[Discovery] Giải Nobel Hóa học 2014: Thời đại mới của kính hiển vi quang học đã mở ra


nobel-nanomicroscopy.

Chúng ta đã có danh sách các nhà khoa học được vinh danh trong lĩnh vực Vật lý với bóng LED xanh, giải Nobel Y học với “hệ thống GPS của não bộ” và nếu có theo dõi thông tin, các bạn đã biết giải Nobel Hóa học 2014 được trao cho nhóm các nhà khoa học tìm ra cách mở rộng giới hạn của kính hiển vi quang học. Vậy tại sao giải thưởng danh giá năm nay lại thuộc về một nghiên cứu có liên quan tới kính hiển vi quang học? Hãy cùng tìm hiểu nhé.

Kể từ khi Antonie van Leeuwenhoek phát minh ra chiếc kính hiển vi đầu tiên hồi thế kỷ 17 cho đến nay, các nhà nghiên cứu luôn tìm cách nâng cao khả năng của kính hiển vi cho phép quan sát được những vật thể ngày càng nhỏ hơn. Với mục tiêu đó, giải Nobel lĩnh vực hóa học năm nay đã được trao cho nhóm 3 nhà khoa học Eric Betzig, Stefan W. Hell và William E. Moerner nhờ phát hiện ra 2 phương pháp giúp vượt qua giới hạn vật lý của kính hiển vi quang học, cho phép quan sát được các vật thể dưới cấp độ nano. Vậy giới hạn đó là gì?

Giới hạn của Kính hiển vi quang học

Tinhte_gioi_han_do_phan_giai.

Vào năm 1873, nhà vật lý, thiên văn học người Đức Ernst Abbe (1840-1905) đã phát hiện ra giới hạn cố hữu và không thể vượt qua của kính hiển vi quang học: ánh sáng không thể nào rọi được viền xung quanh của một vật thể nếu kích thước nó quá nhỏ. Đây chính là “giới hạn độ phân giải” của kính hiển vi quang học. Giới hạn này được quy định bởi khả năng phân giải của hệ thấu kính vốn chịu sự tác động của hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Theo ước tính của Abbe, đối bước sóng của ánh sáng khả kiến, độ phân giải cực đại của kính hiển vi quang học là 0,2 micromet, tương đương với 1 nửa bước sóng. Qua hơn 1 thế kỷ, giới hạn này đã khiến các nhà nghiên cứu không thể dùng kính hiển vi quang học để quan sát trực tiếp cấu trúc ở kích thước nano, điển hình là các phân tử riêng lẻ.

Một điều cần lưu ý là giới hạn của kính hiển vi quang học vẫn còn tồn tại cho đến hiện nay và giải Nobel Hóa học năm nay không phá vỡ được giới hạn này. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã đề xuất ra được những giải pháp hết sức đáng giá. Ý tưởng ở đây là nếu ánh sáng không thể rọi xung quanh viền của các vật thể kích thước nano, vậy tại sao chúng ta không thực hiện quá trình ngược lại: bắt các đối tượng kích thước nano đó phải tự tỏa ra ánh sáng. Các bạn có thể hình dung, ý tưởng này tương tự như để tìm kiếm một vật thể nhỏ bé, thay vì dùng chiếu một luồng sáng trên vùng rộng, bạn có thể bắt vật thể đó phát sáng để nó nổi bật lên trong không gian tối đen xung quanh. Ý tưởng đáng giá này đã dẫn đến 2 phương pháp làm nên giải thưởng Nobel năm nay.

Phương pháp dành cho kính hiển vi STED
Tinhte_nguyen_ly_STED.
Phương pháp đầu tiên áp dụng cho kính hiển vi làm nghèo bức xạ (STED). Đây là một biến thể của kính hiển vi đồng tiêu (1 dạng kính hiển vi quang học tạo ảnh bằng phương pháp quét) do chính Stefan W. Hell phát minh hồi năm 2000. Từ đó đến nay, ông luôn tìm cách để khắc phục giới hạn độ phân giải vốn vẫn hiện diện trên kính hiển vi quang học.

Giải pháp của Hell đưa ra là dùng tia laser để kích thích các phân tử phát huỳnh quang nhằm vượt qua giới hạn của sự nhiễu xạ. Điểm mấu chốt ở đây là ông sử dụng cùng lúc 2 chùm tia laser, 1 tia dùng để kích thích các phân tử phát huỳnh quang, 1 tia còn lại loại bỏ huỳnh quang của tất cả các phân tử ngoại trừ phân tử muốn quan sát. Điều này cho phép quan sát phân tử cụ thể thay vì 1 đám phân tử phát huỳnh quang rối bời.

