几天前，2014年的诺贝尔化学奖授予了美国和德国的三位科学家。颁奖理由是他们突破了光学显微镜的极限，在超高分辨率荧光显微镜领域取得了重要成就。许多读者可能还不了解这是什么样的贡献，对我们的生活有着怎样的意义。本文拟对今年的诺贝尔化学奖做一些简单的解读和介绍，希望更多读者能够了解这三位获奖科学家的卓越成就。
光学显微镜的发明为我们认识微观世界提供了一个有力的工具，但是它并不能使我们看到极小的物体。19世纪末，德国物理学家恩斯特•阿贝指出：光学显微镜分辨率的极限，大约是可见光波长的一半。可见光中波长最短的是蓝紫光，其波长在0.4微米左右。因此，如果两点之间的距离小于0.2微米，我们将无法分辨出这是两个点。这就是通常所说的“阿贝极限”。阿贝极限使我们无法更加深入地了解微观世界，例如病毒的直径通常就在0.02~0.3微米，无法用已有的光学显微镜观察清楚。
想要观察尺寸更小的物体，通常只能用电子显微镜。电子具有波动性，它的波长远远小于可见光，因此提高了电子显微镜分辨率。但与光学显微镜相比，电子显微镜存在着许多局限，比如需要高真空，无法用于观察活体生物样品。因此，科学家们仍然寄希望于突破阿贝极限，提高光学显微镜的分辨率。今年获得诺贝尔化学奖的三位科学家正是通过巧妙的设计，成功使得一类非常重要的光学显微镜——荧光显微镜的分辨率突破了0.2微米的阿贝极限。
荧光显微镜
我们先来简单了解一下什么是荧光显微镜。设想有两个小球，它们和房间里的其他物体自身都不能发光。当没有光源时，房间里一片漆黑，我们自然看不到小球的形状和大小。当灯打开后，我们看到了小球，但也同时看到了房间里的家具、电器、衣物等诸多物品。在这些物品的干扰下，我们不能很好地去观察这两个小球。
如果我们在这两个小球表面涂上一些特殊的化学物质，它们在灯光下能够发出某种特定颜色的光。例如，房间的灯发出绿光，房间里的其他物体都只反射绿光，唯独这两个小球发出红光。这种特殊的发光现象就称为荧光。
如果我们再戴上一副特殊的眼镜，镜片会滤掉其他颜色的光而只允许红光通过；这时候我们就会惊奇地发现，尽管房间的灯开着，但除了两个发红光的小球，其余都是漆黑一片。这样我们就可以非常方便地观察感兴趣的物体了。如果我们现在关心的不再是这两个小球，而是房间里书桌的形状，那么可以在书桌的表面涂上特殊的化学物质，于是我们的视野中只会出现一张发红光的桌子。
我们将荧光应用到显微镜上，普通的光学显微镜就变成了荧光显微镜。荧光显微镜往往比普通的光学显微镜威力更大，因为通过荧光我们可以随心所欲地观察我们感兴趣的内容。
图1 用荧光显微镜观察到的图像
然而和普通的光学显微镜一样，荧光显微镜也逃不出阿贝极限的“手心”。如果房间里有五个小球，在绿色光源的照射下都可以发出红光，但由于它们之间的距离小于0.2微米的阿贝极限，我们就看不清每个小球的形状和边界，只能观察到房间里有一个发红光的五边形。
图2 阿贝极限的存在使得我们无法分辨间距小于0.2微米的物体
STED显微镜
那么，如何才能将相邻的两个小球分辨开来呢？我们先来看看斯蒂芬•黑尔（Stefan W. Hell）发明的STED显微镜。
在相同的情况下，假设我们不打开房间里的灯，而是用一只发绿光的手电筒去照射小球的表面，而且这只手电筒的光斑的直径比两个小球的间距要小得多，例如只有0.05微米。那么我们用这样的手电筒照到其中一个小球，这个小球自然会发出红光。但和它相邻的小球并不会被照射到，因此保持黑暗。这样一来，我们就可以准确地观察到其中一个小球的形状。接下来，我们可以用这只微型手电筒继续照亮其他小球，直到所有的小球都被准确地观察到。
斯蒂芬•黑尔正是利用了这个办法，通过巧妙的设计，将STED显微镜的光斑尺寸变得非常小，然后用它一点一点地去扫描整个观察区域，就得到了分辨率高于传统显微镜的图像。
图3 STED显微镜通过用尺寸非常小的光斑逐步扫描整个区域的方法将间距小于0.2微米的物体分辨开来
单分子显微镜
