※ 引述《popoallan ()》之铭言：
: ※注:有电视或媒体有报导者，请勿使用爆卦! 违者视为新闻篇数 超贴新闻劣退
: 三人得奖
: Eric Betzig
: Janelia Farm Research Campus, Howard Hughes Medical Institute, Ashburn, VA,
: USA,
: Stefan W. Hell
: Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, and German Cancer
: Research Center, Heidelberg, Germany
: and
: William E. Moerner
: Stanford University, Stanford, CA, USA
: 研究贡献就是萤光显微技术的超级解析技术 进而突破光学显微镜的侷限性
: for the development of super-resolved fluorescence microscopy
: surpassing the limitations of the light microscope
2014年诺贝尔奖简介 蔡蕴明译
于2014年 十月九日
(欢迎转载，但请引述本网址 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2014.html )
本文译自诺贝尔化学奖委员会公布给大众的新闻稿，原文可自以下官方网站取得：
http://ppt.cc/wYth
若有兴趣阅读进阶的资料，请由下列网址取得：
http://ppt.cc/Q9UN
*特别感谢现于美国德州农工大学攻读博士的曹一允(我2008年的专题生)热血相挺，帮我
将图片中文化；另外感谢现于本系李弘文教授实验室，攻读硕士学位的林宇轩帮我校稿。
多年来帮我将译文置于台大化学系网页的黄俊辉先生业已退休，感谢接替他的蔡明轩帮忙
。
【如何将光学显微镜变成奈米显微镜】
艾瑞克･贝齐格(Eric Betzig)，史蒂芬･海尔(Stefan W. Hell)以及威廉･莫纳
(William E. Moerner)等三人得到了2014年的诺贝尔化学奖，这是因为他们越过了一个科
学上设想的限制，也就是一个光学显微镜永远无法超越0.2微米的分辨率规格。利用分子
的萤光，科学家现在可以监看在细胞内部分子之间的相互作用；他们可以观察与疾病相关
的蛋白质之聚集，也可以在奈米的尺度里追踪细胞的分裂。
红血球细胞、细菌、酵母菌细胞以及游动精子：当科学家在十七世纪第一次开始在显微镜
下研究活体组织时，一个新的世界在他们的眼前打开。这是微生物学出世之际，从此之后
，光学显微镜成为生命科学家工具箱里面最重要的工具之一。其它的显微镜术，例如电子
显微镜，其所需的准备方法最终会杀死细胞。
【发亮的分子越过了物理的屏障】
然而，有一段很长的时间，光学显微镜被一个物理的屏障所阻碍，限制了所能解析的结构
大小。在1873年，显微镜学家恩斯特･阿贝(Ernst Abbe)发表了一个方程式，证明了光学
显微镜的分辨率是如何受到光的波长，以及一些其它的因素所限制。因此这导致科学家们
，在二十世纪的大半时间里，相信光学显微镜是永远无法用来观察那些比所用的光之波长
的一半还小的物体，也就是0.2微米(200奈米；微米 = 10- 6 米 = 103奈米) (图一)。细
胞里一些胞器的轮廓，例如细胞的发电机粒线体，虽可以看到，但是几乎不可能分辨更小
的物体，因此譬如想要追踪细胞里蛋白质分子之间的相互作用，就无法做到，这好比能看
到一个城市的建筑物，但却无法看出市民如何的生活，和如何为其生存而努力。为了了解
一个细胞如何的运作，你必须能追踪个别的分子如何的工作。
