突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率極限，美德三位科學(xué)家摘得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
他們讓人類(lèi)得以細(xì)窺納米世界
2014年10月09日
分享2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的美國(guó)科學(xué)家埃里克·貝齊格、德國(guó)科學(xué)家斯特凡·黑爾、美國(guó)科學(xué)家威廉·莫納（從左至右）。
徐瑞哲
如果要測(cè)量一根發(fā)絲的粗細(xì)，用“納米”這個(gè)單位顯然不適合——因?yàn)橐桓^發(fā)絲直徑約10萬(wàn)個(gè)納米。對(duì)于能看清1個(gè)納米的超分辨率熒光顯微鏡來(lái)說(shuō)，頭發(fā)實(shí)在是太粗了！
8日，2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了研發(fā)這種超分辨率熒光顯微技術(shù)的3位科學(xué)家，他們是美國(guó)人埃里克·貝齊格、威廉·莫納，以及德國(guó)人斯特凡·黑爾。
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)８日宣布這一消息時(shí)認(rèn)定，３名科學(xué)家成功突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的極限分辨率，將顯微技術(shù)帶入“納米”領(lǐng)域，讓人類(lèi)能以更精確的視角窺探微觀世界。
打破經(jīng)典光學(xué)瓶頸
對(duì)于這項(xiàng)諾獎(jiǎng)成就，化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)聲明稱：長(zhǎng)期以來(lái)，光學(xué)顯微鏡的分辨率被認(rèn)為不可能超過(guò)光波波長(zhǎng)的一半，這被稱為“阿貝分辨率”。而借助熒光分子的幫助，今年獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯砍晒擅罾@過(guò)了經(jīng)典光學(xué)這一束縛，開(kāi)創(chuàng)性地使光學(xué)顯微鏡能夠窺探納米世界。如今，納米級(jí)分辨率的顯微鏡在世界范圍內(nèi)被廣泛運(yùn)用。
光的波長(zhǎng)約500納米，而最好的光學(xué)顯微鏡也只能分辨它的一半，即250納米。比如可以看見(jiàn)一個(gè)細(xì)菌，但它只是一個(gè)“點(diǎn)”而已。而運(yùn)用今年化學(xué)獎(jiǎng)的技術(shù)，光學(xué)分辨率可提高百倍，比如看到2.5納米，只有一個(gè)蛋白質(zhì)分子的一半大小。由此，人類(lèi)可以看見(jiàn)幾萬(wàn)種生命物質(zhì)是如何靠近、結(jié)合并相互作用的。
當(dāng)獲知諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，華東理工大學(xué)藥學(xué)院特聘教授楊弋想到的不僅是貝齊格，還有另一位華人女科學(xué)家莊小威，“本以為兩人會(huì)同時(shí)獲獎(jiǎng)”。2005至2006年，他們通過(guò)不同的途徑，為小分子實(shí)現(xiàn)了超分辨率成像。事實(shí)上，貝齊格用的熒光分子標(biāo)記，基于2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主錢(qián)永健的熒光蛋白方法；而莊小威使用的是小分子染料來(lái)進(jìn)行熒光標(biāo)記。楊弋認(rèn)為，可能莊小威發(fā)表成果比貝齊格稍晚，因此錯(cuò)失諾獎(jiǎng)。
德科學(xué)家另辟蹊徑
獲獎(jiǎng)的兩名美國(guó)科學(xué)家，技術(shù)路徑基本一致,而德國(guó)科學(xué)家則是另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)了同樣的超分辨效果。黑爾幾乎完全運(yùn)用激光物理原理，于2000年開(kāi)發(fā)出“受激發(fā)射損耗顯微鏡”。
楊弋解釋說(shuō)，單束激光一照就是一個(gè)光斑，直徑在300納米左右，這決定了它的分辨率不可能更高。但黑爾竟然利用了另一束中空激光，這第二束激光的中空孔徑只有20納米，它發(fā)射后就像“橡皮擦”那樣將第一束激光的外圈消除了，這樣剩下的小光斑直徑就只有20納米，達(dá)到了納米級(jí)成像要求。
可以說(shuō)，美國(guó)人開(kāi)發(fā)的熒光顯微鏡成像技術(shù)，還能用“DIY”的方法，用不同組件自主搭建。而德國(guó)人憑借極為精密的光學(xué)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出這種“激光套激光”的顯微鏡，則幾乎無(wú)人可以自制。
這類(lèi)光學(xué)顯微鏡的分辨率已經(jīng)與電子顯微鏡等量齊觀，而拿到多項(xiàng)諾獎(jiǎng)的電子顯微鏡技術(shù)又是無(wú)法替代光學(xué)顯微鏡的。同樣具有納米視力的電子顯微鏡，必須在真空環(huán)境下成像，因此只能觀察死細(xì)胞，可以說(shuō)重在看空間形態(tài)，而非活性功能，無(wú)法像同級(jí)別的光學(xué)顯微鏡那樣對(duì)細(xì)胞的工作動(dòng)態(tài)進(jìn)行“影像直播”。
“跨界”成獲獎(jiǎng)趨勢(shì)
有學(xué)者認(rèn)為，以著名化學(xué)家諾貝爾命名的諾獎(jiǎng)，特別是它的化學(xué)獎(jiǎng)，已越發(fā)顯露出理工綜合獎(jiǎng)的趨勢(shì)。從1901年首屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)開(kāi)始，算上今年的獲獎(jiǎng)?wù)撸延?8人因其物理化學(xué)領(lǐng)域的成就，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
今年，美德三名科學(xué)家的所在單位，分別是醫(yī)學(xué)、生物物理化學(xué)、應(yīng)用物理等科研院所。而他們的研究方法，同樣綜合了“數(shù)、理、化”乃至生物等多種學(xué)科?？梢哉f(shuō)，跨界已成為化學(xué)作為物質(zhì)科學(xué)的特征之一，不能實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合，恐怕難以適應(yīng)國(guó)際科研大勢(shì)，與諾貝爾獎(jiǎng)遠(yuǎn)離。
另一方面，有了基礎(chǔ)研究，應(yīng)用開(kāi)發(fā)同樣有助于奪得諾貝爾獎(jiǎng)。楊弋舉例說(shuō)，這屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的第一篇相關(guān)論文發(fā)表于1999年，理論方法的首次實(shí)際應(yīng)用在2006年之前，至今不到10年光景。尤其是德國(guó)徠卡這樣的著名光學(xué)企業(yè)，極其快速地將諾獎(jiǎng)級(jí)別的研究成果開(kāi)發(fā)為產(chǎn)品。商品化過(guò)程大大縮短有利于推廣和驗(yàn)證諾獎(jiǎng)成果，也讓評(píng)委們毫不猶豫地投上一票。因此，比起以往二三十年之后“遲到的諾獎(jiǎng)”，如今諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)的周期也越發(fā)縮短。
