瑞典皇家科學(xué)院宣布,，將2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國(guó)科學(xué)家斯特凡·黑爾,，以表彰他們?yōu)榘l(fā)展超高分辨率熒光顯微鏡做出的貢獻(xiàn),。

圖1

長(zhǎng)期以來(lái),，光學(xué)顯微鏡的分辨率都被認(rèn)為是有極限的，即不可能超過(guò)光波波長(zhǎng)的一半,，這被稱(chēng)為“阿貝極限”,。然而，獲獎(jiǎng)的3位科學(xué)家打破了這一極限,，使光學(xué)顯微鏡步入了納米時(shí)代,。


為什么說(shuō)光學(xué)顯微鏡是有極限的?

　　顯微鏡的發(fā)明打開(kāi)了通往微觀世界的大門(mén)。顯微鏡的最早起源可追溯至1590年的荷蘭,，當(dāng)一位眼鏡商人的兒子在玩弄鏡片時(shí),，偶然發(fā)現(xiàn)兩塊透鏡在一定距離觀察物體時(shí)，物像顯得格外大,。把兩塊透鏡固定在直徑不同的圓筒上,，并使小圓筒能在大圓筒內(nèi)自由滑動(dòng)，這便成了今天顯微鏡的原始雛形,。

1665年,，英國(guó)人羅伯特·胡克用他制作的顯微鏡觀察樹(shù)皮切片， 看到一些密集排列的小孔,， 他稱(chēng)之為“cell”,，現(xiàn)在我們沿用了這個(gè)名稱(chēng)，中文翻譯為“細(xì)胞”,。作為細(xì)胞的命名人，胡克當(dāng)時(shí)所看到的其實(shí)并不是真正意義上的細(xì)胞,。與胡克同時(shí)代的荷蘭人列文虎克憑借他精心磨制的鏡片制成了更精密的顯微鏡,，第一次發(fā)現(xiàn)了血液里的細(xì)胞以及土壤中各種各樣的微生物。

　　前面提到的顯微鏡是光學(xué)顯微鏡,，也就是利用可見(jiàn)光,，將微小物體形成放大影像的光學(xué)儀器。經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn),，光學(xué)顯微鏡已經(jīng)可以達(dá)到放大1600倍的效果了,，這意味著科學(xué)家們可以辨別完整細(xì)胞，以及其中比較大的細(xì)胞器（如葉綠體,、線粒體） 的輪廓結(jié)構(gòu),，但卻無(wú)法分辨一個(gè)正常大小的病毒或者單個(gè)蛋白分子。那么,，光學(xué)顯微鏡的放大效果有沒(méi)有可能繼續(xù)甚至是無(wú)限提高呢,？

　　很遺憾，答案是否定的,。光學(xué)顯微鏡的分辨率是有一個(gè)極限的,，也就是說(shuō),，用光學(xué)顯微鏡永遠(yuǎn)無(wú)法看到小于光波長(zhǎng)一半的物體。這個(gè)極限被稱(chēng)為“阿貝極限”,，它是德國(guó)物理學(xué)家,、光學(xué)家恩斯特·阿貝于19世紀(jì)70年代提出來(lái)的。阿貝發(fā)現(xiàn),，可見(jiàn)光由于其波動(dòng)特性,，會(huì)發(fā)生衍射，因而光束不能聚焦到無(wú)限小,?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)范圍為400納米～780納米，以可見(jiàn)光中波長(zhǎng)最短的藍(lán)紫光來(lái)說(shuō),，其波長(zhǎng)在400納米左右,，因此，如果兩點(diǎn)之間的距離小于200納米,，我們將無(wú)法分辨出這兩個(gè)點(diǎn)（如圖1）,。

　　一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，200納米的“阿貝極限”一直被認(rèn)為是光學(xué)顯微鏡理論上的分辨率極限,，小于這個(gè)尺寸的物體必須借助電子顯微鏡才能觀察,。

　　電子顯微鏡是20世紀(jì)二三十年代發(fā)展起來(lái)的成像技術(shù)，它利用高能短波長(zhǎng)電子束代替可見(jiàn)光作為光源,，通過(guò)電子束與物體衍射作用工作,，放大倍數(shù)可高達(dá)數(shù)十萬(wàn)倍。

既然有了分辨率極高的電子顯微鏡,，科學(xué)家是不是就沒(méi)有必要再糾結(jié)于光學(xué)顯微鏡的分辨率極限了呢,？并不是這樣的。因?yàn)殡娮语@微鏡需要在真空條件下工作,，還要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的標(biāo)本處理過(guò)程,，所以很難觀察活的樣本，而且電子束的照射也會(huì)使生物樣品受到輻照損傷,。對(duì)于生物學(xué)家而言,，還有什么比讓細(xì)胞活生生地出現(xiàn)在眼前更令人激動(dòng)的呢？