http://ppt.cc/Ew5x
图一 在十九世纪末叶，恩斯特･阿贝(Ernst Abbe)定义了光学显微镜的分辨率约为光波
长的一半，差不多是0.2微米(200奈米)，这意味着科学家能够区别一个完整的细胞以及一
些细胞内的胞器，不过他们将永远无法分辨小到如一个正常大小的病毒，或是一个单一的
蛋白质分子。
阿贝的方程式仍然成立，但尽管如此仍被越过。艾瑞克･贝齐格，史蒂芬･海尔以及威廉
･莫纳等三人之所以获得2014年的诺贝尔化学奖，就是因为他们利用萤光分子，将光学显
微镜带进了另一个境界。理论上，不再存在有太小而无法观察的结构。就结果而言，光学
显微镜变成了奈米显微镜。
如何规避阿贝绕射极限的故事，要分成两条路线来说；两个基于不同的原理所各自独立发
展出的方法，都获得成功。让我们回溯到1993年，在芬兰西南部的一个学生公寓里，史蒂
芬･海尔在翻阅一本量子光学的教科书时，得到了一个很棒的点子。
【对阿贝绕射极限的青春叛逆面对了怀疑】
自从海尔在1990年从德国海德堡大学取得博士学位之后，他就一直在寻找方法，来规避阿
贝在超过一个世纪以前所订下的限制。挑战一个已经建立的理论，这样的想法虽很诱人，
但是在德国的资深科学家们，用怀疑面对了他的热情，导致了海尔往寒冷的北方寻找庇护
所。一位在芬兰特尔库(Turku)大学研究萤光显微镜术的教授，给了海尔在其研究小组工
作的一个职位。海尔相信一定有一个机会能够克服阿贝的绕射极限，而当他读到那本量子
光学课本里面“受激放射”的字语时，在他的脑海里浮现了一个新的想法：“在那个瞬间
，曙光在我脑际出现，我终于找到一个实际的观念来追求 ─ 一条真正的线索。”这是他
于2009年自己的说明 ─ 让我们进入他的想法一探究竟。
【解答：用一个奈米大小的手电筒扫描样品】
在特尔库大学，海尔在进行称为萤光显微镜术的研究，那是一种利用萤光分子来让细胞显
像的技术。举例来说，他们可以使用只专一的与细胞的DNA偶合之萤光抗体，科学家们用
一个短暂的脉冲光来激发抗体，这会让抗体发亮并持续一个短暂的时间，如果抗体是与
DNA偶合的，它们就会在细胞当中放光，因为DNA是塞在细胞核里面的。利用这个方法，科
学家们可以看到某些分子的位置，但是他们只能定出一群聚集在一起的分子之位置，例如
一些纠缠在一起的多股DNA，但是因为分辨率太低，而无法分辨单股的DNA，这就好像你可
以看到一卷纱线，但却无法看出纱线是如何缠绕的。
当海尔读到受激放射时，他体认到应该可以设计一种奈米的手电筒，能够对着样品以一次
一个奈米的方式扫描。利用受激放射，科学家们可以将分子的萤光淬灭，当他们将一道雷
射光束照在那些发光的的分子上时，它们会立刻的失去能量而变暗。在1994年，海尔发表
了一篇论文概略说明了他的想法，他规划的方法称为受激放射消去法(stimulated
emission depletion，简称STED)，利用一道脉冲光将所有的萤光分子激发(开始发光)，
同时利用另一道脉冲光将所有的萤光分子淬灭，但是只有在中间的一个奈米尺度大小的体
积之内除外(图二)，因此只会取得在这个体积之内的萤光。透过对样品的扫描以及同时对
光线强度的测量，就可以取得一张清楚的图像。每一次被容许放出萤光的体积愈小，最后
得到的影像分辨率就愈高，因此在理论上，光学显微镜在分辨率方面就不再有限制了。
http://ppt.cc/kw8N (图二)
【在德国发展头一个奈米手电筒】
海尔的理论文章并未立刻的激起一场骚动，但是的确有趣到让海尔在位于哥廷根的马克斯
･卜兰克生物物理化学研究所，得到一个职位。在接下来的数年里，他让自己的想法开花
结果；他设计了一个STED显微镜，于2000年，已经能够展示真的可以实际的运用他的想法
，其中之一是用来取得一张大肠杆菌的图像，并具有用光学显微镜从来无法达到的分辨率
(图三)。
