技术:详解2014诺贝尔化学奖：超越光学显微成像极限

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新浪科技报北京时间10月8日，年度诺贝尔化学奖授予两名美国科学家和一名德国科学家，表彰“对超高分辨率荧光显微镜技术的贡献”。 美国霍华德休斯医学研究所的埃里克·本茨格、德国马克斯·普朗克生物化学研究所的斯蒂芬·哈尔和美国斯坦福大学的威廉·梅尔纳分享了今年的化学奖。

光学显微镜成像技术在纳米尺度上的进展

血红蛋白，细菌，酵母菌，游走的精子。 17世纪的科学家们第一次用光学显微镜看到这些生物现象时，新的世界就在他们眼前打开了。 这就是光学显微镜图像技术的诞生。 从此光学显微镜成为生物学研究行业最重要的工具之一。 电子显微镜等其他显微镜成像技术需要进行样品的制造，这样的制造过程会杀死细胞。

通过分子发光技术超过物理界限

但是，长期以来，光学显微镜图像技术的迅速发展受到物理极限值的制约。 1873年，显微技术专家ernst abbe提出了以前流传下来的显微图像技术的物理限值:该技术的分辨率决不能超过0.2微米。 这个预言在20世纪的大部分时间里，科学家们相信光学显微镜图像技术不能突破更小的尺度( fig 1)。 。 像为细胞活动提供能量的线粒体这样的点细胞内部的细胞器，可以看到其轮廓。 但是，不能更注意细胞内各个分子之间的相互作用等更小的对象。 这就像注意城市一样，可以看到林立在城市里的高楼，但看不到其中生活的居民们出入的日常生活。 为了知道细胞的日常动作，科学家们需要跟踪各个分子的活动。

但是abbe提出的这个物理极限在今年诺贝尔化学奖获得者的业绩上取得了突破。 理论上，现在没有任何障碍，阻止科学家们注意更小规模的物体。 于是，显微镜图像变成了纳米显微镜图像。

突破abbe界限的方案有各自独立迅速发展的两种技术方法。 整个故事必须从1993年位于芬兰西南部的学生宿舍开始。 有一天史蒂芬·哈尔在读量子光学书时，他想出了一个很棒的主意。

面对abbe极限的年轻挑战者

1990年在海德堡大学获得博士学位后，斯蒂芬·哈尔一直在构思超越一个多世纪前提出的abbe界限的方法。 试图挑战现有的主流观点令人兴奋。 但德国大部分顶尖科学家对他的想法持怀疑态度，所以哈尔要求遥远的北方支持。 芬兰图尔克大学荧光显微镜图像技术专业的教授授予了自己在研究组的地位。 不，不，不，量子，不，不，不，但是，量子，但是... ( ]但是。 。 。 。 。 .

芬兰没用没用没用没用抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体抗体

马上，能量，，，，，，，，，，，，，，，，还，还，还，还，还，还，还，还，1，还，还，1，如果要进行记录，只记录这一部分。 通过扫描该光束整个样品表面，连续记录光强度新闻，可以得到整体的图像。 允许发出荧光的空间区域越小，最终得到的图像的分辨率越高。 于是，原理上，光学显微镜成像的界限消失了。

在德国研制了第一台纳米闪光装置

但是，斯蒂芬·哈尔的理论文案并不是很快就受到学术界的关注，但斯蒂芬·哈尔足以在德国马克斯·普朗克生物化学研究所获得职位。 在随后的几年里，他把自己的构想变成了现实。 他开发了sted显微镜。 2000年，他说明自己的技术方法在实际工作中是可能的。 他拍摄了大肠杆菌，其分辨率迄今为止任何光学显微镜都达不到(图3 )。 。

sted显微镜在多次小区域聚集光，最终形成整体图像。 对此，这次获奖的第二个技术方案，即所谓的“单分子显微镜图像技术”，与多个整体图像的重叠有关。 埃里克·奔驰格和威廉·梅尔纳分别独立奠定了这项技术的基础。 这项技术的第一个故事是从梅尔纳第一次成功地检测出单一的微小荧光分子开始的。