接下来再说说埃里克•白兹格（Eric Betzig）和威廉•莫尔纳（William E. Moerner）发明的单分子显微镜。假设一位画家想到一间房间里去写生，那么最简单的办法自然是坐在房间里一直画，直到把房间里的每一个细节都忠实地记录下来；如果时间不够，你可以先画下房间的一部分。例如第一次先把房间一角的电视柜画下来；下一次带上未完成的画作，在电视柜上添上电视机；再下一次又把电视柜旁边的沙发画下来……这样，虽然每次你只能画下房间的一部分，但是重复多次后，就可以记录下房间的全貌。
单分子显微镜正是通过类似的图像叠加原理，巧妙地摆脱了阿贝极限的束缚。仍以房间中有五个发红色荧光的小球为例。这时我们不再像STED显微镜那样使用“微型手电筒”，而是直接将房间的灯打开。同时采用特殊的方法，使得房间的灯打开时，只有部分不相邻且间距大于0.2微米的小球能够发光。在这种情况下，我们就可以清晰地将他们分辨开。当然，你会说这并不是房间中小球的全貌。没有关系，我们可以将灯关上，过一会儿再打开，又有另外一部分小球能够发光。同样，这些发光的小球之间的距离也大于0.2微米，也可以被区分开。这样重复多次后，我们将每次拍下的照片叠加，再用一定的数学方法处理，就得到了分辨率高于传统光学显微镜的图像。
图4 单分子显微镜通过图像重叠的方法分辨出间距小于0.2微米的物体
需要说明的一点是，这些新的光学显微镜技术可以使得我们看到更小的物体，但并不意味着阿贝极限被推翻。阿贝极限仍然成立，只不过这些新的技术巧妙地绕过了这个极限的障碍，或者说挣脱了这个极限的束缚。这就好比地球引力始终存在，而技术的进步使我们可以乘坐飞船摆脱地球引力的束缚进入太空。另外， STED显微镜和单分子显微镜不仅基本的工作原理十分巧妙，它们的成功实现也必须先解决一系列复杂的物理和化学问题，这更彰显了三位科学家的杰出贡献。
三位获奖的科学家凭借他们的智慧和汗水为我们探索微观世界提供了新的利器，而对微观世界的深入了解，必将让我们的生活更加美好。
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光学显微镜的发明为我们认识微观世界提供了一个有力的工具，但是它并不能使我们看到极小的物体。19世纪末，德国物理学家恩斯特•阿贝指出：光学显微镜分辨率的极限，大约是可见光波长的一半。可见光中波长最短的是蓝紫光，其波长在0.4微米左右。因此，如果两点之间的距离小于0.2微米，我们将无法分辨出这是两个点。这就是通常所说的“阿贝极限”。阿贝极限使我们无法更加深入地了解微观世界，例如病毒的直径通常就在0.02~0.3微米，无法用已有的光学显微镜观察清楚。
想要观察尺寸更小的物体，通常只能用电子显微镜。电子具有波动性，它的波长远远小于可见光，因此提高了电子显微镜分辨率。但与光学显微镜相比，电子显微镜存在着许多局限，比如需要高真空，无法用于观察活体生物样品。因此，科学家们仍然寄希望于突破阿贝极限，提高光学显微镜的分辨率。今年获得诺贝尔化学奖的三位科学家正是通过巧妙的设计，成功使得一类非常重要的光学显微镜——荧光显微镜的分辨率突破了0.2微米的阿贝极限。
荧光显微镜
我们先来简单了解一下什么是荧光显微镜。设想有两个小球，它们和房间里的其他物体自身都不能发光。当没有光源时，房间里一片漆黑，我们自然看不到小球的形状和大小。当灯打开后，我们看到了小球，但也同时看到了房间里的家具、电器、衣物等诸多物品。在这些物品的干扰下，我们不能很好地去观察这两个小球。
如果我们在这两个小球表面涂上一些特殊的化学物质，它们在灯光下能够发出某种特定颜色的光。例如，房间的灯发出绿光，房间里的其他物体都只反射绿光，唯独这两个小球发出红光。这种特殊的发光现象就称为荧光。