http://ppt.cc/Q~Ro (图三)
图三 由史蒂芬･海尔透过STED显微镜，最先所取得的几个图像之一。在左边是一个普通
的光学显微镜取得的大肠杆菌图像，在右边则是同一个大肠杆菌，用STED显微镜照出的结
果，其分辨率高了三倍。此图取自于 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97:8206-8210。
STED显微镜从收集一大堆很小的体积所放出的光，然后集合成一张整体的图像，相对的比
较，另一种原理也得到了成功，那被称为单分子显微镜术，需要将许多张图像重叠在一起
。艾瑞克･贝齐格与威廉･莫纳(大家都用W. E.称呼他)各自独立的，以不同的基础观念
切入，促成这项技术的发展。这项技术的基础，是在莫纳成功的观测到一个小的萤光分子
时所奠定。
【W. E. 莫纳 ─ 首先观测到单一的萤光分子】
在大部分的化学方法中，例如量测吸收和萤光，科学家们是同时观察上百万的分子，在这
些实验中所得到的结果，反映的只是一种典型平均化的分子表现，但科学家们不得不接受
这种困境，因为没有别的可能性。不过有很长的一段时间，他们梦想着能够量测每一个单
一的分子，因为有愈丰富愈详尽的资讯，就愈可能去了解譬如疾病是如何的发展。
在1989年，莫纳成为全球第一位科学家能够量测单一分子对光的吸收，那是一项具有关键
性的成就。当时他正在位于美国加州圣荷西的IBM研究中心工作，那个实验打开了一扇通
往新未来的大门，并且启发了许多化学家将注意力转移到单分子的身上，其中之一就是艾
瑞克･贝齐格，接着会在稍后说明他的成就。
八年之后，莫纳朝单分子显微镜迈出了第二步，那是运用之前诺贝尔奖在2008年所表彰过
的绿色萤光蛋白质(GFP)。
【分子大小的灯一开一关】
在1997年，莫纳进入了在加州大学的圣地牙哥分校，那正是后来获得诺贝尔桂冠的钱永健
所在的学校，当时钱永健正尝试要让GFP放出像彩虹般的各种萤光。这个绿色萤光蛋白质
是从一种萤光水母身上分离出来的，它的好处在于能让细胞里面的其它蛋白质显像。科学
家们先利用基因科技，将绿色萤光蛋白质偶合到其它的蛋白质上，那绿色的萤光就会暴露
出这个被标记的蛋白质位在何处。
莫纳发现有一种GFP可随意点亮或关掉，当他用488奈米波长的光去激发蛋白质的时候，蛋
白质就开始发出萤光，但一个短暂的时间之后就会熄灭，在这之后无论他再用多强的光去
照射这个蛋白质，它也不会发光，不过他后来发现当光的波长改为405奈米时，这个蛋白
质就会恢复生机，当蛋白质重新活化后，它又会放出488奈米波长的萤光。
莫纳将这些可被激发的蛋白质均匀的散布在一个胶质内，让每个蛋白质之间的距离大于
0.2微米的阿贝绕射极限，因为它们稀疏的散开来，一个普通的光学显微镜就可以区辨每
一个发亮的分子 ─ 它们就好像一堆具有开关的小灯泡，这项结果发表在1997年的“自然
”期刊上。
透过这个发现，莫纳展示了可以透过光学的方式，控制单一分子们的萤光，这解决了一个
贝齐格在两年之前所想到的问题。
【对学术感到疲乏 ─ 但仍为阿贝的绕射极限而着迷】
与海尔一样，贝齐格也为了越过阿贝绕射极限的想法而着迷。在1990年代初期，他正在美
国纽泽西州的贝尔实验室，研究一种新的光学显微镜术，称为近场显微镜术。在此法中，
光线是从一个非常薄的尖端所释出，这个尖端与样品之间的距离只有几个奈米，虽然这种
显微镜术也可以克服阿贝绕射极限，但是此法具有一些主要的弱点，举例来说，因为放出
的光范围太短(只能深入约一百奈米)，以至于无法看到细胞表面之下的结构。
贝齐格在1995年得到一个结论，那就是近场显微镜术无法更进一步的改善，此外他在学术
界感觉不太自在，因此决定结束他的研究生涯；即便不知下一步要何去何从，他毅然辞职
，但是阿贝绕射极限仍在他的心中。步行在一个寒冷的冬天里，他想到了一个新的点子；