梅尔纳——首次检测到单一的荧光分子

在大部分化学方法中，例如为了测量荧光的吸收，科学家们通常是数百万分子，予以注意。 这样的实验得到的结果通常表示典型或平均分子的情况。 科学家们只能接受这样的结果。 因为这是不能改变的。 但是，长期以来，他们梦想着有一天能直接测量单一分子。 因为更详细丰富的认知可能会带来对疾病快速发展过程的更深刻的理解。

于是在1989年，梅尔纳成为世界上第一个成功测定荧光分子光吸收的科学家时，那是伟大的成果。 只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是只是而已而已而已而已

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这一发现表明梅尔纳有可能通过光学手段操作单一分子荧光。 这个结果处理了埃里克·奔驰两年来困扰他的问题。

厌倦了学术界，但爱abbe衍射极限

和斯蒂芬·哈尔一样，埃里克·奔驰非常喜欢突破abbe设置的衍射极限。 20世纪90年代初，奔驰格在美国新泽西州贝尔研究所开展了名为“近场光学显微镜”的研究。 利用近场光学显微镜，从极接近试料表面、距离只有几纳米的薄片发射光。 这个显微镜可以突破abbe的衍射极限，但这个做法也有难以克服的缺陷。 例如，因为难以显示细胞表面以下的深度结构，所以其产生的光线作用距离极短。

1995年，埃里克·奔驰得出结论，近场光学显微镜没有进一步改善的馀地。 除此之外，他觉得自己不适合学术界。 因为这个决定会结束自己的学术生活。 但是他在犹豫自己接下来要去哪里。 他从贝尔研究所退休了，但关于abbe衍射极限的问题依然留在他的脑海里。 冬天散步时，他突然想到了一个新主意。 比如如何利用产生不同颜色荧光的分子等，利用不同分子的特征能避免abbe衍射极限的问题吗？

在梅尔纳和其他科学家的研究的启发下，埃里克·奔驰此前利用近场光学显微镜注意到了单分子的荧光现象。 现在他开始思考不同分子如果发出红色、黄色、绿色等不同颜色的荧光，普通的显微镜是否也能达到这样的高分辨率的问题。 他的具体想法是让显微镜一次只记录一种颜色。 全部发出相同颜色的分子扩大，它们之间的间隔超过abbe衍射极限规定的0.2微米时，这些单一分子的所谓位置非常正确。 其次，如果重叠用不同颜色记录的图像，则此时得到的图像的分辨率大大超过由abbe衍射极限决定的水平，红色、黄色、绿色的分子即使各自的距离为数纳米也能识别。 这样可以避免abbe的衍射极限问题。 但是，也存在找不到足够区分光学特征的分子等实际问题。

1995年，埃里克·本茨格在《光学通报》杂志上报告了自己的理论构想，之后离开学术界就职于父亲的企业。

回归学术界

多年来，埃里克·本茨格完全脱离了学术界。 但是有一天，渴望科学的物种再次在他身上萌发，他的眼球再次回到了科学行业，这次他观察了关于绿色荧光分子的消息。 也

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还有几个，好桃子后面一段时间，这些荧光消失后，研究，已经激活蛋白质组，荧光了。 也

还没有，222

探索还在继续

埃里克·奔驰格、斯蒂芬·哈尔和威廉·梅尔纳各自迅速发展的这两种技术方法，从此导致了许多纳米级图像技术的诞生，现在在世界各地广泛应用。 现在这三位获奖者仍活跃在这里的研究行业第一线，与投身于这个研究行业的科学家们一起继续工作。 他们把强大的纳米成像设备对准构成生命的最小组件会帮助人们获得很多最新的知识。 斯蒂芬·哈尔目前正在致力于神经细胞的精密探测，以加深对脑突触的理解。威廉·梅尔纳正在进行与亨廷顿综合征相关的蛋白质的研究，埃里克·本格正在努力追踪胚胎内部细胞分裂的过程。 这些只是他们从事的大量事业中的几个例子。

但是，有一件事是肯定的。 那是年度诺贝尔化学奖获得者们为追求人类最重要的知识奠定了坚实的基础。