幾天前，2014年的諾貝爾化學(xué)獎授予了來(lái)自美國和德國的三位科學(xué)家，頒獎的理由是他們在超高分辨率熒光顯微鏡領(lǐng)域取得了重要成就，突破了光學(xué)顯微鏡的極限。許多讀者可能還不了解這是什么樣的貢獻，對我們的生活有著(zhù)怎樣的意義？本文將對今年的諾貝爾化學(xué)獎做一些簡(jiǎn)單的解讀和介紹，希望更多讀者能夠了解這三位獲獎科學(xué)家的卓越成就。
光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為我們認識微觀(guān)世界提供了一個(gè)有力的工具，但是它并不能使我們看到無(wú)限小的物體。19世紀末，德國物理學(xué)家恩斯特·阿貝指出：光學(xué)顯微鏡分辨率的極限大約是可見(jiàn)光波長(cháng)的一半?？梢?jiàn)光中波長(cháng)最短的藍紫光，其波長(cháng)在0.4微米左右，因此如果兩個(gè)點(diǎn)之間的距離小于0.2微米，我們將無(wú)法分辨出這是兩個(gè)點(diǎn)，這就是通常所說(shuō)的阿貝極限。阿貝極限使得我們無(wú)法更加深入地了解微觀(guān)世界，例如病毒的直徑通常在0.02-0.3微米，就很難用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察清楚。
想要觀(guān)察尺寸更小的物體，通常只能用電子顯微鏡代替光學(xué)顯微鏡。電子也具有波動(dòng)性，它的波長(cháng)遠遠小于可見(jiàn)光，因此提高了分辨率。但與光學(xué)顯微鏡相比，電子顯微鏡存在著(zhù)許多局限，比如需要高真空，無(wú)法用于觀(guān)察活體生物樣品。因此，科學(xué)家們仍然寄希望于突破阿貝極限，提高光學(xué)顯微鏡的分辨率。今年獲得諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家正是通過(guò)巧妙的設計，成功使得一類(lèi)非常重要的光學(xué)顯微鏡——熒光顯微鏡的分辨率突破了0.2微米的阿貝極限。
首先，我們來(lái)簡(jiǎn)單了解一下什么是熒光顯微鏡。設想我們想要了解房間里的兩個(gè)小球的形狀和位置。這兩個(gè)小球和房間里的其它物體自身都不能發(fā)光，當沒(méi)有其他光源時(shí)，房間里一片漆黑，我們自然看不到小球。當燈打開(kāi)后，我們看到了小球，但是同時(shí)也看到了房間里的家具、電器、衣物等其它諸多物品。這些物品的存在使得我們不能很好地去觀(guān)察這兩個(gè)小球。
現在我們在這兩個(gè)小球表面涂上一些特殊的化學(xué)物質(zhì)。當房間的燈打開(kāi)時(shí)，我們會(huì )發(fā)現，這兩個(gè)小球變得能夠發(fā)出某種特定顏色的光。例如，如果房間的燈發(fā)出綠光，我們看到房間里的其它物體都只反射綠光，唯獨這兩個(gè)小球發(fā)出紅光。這種特殊的發(fā)光現象就稱(chēng)為熒光。
如果我們再戴上一副特殊的眼鏡，眼鏡的鏡片會(huì )濾掉其他顏色的光而只允許紅光通過(guò)，這個(gè)時(shí)候我們就會(huì )驚奇地發(fā)現，盡管房間的燈開(kāi)著(zhù)，但除了兩個(gè)發(fā)紅光的小球，其余都是漆黑一片。這樣我們就可以非常方便地觀(guān)察感興趣的物體了。例如，如果我們現在關(guān)心的不再是這兩個(gè)小球，而是房間里書(shū)桌的形狀，那么可以在書(shū)桌的表面涂上特殊的化學(xué)物質(zhì)，于是我們的視野中只會(huì )出現一張發(fā)紅光的桌子。
如果我們將熒光應用到顯微鏡上，普通的光學(xué)顯微鏡就變成了熒光顯微鏡。熒光顯微鏡往往比普通的光學(xué)顯微鏡威力更大，因為通過(guò)熒光我們可以隨心所欲地觀(guān)察我們感興趣的內容。
然而和普通的光學(xué)顯微鏡一樣，熒光顯微鏡也逃不出阿貝極限的“手心”。仍以剛才提到的房間里的小球為例，如果房間里有五個(gè)小球，在綠色光源的照射下都可以發(fā)出紅光，但是它們之間的距離小于0.2微米的阿貝極限，我們只能觀(guān)察到房間里有一個(gè)發(fā)紅光的五邊形。