Chùm tia laser đầu tiên sẽ quét qua toàn bộ mẫu vật và làm toàn bộ các phân tử phát huỳnh quang. Sau đó, chùm laser thứ 2 sẽ tiếp theo sau. Khi đó, các phân từ kích thước lớn sẽ hấp thụ ánh sáng laser, điều này khiến chúng xả năng lượng ra và ngừng phát huỳnh quang. Còn lại, các phân tử kích thước nano do có kích thước quá nhỏ nên không bị ảnh hưởng và sẽ tiếp tục phát sát. Kết quả thu được cuối cùng là hình ảnh của phân tử kích thước nano với độ chi tiết cao.

Phương pháp kính hiển vi đơn phân tử
Tinhte_nguyen_ly_kinh_hien_vi_don_phan_tu.​Đây là thế hệ kính hiển vi được phát triển độc lập bởi Eric Betzig và William Moerner và được Betzig sử dụng lần đầu tiên vào năm 2006. Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi đơn phân tử dựa trên khả năng quan sát 1 phân tử phát huỳnh quang duy nhất và được sử dụng để tạo ra hình ảnh phân tử với độ chi tiết cực cao.
Vào năm 1989, W. E. Moerner là người đầu tiên đo lường sự hấp thụ ánh sáng của 1 phân tử duy nhất. Sau đó, vào năm 1997, Moerner cùng cộng sự của ông đã cùng nhau nghiên cứu các loại protein phát huỳnh quang xanh lá cây (GFP) tại Đại học California. Trong quá trình nghiên cứu, Moerner phát hiện ra rằng có thể dùng các bước sóng ánh sáng khác nhau để bật và tắt huỳnh quang phát ra từ các phân tử GFP. Theo đó, bằng cách chiếu ánh sáng với bước sóng 488 nano mét, các phân tử sẽ phát sáng, khi đó phân tử sẽ chết và không thể tiếp tục tỏa sáng. Nhưng nếu chiếu ánh sáng bước sóng 405 nano mét, phân tử sẽ hồi sinh và sáng lên một lần nữa.

Ý tưởng cơ bản trên đã được cả Moerner và Betzig phát triển một cách hoàn toàn độc lập nhằm tạo ra kỹ thuật quan sát hiển vi có thể bật/tắt huỳnh quang. Theo đó, mẫu vật sẽ được xử lý bằng một số phân tử phát huỳnh quang khác nhau về cấu trúc liên kết. Điều kiện đặt ra là các phân từ luôn cách nhau ít nhất là 0,2 micro mét. Mỗi phân tử sẽ được kích thích phát huỳnh quang tại những thời khắc khác nhau. Bằng cách kích hoạt các phân tử lần lượt phát huỳnh quang, hình ảnh về mẫu vật sẽ được hình thành.

Sau đó, các hình ảnh sẽ được quét một cách độc lập và kết hợp với thuật toán thống kê chuyên dụng để làm rõ nét. Khi nhiều lớp hình ảnh đã được kết hợp với nhau, kết quả thu được cuối cùng là 1 hình ảnh duy nhất hiển trị cấu trúc phức tạp của mẫu vật với độ phân giải cực cao.

Chúng ta đã chứng kiến thêm một bước tiến nữa của con người!
Nobel_hoa_hoc_2014.

Cuối cùng thì các nhà khoa học cũng đã tìm được “một con đường vòng đầy thông minh” để vượt qua được giới hạn tồn tại hàng thế kỷ nay của kính hiển vi quang học. Theo quỹ Nobel, thành công trên có thể được ứng dụng một cách rộng rãi phục vụ nhiều ngành nghiên cứu khác nhau. Điển hình như có thể quan sát được 1 phân tử duy nhất thay vì quan sát đồng loạt hàng triệu phân tử rồi lấy giá trị trung bình.

Bên cạnh đó, giờ đây con người đã có thể quan sát được các phân tử đang hiện diện bên trong tế bào thần kính. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong công tác nghiên cứu bệnh Alzheimer
hoặc Huntington. Đồng thời, nó còn cho phép tìm hiểu quá trình phát triển của các loại protein bên trong phôi. Đối với các nhà khoa học nói riêng và tất cả chúng ta nói chung, phát kiến này còn giúp một nguyên lý bất di bất dịch của khoa học ngày càng được hoàn thiện hơn: “thấy tận mắt, nghe tận tai và sờ tận tay.”

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s