如果我们再戴上一副特殊的眼镜，镜片会滤掉其他颜色的光而只允许红光通过；这时候我们就会惊奇地发现，尽管房间的灯开着，但除了两个发红光的小球，其余都是漆黑一片。这样我们就可以非常方便地观察感兴趣的物体了。如果我们现在关心的不再是这两个小球，而是房间里书桌的形状，那么可以在书桌的表面涂上特殊的化学物质，于是我们的视野中只会出现一张发红光的桌子。
我们将荧光应用到显微镜上，普通的光学显微镜就变成了荧光显微镜。荧光显微镜往往比普通的光学显微镜威力更大，因为通过荧光我们可以随心所欲地观察我们感兴趣的内容。
图1 用荧光显微镜观察到的图像
然而和普通的光学显微镜一样，荧光显微镜也逃不出阿贝极限的“手心”。如果房间里有五个小球，在绿色光源的照射下都可以发出红光，但由于它们之间的距离小于0.2微米的阿贝极限，我们就看不清每个小球的形状和边界，只能观察到房间里有一个发红光的五边形。
图2 阿贝极限的存在使得我们无法分辨间距小于0.2微米的物体
STED显微镜
那么，如何才能将相邻的两个小球分辨开来呢？我们先来看看斯蒂芬•黑尔（Stefan W. Hell）发明的STED显微镜。
在相同的情况下，假设我们不打开房间里的灯，而是用一只发绿光的手电筒去照射小球的表面，而且这只手电筒的光斑的直径比两个小球的间距要小得多，例如只有0.05微米。那么我们用这样的手电筒照到其中一个小球，这个小球自然会发出红光。但和它相邻的小球并不会被照射到，因此保持黑暗。这样一来，我们就可以准确地观察到其中一个小球的形状。接下来，我们可以用这只微型手电筒继续照亮其他小球，直到所有的小球都被准确地观察到。
斯蒂芬•黑尔正是利用了这个办法，通过巧妙的设计，将STED显微镜的光斑尺寸变得非常小，然后用它一点一点地去扫描整个观察区域，就得到了分辨率高于传统显微镜的图像。
图3 STED显微镜通过用尺寸非常小的光斑逐步扫描整个区域的方法将间距小于0.2微米的物体分辨开来
单分子显微镜
接下来再说说埃里克•白兹格（Eric Betzig）和威廉•莫尔纳（William E. Moerner）发明的单分子显微镜。假设一位画家想到一间房间里去写生，那么最简单的办法自然是坐在房间里一直画，直到把房间里的每一个细节都忠实地记录下来；如果时间不够，你可以先画下房间的一部分。例如第一次先把房间一角的电视柜画下来；下一次带上未完成的画作，在电视柜上添上电视机；再下一次又把电视柜旁边的沙发画下来……这样，虽然每次你只能画下房间的一部分，但是重复多次后，就可以记录下房间的全貌。
单分子显微镜正是通过类似的图像叠加原理，巧妙地摆脱了阿贝极限的束缚。仍以房间中有五个发红色荧光的小球为例。这时我们不再像STED显微镜那样使用“微型手电筒”，而是直接将房间的灯打开。同时采用特殊的方法，使得房间的灯打开时，只有部分不相邻且间距大于0.2微米的小球能够发光。在这种情况下，我们就可以清晰地将他们分辨开。当然，你会说这并不是房间中小球的全貌。没有关系，我们可以将灯关上，过一会儿再打开，又有另外一部分小球能够发光。同样，这些发光的小球之间的距离也大于0.2微米，也可以被区分开。这样重复多次后，我们将每次拍下的照片叠加，再用一定的数学方法处理，就得到了分辨率高于传统光学显微镜的图像。
图4 单分子显微镜通过图像重叠的方法分辨出间距小于0.2微米的物体
需要说明的一点是，这些新的光学显微镜技术可以使得我们看到更小的物体，但并不意味着阿贝极限被推翻。阿贝极限仍然成立，只不过这些新的技术巧妙地绕过了这个极限的障碍，或者说挣脱了这个极限的束缚。这就好比地球引力始终存在，而技术的进步使我们可以乘坐飞船摆脱地球引力的束缚进入太空。另外， STED显微镜和单分子显微镜不仅基本的工作原理十分巧妙，它们的成功实现也必须先解决一系列复杂的物理和化学问题，这更彰显了三位科学家的杰出贡献。
三位获奖的科学家凭借他们的智慧和汗水为我们探索微观世界提供了新的利器，而对微观世界的深入了解，必将让我们的生活更加美好。
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