德国未来奖新得主黑尔

德国耶拿的现代显微学鼻祖阿贝教授1873年曾说，“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5000分之一毫米。小于这个尺寸的物体在显微镜下依旧是模糊不清的”，“显微过程中，光需要经过透镜的折射。这一点限制了它的分辨率。我就此的公式每本教科书里都有。”

2006年，德国马普协会生物物理化学研究所所长黑尔教授说，“我的直觉告诉我，这里可能有东西可挖”，“假如你很有兴趣了解造成极限的根本原因的话，那么你也就学到了绕过极限的途径。”

黑尔就成功地绕过了阿贝公式所规定的极限。他的光学显微镜就可以清晰地显示小于5000分之一毫米的物体，一丝都不模糊。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，然后再鱼贯地穿过狭窄的转门。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，就会影响测量结果。”

实验室里漆黑一团，而且除了空调以外，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，上面分布着二十来个光学部件，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：“我们在这里也想了解的是纯粹的物理原理。这只能依靠开放式的系统来做，因为做光学实验的时候必须你可以直接看到，假如在某一处做些变动，其它地方会发生什么变化。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。”

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进行改进的。荧光显微法的工作原理是把荧光分子附着在希望观察的物质上，比如说一个细胞的蛋白质上作为标记。在光的辐照下，这些荧光物质就会发光，显示出蛋白质的所在位置，使生物学家们可以跟踪研究生物的活动机制。但是一般的荧光显微镜只能分辨200纳米以上的物体，200纳米以下物体的图像就模糊不清，直到黑尔教授某一天的灵感突发，想到一个窍门：荧光分子可以被激发，那为什么不可以被激灭呢？为此，他需要两种不同的激光脉冲。

黑尔介绍说：“比如说我们使用蓝色激光，用来激发荧光，因为蓝色激光的能量大。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。这个物镜就是负责把两束光汇集到一起的，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，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。这就是我们突破极限的新意所在。”

简单来说，就是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。黑尔他们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它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，观察之后，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，人们首次观察到负责这一过程的蛋白质会构成一定的图形。”

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(Leica Microsystems)负责在全球独家推销，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尖端科研机构。