那么，如何將相鄰的兩個(gè)小球分辨開(kāi)來(lái)呢？我們先來(lái)看看斯蒂芬·黑爾（Stefan W. Hell）發(fā)明的STED顯微鏡。
假設我們不再打開(kāi)房間里的燈，而是用一只發(fā)綠光的手電筒去照射小球的表面，而且這只手電筒的光斑的直徑比兩個(gè)小球的間距要小得多，例如只有0.05微米。那么我們用這樣的手電筒去照射其中一個(gè)小球時(shí)，這個(gè)小球自然會(huì )發(fā)出紅光，但和它相鄰的小球并不會(huì )被照射到，因此保持黑暗。這樣一來(lái)，我們就不必擔心相鄰兩個(gè)小球一起發(fā)光時(shí)無(wú)法分辨，因此可以準確地觀(guān)察到其中一個(gè)小球的形狀。接下來(lái)，我們可以用這只微型手電筒繼續照亮其它的小球，直到所有的小球都被準確地觀(guān)察到。
斯蒂芬·黑爾正是利用了這個(gè)辦法，通過(guò)巧妙的設計，將STED顯微鏡的光斑尺寸變得非常小，然后用它一點(diǎn)一點(diǎn)地去掃描整個(gè)觀(guān)察區域，這樣一來(lái)，我們就得到了分辨率高于傳統顯微鏡的圖像。
區域的方法將間距小于0.2微米的物體分辨開(kāi)來(lái)
接下來(lái)再說(shuō)說(shuō)埃里克·白茲格（Eric Betzig）和威廉·莫爾納（William E. Moerner）發(fā)明的單分子顯微鏡。假設你是一位畫(huà)家，想到一間房間里去寫(xiě)生，那么最簡(jiǎn)單的辦法自然是坐在房間里一直畫(huà)，直到把房間里的每一個(gè)細節都忠實(shí)地記錄下來(lái)。但如果時(shí)間不夠，你可以先畫(huà)下房間的一部分。例如這次寫(xiě)生時(shí)，先把房間一角的電視柜畫(huà)下來(lái)。下次再有機會(huì )來(lái)寫(xiě)生時(shí)，你帶上上次未完成的畫(huà)作，在電視柜上添上電視機；再下一次來(lái)寫(xiě)生時(shí)，又把電視柜旁邊的沙發(fā)畫(huà)下來(lái)。這樣，雖然每次你只能畫(huà)下房間的一部分，但是重復多次后，仍然可以記錄下房間的全貌。
單分子顯微鏡正是通過(guò)類(lèi)似的圖像疊加原理，巧妙地擺脫了阿貝極限的束縛。仍以房間中有五個(gè)發(fā)紅色熒光的小球為例。這個(gè)時(shí)候我們不再像STED顯微鏡那樣使用“微型手電筒”，而是直接將房間的燈打開(kāi)。同時(shí)采用特殊的方法，使得房間的燈打開(kāi)時(shí)，只有一部分小球能夠發(fā)光。在這種情況下，發(fā)光的小球非常有可能并不是直接相鄰，也就是說(shuō)它們之間的距離要大于0.2微米，因此我們可以清晰地將他們分辨開(kāi)。當然，你會(huì )說(shuō)這并不是房間中小球的全貌。沒(méi)有關(guān)系，我們可以將燈關(guān)上，過(guò)一會(huì )兒再打開(kāi)。這個(gè)時(shí)候，又有另外一部分小球能夠發(fā)光。同樣，這些發(fā)光的小球之間的距離也大于0.2微米，也可以被區分開(kāi)。這樣重復多次后，我們將每次拍下的照片疊加，再用一定的數學(xué)方法處理，就得到了分辨率高于傳統光學(xué)顯微鏡的圖像。
需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，這些新的光學(xué)顯微鏡技術(shù)可以使得我們看到更小的物體，但是并不意味著(zhù)阿貝極限被推翻。阿貝極限仍然成立，只不過(guò)這些新的技術(shù)巧妙地繞過(guò)了這個(gè)極限，或者說(shuō)掙脫了這個(gè)極限的束縛。這就好比技術(shù)的進(jìn)步使得我們可以乘坐飛船擺脫地球引力的束縛進(jìn)入太空，但并不意味著(zhù)地球引力不存在。另外， STED顯微鏡和單分子顯微鏡不僅基本的工作原理十分巧妙，它們的成功實(shí)現還離不開(kāi)一系列復雜的物理和化學(xué)問(wèn)題的解決，這更彰顯了三位科學(xué)家的杰出貢獻。
三位獲獎的科學(xué)家憑借他們的智慧和汗水為我們探索微觀(guān)世界提供了新的利器，而對微觀(guān)世界的深入了解，必將讓我們的生活更加美好。
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