諾貝爾化學深度解析：打破光學顯微極限

本文來源：《中國科學報》

■本報記者 彭科峰 王靜 實習生 張孟梟

10月8日，2014年度諾貝爾化學揭曉，美國科學家埃裏克·白茲格、威廉姆·艾斯科·莫爾納爾和德國科學家斯特凡·W·赫爾三人成為最終的幸運兒。官方稱，該是為表彰他們在超分辨率熒光顯微技術領域取得的成就。

在接受《中國科學報》記者採訪時，專家們認為，本屆諾貝爾自然科學存在明顯的“偏技術”的傾向。目前，在超分辨率熒光顯微技術領域，國內也不乏人才，但相關設備主要靠進口，國家對於這些技術的研究關注不足，支持不夠。

偏向於技術

“偏冷門”——這是一些科學家對於本屆諾貝爾化學的第一印象。

中國科學院院士劉忠范是納米化學與納米結構器件研究的專家，對於這三名美德科學家獲獎，他向《中國科學報》記者表示“感覺有些意外”。

北京大學醫藥衛生分析中心細胞分析實驗室袁蘭博士認為，此次諾貝爾化學偏向於生物化學方向，這是因為生物化學不分家。“要搞好生物研究，首先要有化學基礎。同時，很多儀器都是基於熒光信號，發光的多為化學物質。比如，人體的代謝，分子的相互作用等都是化學領域的內容。”

從物理學的藍光LED，到化學的超分辨率熒光顯微技術，劉忠范認為，2014年的諾貝爾獎明顯存在偏技術的傾向。

長期以來，光學顯微鏡的分辨率都被認為是有極限的，它不可能超過二分之一個光波長度。然而，獲獎的三位科學家打破了這一極限，使光學顯微鏡步入了納米時代。

中科院化學所研究員王樹向《中國科學報》介紹，超分辨率熒光顯微技術從原理上打破了原有的光學遠場衍射極限對光學系統極限分辨率的限制，在熒光分子幫助下很容易超過光學分辨率的極限，達到納米級分辨率。這一技術在生物、化學、醫學等多個學科擁有廣泛的應用。

“此前，超分辨技術在相關領域是空白的，白茲格等人的研究恰巧彌補了這項空白。”袁蘭表示。這項技術對於納米、分子、生物應用等研究都有很大幫助。“一般這些研究都是靠電鏡進行，超高分辨對於活體細胞的研究意義之大，是其他顯微鏡所不能取代的。”

王樹認為，利用超高分辨率顯微鏡，可以讓科學家們在分子水平上對活體細胞進行研究，如觀察活細胞內生物大分子與細胞器微小結構以及細胞功能如何在分子水平表達及編碼，對於理解生命過程和疾病發生機理具有重要意義。

“冤家”亦“親家”

白茲格畢業於康奈爾大學，后在貝爾實驗室工作。他的主要貢獻是研發了用於分子生物學、神經科學的光學成像工具。鮮為人知的是，他還和北京大學長江講座教授、美國科學院院士謝曉亮有過一段“緣分”。

“1993年10月，在加拿大溫哥華的一次會議上，白茲格宣佈單分子成像獲得成功。當時我在聽席上，覺得很遺憾。”謝曉亮。當時在美國太平洋西北國家實驗室(PNNL)工作的他，和同事沒日沒夜地做同一方向的實驗，但還是被貝爾實驗室搶了先。

美國和法國化學家分別在1989年和1990年做出了低溫單分子實驗；1990年美國化學家在溶液裏用激光檢測到了單個分子的熒光，但沒有成像。

在這種背景下，謝曉亮開始想如何才能在室溫下做單分子成像，這也成為他在PNNL面試時提出的新方向，最后獲得通過。“應該，在某種程度上，謝曉亮和白茲格是競爭對手。”劉忠范。

中科院生物物理所研究員徐平勇向《中國科學報》介紹，白茲格做科研十分嚴謹，每項工作的每一個細節，都必須做到完美、精準之后才會發表。由此，他所做的技術往往能在多方面得到應用，獲得很多數據。

生活中，白茲格非常低調，不喜歡與外界接觸，他的學生曾代他去領一個重要獎項。另外，他還是第二個獲諾的中國女婿。

“而現在，他無疑是全世界做非線性結構光照最好的科學家。”徐平勇。

“國外牽頭做，我國在跟跑”

上世紀八九十年代，有兩項和顯微鏡相關的技術在同時發展，一個是掃描隧道顯微鏡，一個是近場光學顯微鏡，埃裏克·白茲格主要的貢獻是和近場光學顯微鏡有關。但后來，人們對掃描隧道顯微鏡使用得比較多，近場光學顯微鏡便遭到冷落。

“近場光學顯微鏡可以是‘工匠的藝術’，可操作性比較差。當然，評委把諾貝爾獎給他，我覺得主要是看中與超分辨率熒光技術的結合與發展。”劉忠范。

無獨有偶，德國科學家斯特凡·W·赫爾的主要貢獻是發明了STED顯微鏡，實現了超高精度顯微技術的一大突破。袁蘭介紹，STED技術現在在理論上已經可以達到40~50nm的分辨率，“人們已經能夠通過它看到微管蛋白是什麼樣的”。

袁蘭認為，目前，世界上超分辨率熒光顯微技術已經很成熟，遺憾是，“國外牽頭做，我國在跟跑”。並且，使用的儀器也是從國外購買。

王樹介紹，我國的科學工作者在超分辨率熒光顯微技術領域做了很多工作，在提高成像分辨率上達到了較高水平，“但在該領域的原始創新方面還有待突破”。

“我們國家對於這些技術的研究關注不足，支持不夠，科研人員沒有從技術投入中得到資助。而國外的超高分辨，發明之后很快就進入市場了，而我們的技術轉化很慢，往往存在理論和實踐應用的脫節。”袁蘭，“我國有很多應用嗷嗷待哺，急需技術支持、經費支持和政策支持。”