу и Уильяму Мёрнеру из США, а также Штефану Хеллу из Германии за развитие направления флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения [1].

В пресс-релизе нобелевского комитета отмечается, что «нобелевские лауреаты 2014 года сумели превзойти предел разрешения оптической микроскопии (предел Аббе) с помощью флуоресцентных молекул. Их революционная работа позволила использовать оптическую микроскопию в исследованиях наномира», фактически речь идет об оптической наноскопии, которая «ежедневно используется во всем мире для получения новых знаний, имеющих первостепенное значения для человечества».

«Наноскопия позволяет ученым визуализировать движение отдельных молекул внутри живых клеток. Можно увидеть, как молекулы создают синапсы между нервными клетками в мозге и, например, отслеживать белки, ответственные за развитие болезней Паркинсона, Альцгеймера и Хантингтона», - сообщает Нобелевский комитет.

Нобелевская премия присуждена за разработку двух направлений «наноскопии».

Первое из них - STED-микроскопия (микроскопия на основе подавления спонтанного излучения), разработанная Штефаном Хеллом в 1994 году и впервые продемонстрированная на практике в 1999. Используются два лазерных луча: один стимулирует свечение флуоресцентных молекул (как в обычном флуоресцентном микроскопе), другой подавляет свечение молекул на краях конфокального (дифракционного) пятна, оставляя активными молекулы в наноразмерной области в фокусе STED-микроскопа. При сканировании образца нанометр за нанометром, возникает изображение с разрешением, превосходящим предел Аббе.

Второе направление основано на возможности детектирования одиночных зондовых молекул. В этой области пионерские работы были проведены Уильямом Мёрнером, который в сотрудничестве с Лотаром Кадором в 1989 году осуществил первые эксперименты по регистрации спектров поглощения одиночной молекулы в твердой матрице. В 2006 году коллективом под руководством Эрика Бетцига была разработана техника микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения, основанная на возможности поочередного включения и выключения флуоресценции большого количества одиночных молекул. Ученые получают изображения одной и той же области образца много раз подряд, при этом каждый раз высвечивается некоторая часть от общего числа молекул. При обработке множества таких снимков получается изображение с нанометровым разрешением.

Следует отметить основополагающий вклад ученых ИСАН в развитие селективной спектроскопии органических молекул. В 1972 году коллектив Отдела молекулярной спектроскопии ИСАН под руководством профессора Р. И. Персонова впервые добился успеха по селективному лазерному возбуждению тонкоструктурных спектров флуоресценции. Затем, в 1974 году лаборатория Персонова и его коллеги из Института физики в Тарту провели пионерские опыты по "выжиганию спектральных провалов", когда с помощью лазера часть молекул "переводилась в безызлучательное состояние", не светилась. Эти работы легли в основу направления селективной лазерной спектроскопии молекул, кульминационным достижением которого стала спектроскопия одиночных молекул.

В настоящее время исследования по тематике спектромикроскопии одиночных молекул и разработка новых методов нанодиагностики твердых сред успешно проводятся в Отделе молекулярной спектроскопии ИСАН под руководством д.ф.-м.н. А. В. Наумова [2], [3]. Отдел располагает современным экспериментальным оборудованием, в нем ведутся экспериментальные и теоретические исследования в области спектроскопии высокого разрешения молекул, молекулярных комплексов, наноструктур и примесных конденсированных сред, селективной лазерной спектроскопии и микроскопии примесных центров (одиночных молекул, квантовых точек и других квантовых объектов) в твердых средах; разработаны и продолжают совершенствоваться методы дальнеполевой оптической нанодиагностики конденсированных сред, основанные на технике люминесцентной спектромикроскопии одиночных излучателей-зондов.

Присуждение Нобелевской премии за работы, связанные со спектроскопией и микроскопией одиночных молекул, подчеркивает исключительную важность современного этапа развития оптической наноскопии, значительный вклад в развитие которой вносят ученые нашего Института. Вместе с тем, есть все основания ожидать появления целого ряда прорывных междисциплинарных направлений в области нанооптики, нанодиагностики, наносенсорики, медицинской физики и смежных приложений.

(а) Аппаратная функция идеального точечного источника света [2]. (б) Типичный пример флуоресцентного изображения одиночной молекулы (террилен) в полимерной пленке при резонансном лазерном возбуждении в области 575 нм при температуре 4.3 K. В простейшем случае относительные поперечные координаты молекулы могут быть рассчитаны нахождением «центра тяжести» изображения (centroid approximation): x_c=22,3 мм y_c=32,3 мм. (в) Определение поперечных координат молекулы путем аппроксимации изображения двумерной функцией Гаусса: x_c = 22 мкм 240 нм ± 40 нм; y_c = 32 мкм 350 нм ± 30 нм. (Взято из [1]). (г) Иллюстрация к технике реконструкции субдифракционной структуры путем восстановления координат флуоресцирующих одиночных молекул, изображения которых наблюдаются в разные моменты времени вследствие мерцания [1].

Материалы по теме:

1. А.В. Наумов, «Одиночные молекулы и преодоление дифракционного предела в оптической микроскопии» // Троицкий вариант, № 165, c. 2 ("Нобелевская неделя", 21.10.2014).
2. А.В. Наумов, «Спектроскопия органических молекул в твёрдых матрицах при низких температурах: от эффекта Шпольского к лазерной люминесцентной спектромикроскопии всех эффективно излучающих одиночных молекул» // Успехи физических наук, т. 183, № 6, с. 633-652 (2013).
3. A.V. Naumov, I.Y. Eremchev, A.A. Gorshelev, «Laser selective spectromicroscopy of myriad single molecules: tool for far-field multicolor materials nanodiagnostics» // European Physical Journal D, сolloquium paper (in print), DOI: 10.1140/epjd/e2014-50414-x (2014).

​