圖2

突破“阿貝極限”的兩種方案

　　熒光顯微鏡也是一種光學(xué)顯微鏡,，故同樣跳不出“阿貝極限”,，只不過(guò)利用熒光分子為細(xì)小的物體“標(biāo)記”，科學(xué)家可以更有針對(duì)性地觀察和追蹤他們感興趣的內(nèi)容,。在突破“阿貝極限”的方案中,，有兩種各自獨(dú)立發(fā)展出來(lái)的技術(shù)方法。

　　如圖1所示，光源一次把處于這個(gè)半徑里面的粒子照亮,，看起來(lái)模糊一片,，根本無(wú)法分辨每一個(gè)粒子。斯特凡·黑爾想到一個(gè)絕妙的點(diǎn)子：既然一次都亮起來(lái)看不清,，那我就分兩步,。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用兩束激光,，一束激光激發(fā)熒光分子發(fā)光（圖2左）,，這個(gè)光斑已達(dá)分辨率的極限，不能再小了,；另一束激光則比較特殊（圖2中）,，就把它想象成一個(gè)“面包圈”吧！當(dāng)兩束光聚焦到同一個(gè)點(diǎn)上,，第二束光就把第一束光給滅了,，只有中間那個(gè)點(diǎn)沒(méi)有滅掉（圖2右），這更小的點(diǎn)便突破了分辨率的極限,。這就是斯特凡·黑爾開(kāi)發(fā)出的STED顯微鏡的原理,，STED全名是Stimulated Emission Depletion，意為受激發(fā)射損耗,。斯特凡·黑爾正是利用這個(gè)原理,，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，將STED顯微鏡的光斑尺寸變得非常小,，然后用它一小點(diǎn)一小點(diǎn)地去掃描整個(gè)觀察區(qū)域,，就得到了分辨率高于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的圖像。

　　貝齊格和莫納則通過(guò)各自的獨(dú)立研究,，為另一種顯微鏡技術(shù)——單分子熒光顯微成像技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),。與STED不同，這種方法不是在顯微鏡的光斑尺寸上做文章,，也不必先“點(diǎn)亮”再“熄滅”，而通過(guò)類(lèi)似圖像疊加的原理,，巧妙地?cái)[脫了“阿貝極限”的束縛,。如圖3示意，不是相鄰兩點(diǎn)之間的距離小于200納米就無(wú)法分辨嗎,？那么,，我們就依靠“開(kāi)關(guān)”單個(gè)熒光分子，分別讓不相鄰且間距大于200納米的兩點(diǎn)發(fā)光,，這樣不就可以把它們區(qū)分開(kāi)來(lái)嗎,？然后，再把每一次得到的圖像疊加，用一定的數(shù)學(xué)方法加以處理,，同樣能得到分辨率高于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的圖像,。

圖3

光學(xué)顯微鏡步入納米時(shí)代

　　雖然這些新的光學(xué)顯微技術(shù)可以使我們看到更小的物體，但并不意味著“阿貝極限”被推翻了,，科學(xué)家們只是另辟蹊徑地繞過(guò)了這個(gè)障礙,。一旦掙脫了極限的束縛，光學(xué)顯微成像技術(shù)便向納米尺度大幅邁進(jìn),，并將為疾病研究和藥物研發(fā)帶來(lái)革命性變化,。

　　以STED技術(shù)為例，它在理論上已經(jīng)可以達(dá)到40納米～50納米的分辨率,。從此以后,，科學(xué)家們就能在顯微鏡下“實(shí)時(shí)”觀察活體生物細(xì)胞內(nèi)單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)情況了。他們可以觀測(cè)分子如何在腦神經(jīng)細(xì)胞之間建立突觸,，可以研究與帕金森氏癥,、阿爾茨海默氏癥和亨廷頓氏癥有關(guān)的蛋白質(zhì)變化情況，還可以追蹤胚胎內(nèi)部細(xì)胞的分裂過(guò)程,。這也正是3位獲獎(jiǎng)?wù)咭约捌渌S多科學(xué)家們目前所從事的工作,。



3位獲獎(jiǎng)?wù)叩暮?jiǎn)介如下：

　　斯特凡·黑爾：1962年生于羅馬尼亞，目前任職于德國(guó)馬克斯·普朗克生物物理化學(xué)研究所和德國(guó)癌癥研究所,。

　　埃里克·貝齊格：1960年生于美國(guó),，目前任職于美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所。

　　威廉·莫納：1953年生于美國(guó),，目前任職于美國(guó)斯坦福大學(xué),。