是否可能用具有不同性质的分子，那些发出不同颜色之萤光的分子，来克服阿贝绕射极限
？
贝齐格已经能用近场显微镜术观测到单分子的萤光，与许多人一样，贝齐格受到莫纳的启
发，他开始仔细考虑，如果使用几种会放出不同萤光的分子，例如红色、黄色和绿色，是
否可以利用普通的光学显微镜得到相同的分辨率。他的点子是让显微镜每一次用不同颜色
的光来记录影像，如果同一种颜色的分子都是均匀的散布，而且相互之间的距离大于阿贝
绕射极限的规范，它们的位置将可精确的决定。接着当这些影像重叠起来时，完整的图像
将具有远超过阿贝绕射极限的分辨率，红色、黄色和绿色的分子虽然相互的距离只不过几
个奈米，但仍能区别，如此就能克服阿贝绕射极限。不过，仍有一些实际的困难，例如缺
乏那些具有不同光学性质之分子，其差异要大到足以相互区别。
在1995年，贝齐格在 Optical Letters 这份期刊上发表了上述想法之理论，随即离开了
学术界，并进入了他父亲开的公司。
【被绿色萤光蛋白质引诱回到显微镜术】
贝齐格完全的脱离学术界，已经有许多年了，但是有一天，一个对科学的渴望突然又复苏
了。回顾科学文献时，他第一次看到绿色萤光蛋白质的论文，体认到有一个蛋白质，能让
其它的蛋白质在细胞内显像，活化了贝齐格对如何克服阿贝绕射极限的想法。
真正的突破发生在2005年，当时他偶然发现到那种可以随意活化的萤光蛋白质，很类似那
些莫纳在1997年，于单分子的层次所观察到的萤光蛋白质。贝齐格知道，这个分子正是可
以实现他在十年前所想到的那个主意，所需要的工具。这种萤光分子并不需要具有不同的
颜色，它们还是可以在不同的时间发出萤光。
【藉著影像的重叠超越阿贝绕射极限】
只不过一年之后，与研究可激发萤光蛋白质的科学家合作，贝齐格展示了他的想法的确可
以付诸实现。在一些例子当中，他们将会发光的蛋白质接在溶体(lysosome)的膜上面，溶
体是细胞里的回收站，现在用一道脉冲光来激发出蛋白质的萤光，因为使用的脉冲很弱，
所以只能让部分的分子开始发出萤光，由于它们的数目很少，几乎所有发光分子之间的距
离均大于0.2微米的阿贝绕射极限，因此每一个发光的蛋白质之位置都可以在显微镜下登
录。一会儿之后，当萤光消失时，他们重新激发另一组蛋白质，同样的，使用的脉冲弱到
只能让部分的分子发出萤光，同时这一组图像被登录下来，这个步骤一直不断的重复。
http://ppt.cc/gHt2
当贝齐格将所有的影像重叠起来时，得到了一张溶体膜的超高解析图像，它的分辨率远远
的超过了阿贝绕射极限。接着，贝齐格将这一份开创性的工作，于2006年发表在“科学”
期刊上。
http://ppt.cc/ChpH 图五
图五 中间的图是溶体(lysosome)膜的图像，这是贝齐格用单分子显微镜，最初所取得的
几个图像之一。在左边是相同的图，但是用传统的显微镜所取得的。在右边则是将膜的图
像放大，请注意此图的尺度是0.2微米，等同于阿贝绕射极限，其分辨率改进了许多倍。
此图取自于 Science 313:1642-1645。
【这几位得奖者仍企图在描绘生命最深层的奥秘】
这些由艾瑞克･贝齐格，史蒂芬･海尔以及威廉･莫纳等三人所开发的方法，发展出了几
个现在为全世界各地所使用的奈米显微镜技术。这三位得奖者仍然活跃在这个不仅庞大，
而且一直在增长的科学社群中，将创新的矛头对着奈米显微镜术的领域，当他们将功能强
大的奈米显微镜瞄准在生命中最小的零件时，他们也同时取得了最尖端的知识。史蒂芬･
海尔为了对脑突触有更好的了解，窥探了活的神经细胞内部；威廉･莫纳研究了与杭丁顿
氏症(舞蹈症)有关的蛋白质；艾瑞克･贝齐格追踪了在胚胎中细胞的分裂，这些只是众多
例子当中的几个。有一件事情是肯定的，2014年的诺贝尔化学桂冠得主们，对发展人类最
重要的知识，已经奠定了基石。