โนเบลเคมี nanoscope

นับตั้งแต่มีการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ (microscope) เป็นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสร์ชาวดัชต์นามว่า Leeuwenhoek ในปี ค.ศ. 1674 ทำให้เราค้นพบว่ายังมีสิ่งมีชีวิตที่เรามองไม่เห็นอีกมากมายบนโลกเรียกว่า จุลชีพ ไม่ว่าจะเป็น แบคทีเรีย สาหร่าย ฯลฯ

หลังจากนั้นอีก 200 ปี คือใน ปีค.ศ. 1873 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันนามว่า Ernst Abbe ก็ได้พิสูจน์ว่าด้วยหลักการทางฟิสิกส์แล้ว กล้องจุลทรรศน์ไม่มีทางที่จะมองเห็นอะไรที่มีขนาดเล็กกว่าครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นแสง ซึ่งถ้าเป็นกล้องจุลทรรศน์ทั่วไปที่ใช้คลื่นแสงที่เรามองเห็น (Visible light) ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 400 นาโนเมตรหรือ 0.4 ไมโครเมตร

นั่นก็หมายถึง เราไม่มีทางเห็นหรือแยกแยะอะไรที่มีขนาดเล็กกว่า 0.2 ไมโครเมตร ถ้าเปรียบเทียบก็เสมือนว่าเราพยายามมองต้นไม้ในป่าจากเครื่องบินที่บินอยู่ท้องฟ้า ดังนั้น มันจึงเป็นข้อจำกัดที่เรามีมานานแสนนาน มิเช่นนั้น เราก็ต้องลดความยาวคลื่นแสงจากแสงที่มองเห็นเป็นแสงในช่วงคลื่นที่สั้นลง เช่น แสงในช่วงอัลตร้าไวโอเล็ต หรือ X-ray แทน

จนกระทั่งเมื่อปี ค.ศ. 2000 เป็นครั้งแรกที่มนุษย์สามารถเห็นภาพสิ่งที่เล็กกว่าข้อจำกัดนั้นด้วยกล้องจุลทรรศน์ทั่วไปด้วยวิธีการอันชาญฉลาด นั่นคือ การใช้เทคนิคฟลูออเรสเซนท์หรือการเรืองแสงมาใช้ร่วมกับกล้องจุลทรรศน์

หลักการง่ายๆ และอัจฉริยะ ซึ่งมีอยู่สองวิธีคือ การย้อมสิ่งที่ต้องการดูด้วยสารเรืองแสง (fluorescence dye) แล้วใช้แสงเลเซอร์มากระตุ้นให้เกิดการเรืองแสงในบางบริเวณและใช้แสงเลเซอร์อีกคลื่นความถี่มาทำให้แสงนั่นบริเวณรอบๆ ดับลง ทำให้เราได้ภาพที่โฟกัสในบริเวณจำกัด เมื่อเรากราดลำแสงเลเซอร์นั้นไปทั่วสิ่งนั้น เราก็จะนำภาพทั้งหมดมาซ้อนกันเกิดเป็นภาพของสิ่งที่เราต้องการมองมันอย่างละเอียดระดับนาโนเมตร เรียกวิธีนี้ว่า Stimulated Emission Depletion หรือ STED

และอีกวิธีหนึ่งคือ อาศัยการสว่างดับแต่ละช่วงเวลาของสารเรืองแสงแต่ละโมเลกุลที่ย้อมบนสิ่งที่เราจะมองแล้ว ถ่ายภาพสิ่งนั้นทั้งภาพซ้ำๆ กันเป็นภาพนิ่งแต่ละช่วงเวลา แล้วจึงนำมาซ้อนกันกลายเป็นภาพที่สมบูรณ์และมีความละเอียดเรียกวิธีนี้ว่า Single Molecule Microscopy

ทั้งสองวิธีดังกล่าวนับว่ามีประโยขน์อย่างมาต่อวงการวิทยาศาตร์และการแพทย์ ทำให้เราสามารถศึกษาการทำงานของเซลล์สิ่งมีชีวิตได้อย่างละเอียดถึงระดับภายในเซลล์เลยทีเดียว ทำให้เราเข้าใจกลไกหลายๆ อย่างของเซลล์ เช่น การเจริญเติบโตของเซลล์ประสาท หรือ การแบ่งตัวของเซลล์ รวมถึงการเกิดโรคสำคัญๆ เช่น Pakinson หรือ Alzheimer

ดังนั้น ราชสมาคมวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน หรือ Royal Swedish Academy of Sciences จึงประกาศรางวัลโนเบล สาขาเคมี ปี 2014 ให้แก่ Eric Betzig แห่งสถาบันวิจัยการแพทย์โฮเวิร์ด ฮิวจส์ สหรัฐอเมริกา และ Stefan Hell แห่งสถาบันวิจัยแม็กซ์แพลงค์เพื่อการวิจัยเคมีชีวกายภาพในเยอรมันนี และ William Moerner แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา จากผลงานการพัฒนากล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนท์กำลังแยกสูง (Super-resolved fluorescence microscope) ดังกล่าว นับเป็นคุณูปการที่ทำให้เรามี nanoscope ใช้แทน microscope ในปัจจุบัน

บทความโดย ดร.อดิสร เตือนตรานนท์

นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ

ผู้เชี่ยวชาญ สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีชั้นสูง

สำนักงานคณะกรรมการนโยบายวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยีและนวัตกรรมแห่งชาติ

adisorn.tuantranont@nectec.or.th