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
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
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
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!
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."
