超越光学显微镜的极限 —记2006年度“未来奖”得主施特芬·黑尔

发布时间：07年02月01日

徐娜

　　2006年11月23日，德国政府颁发了2006年度的“未来奖”。获奖者是43岁的物理学家、德国马普学会生物物理化学研究所所长施特芬·黑尔(Stefan Hell，下图)，他改进了光学显微镜的分辨率，突破了显微镜理论至今被认为是不可超越的极限(阿贝极限)，可以把200纳米范围内的活细胞内部结构清晰地展现在光学显微镜下。

　　1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝发现，可见光由于其波动特性会发生衍射，因而光束不能无限聚焦。根据这个定律，一台显微镜能清晰放大的只是尺寸大于光波波长一半的物体，也就是说至少大于200纳米。小于这个尺寸的物体在显微镜下依旧是模糊不清的。黑尔教授凭借直觉认为自己可以突破这个极限:“假如你很有兴趣了解造成极限的根本原因，那么你也就有可能找到绕过极限的途径。”大约15年前，黑尔就说这个问题是可以解决的，但没人相信他。经过数年的研究，黑尔成功地绕过了阿贝公式所规定的极限，他研制的光学显微镜可以清晰地显示小于200纳米的物体，丝毫不模糊。

　　黑尔非常自豪地向记者展示他的实验装置。他和所有工作人员一样，在进入实验室之前，先在更衣室里换上白色的专用拖鞋，外人则必须在鞋上套上塑料套袋，然后再依次穿过狭窄的转门。黑尔介绍说:“这个转门是隔离门(隔离光的门)，为的是防止外面的光线泄漏进来，保持实验室的暗室条件。如果不设这道防线，假如有人开门，光线就会进来，从而影响测量结果。”

　　实验室里漆黑一团，除了空调以外，四处鸦雀无声。只有两台计算机屏幕在实验室的一个角落里泛泛发光。一张台球桌大小的实验台几乎占据了整个空间，上面分布着20来个光学部件，透镜、反光镜、光圈，十足一个光学迷宫。实验台的一端放着一台激光发生器。黑尔介绍说:“我们也想了解纯粹的物理原理，但只能依靠开放式的系统来做，因为做光学实验的时候你必须可以直接看到，假如在某一处做些变动，其他地方会发生些什么变化?透镜也好，反光镜也好，还是后面那台激光发生器也好，利用由单独的光学组件组装起来的系统进行这样的研究最合适。”

黑尔在黑板上演算改进光学显微镜分辨率的原理

　　几十年来，广泛应用于生物研究领域的显微方法是荧光显微法。黑尔及其同事也是在这个方法的基础上对显微镜进行改进的。谁想看一个细胞里的蛋白质，就沾上一点荧光颜料。光线照上去，有色的光就会显示蛋白质所在。但是，所有小于200纳米的东西，都显得模糊不清。突然有一天，黑尔想到了一个突破常规的思路:荧光分子可以被增强，为什么就不能被减弱呢?为此，他需要两种不同的激光脉冲。

　　黑尔介绍说:“比如说因为蓝色激光的能量大，我们使用蓝色激光来激发荧光。那么激灭荧光呢，就用能量小的激光，比如说黄色激光。然后，我们再把激灭光覆盖到激发光上。这个物镜的作用就是把两束光汇集到一起，一束是正常聚焦的蓝色的激发光，另一束是这个环状的黄色的激灭光。两束光这样一叠加之后，光环中间就只留下极小一块的荧光分子可以继续发光，等于是提高了放大倍数。而且，从理论上来说，我们还可以任意缩小这个荧光光斑。这就是我们突破阿贝极限的新意所在。”

　　简单地说，蓝色的荧光光斑是原来的分辨率，也就是还可以清晰显示的部分，减去黄色的荧光光环部分，就是改进后的光斑，当然要比原来的光斑小得多。光斑越小，分辨率就越大，也就是放大倍数越大。黑尔研制的显微镜已经能够清晰地显示20纳米的细胞内部细节了。虽然电子显微镜或者扫描探针显微镜等其他现代显微手段也可以达到这个分辨率，但这些手段是破坏性的，观察时细胞定死无疑。而在荧光显微镜下，细胞照活不误，这也是目前观察活细胞的唯一手段。比如说，科学家们可以利用这一手段观察病毒是如何侵犯细胞的、药物是怎样发挥作用的、传递物质又是怎样从一个神经细胞到达另一个神经细胞的。黑尔介绍说:“这些传递物质含在囊泡里。囊泡大约有40纳米大小，也就是说非常、非常地微小。囊泡把传递物质运输到神经细胞的突触后根据指令将其释放。利用我们的新型荧光显微镜，人们会首次观察到负责这一过程的蛋白质构成的一些图形。”

　　如今，在生物医学基础研究领域，80%的显微分析都是应用荧光显微镜的，因此，黑尔他们开发的新型高分辨率荧光显微镜自然引起人们极大的兴趣。这种新型仪器将由位于德国曼海姆的莱卡微系统公司负责在全球独家推广，价格大约在85万欧元。按计划，2007年秋，这种新型光学显微镜将进入系列生产，主要客户将是德国和美国的顶级科研机构。

　　一年一度的“未来奖”是德国最重要的科学奖，用以表彰德国具有重大应用价值的科学发现。比如2000年的“未来奖”得主就是MP3的发明者。如今，MP3已经和人们的日常生活密不可分了。黑尔在接过德国总统克勒颁发的奖杯时表示，他将把所获得的25万欧元奖金作为一个科技公司的启动资金，为将来研究更好的显微镜奠定基础。黑尔的研究成果还获得了国际科学界的广泛认可，美国《科学》杂志还把这项成果列为“2006年十大科学进展”之一。