因在超分辨率荧光显微技术作出重要贡献，2014年诺贝尔化学奖授予了美国人埃里克·贝齐格、威廉·莫纳，以及德国人斯特凡·黑尔三位科学家。他们成功突破传统光学显微镜的极限分辨率，打破以往观测物体尺寸的界限，将显微技术带入“纳米”领域，使人类得以研究更微小的世界。

超越光学“衍射极限”

“长久的时间里，科学家们一直被‘衍射极限’所困扰。”燕山大学应用物理系教授朱艳英说。

1873年，德国显微镜学者恩斯特·阿贝给传统光学显微镜的分辨率规定了一个物理极限：光学显微技术永远不可能获得比所用光的波长的一半更高的分辨率。这也就意味着，0.2微米以内的世界无法通过传统光学显微技术进行观测。

由于衍射极限束缚，人类凭借光学显微镜对细胞内分子作用的观察一直存在局限。朱艳英进一步解释说，光学显微镜只能观测到整个细胞和某些细胞器轮廓，但无法再看到更小的物体。“这就相当于只能看到城市的建筑，却无法看清在这些建筑中生活的人们。”

“虽然目前也有电子显微镜等能提供高分辨率显微，但电子显微镜技术却无法替代光学显微镜。”在朱艳英看来，电子显微镜必须在真空环境下成像，而在这种环境下细胞无法存活，更不用提观测其内部物质运动、对细胞工作动态进行“影像直播”了。

三位科学家借助荧光分子的帮助，用两种不同方法巧妙绕过了经典光学这一瓶颈，开创性地使光学显微镜能够窥探纳米“微世界”。

黑尔发明的是受激发射损耗（STED）显微技术。上世纪90年代黑尔受到“受激发射可以让荧光分子淬灭”的启发，设计一种“纳米电筒”，可在纳米范围内扫描目标样本，并以此为基础构建“受激发射损耗”(STED)显微技术，提出了受激发射损耗方法：利用一束光脉冲“激发”一定范围内所有荧光分子，再用另一束光脉冲“熄灭”一部分荧光，保证在这个范围内发光的只是部分特定分子。

“就像用橡皮擦去粗线条的周边，就能得到更细的笔画。”朱艳英说，利用这个方法，就可以突破“衍射极限”，保证0.2微米内仅有部分特定分子发光，观测到的也就是这部分发光分子的运动轨迹。

2000年，黑尔成功搭建出STED显微镜。使用两束激光聚焦于样品并连续扫描、测量荧光信号，就能够获得一张综合的图像。每次扫描时有效发光的荧光分子区域越小，最终图像的分辨率就越高。

而贝齐格和莫纳则另辟蹊径，通过单分子显微技术实现了同样的超分辨效果。这种方法的关键是能打开和关闭单个分子的荧光。他们对同一区域多次成像，每次只让几个零散的分子发出荧光，再将得到的图像叠加在一起，就得到了一幅分辨率在纳米尺度的超稠密的图像。2006年，贝齐格首次将这种技术投入实际运用。

刷新人类对自我世界的认知

三位科学家的成果将显微技术带入“纳米”领域，人类可以在各自专业中研究生命的最微小组成部分。

“目前最好的成像分辨率能达到10纳米以下，”朱艳英介绍，光的波长约500纳米，而最好的光学显微镜也只能分辨它的一半，即250纳米，它可以看见一个细菌，但也只是一个“点”而已。而运用纳米显微技术，光学分辨率可提高百倍，能看到2.5纳米——一个蛋白质分子的一半大小。

“理论上讲，如今没有什么物质结构小得无法研究。”朱艳英表示，新技术可以在生物、化学、医学等多个学科进行广泛应用。

利用分子的荧光，科学家们可以监测细胞内部分子之间的相互作用和运动规律，也可以观察与疾病相关的蛋白质聚合现象，在纳米世界里追踪细胞的分裂。朱艳英说，由此，人类可以看见几万种生命物质是如何靠近、结合并相互作用的，为疾病研究和药物研发带来革命性变化。

“纳米显微技术已经开始在各个领域大显身手，将对生命科学产生重大意义。”朱艳英表示，可以预见未来生命科学领域内的许多重大成果，都将基于纳米尺度的观测技术。
今后，科学家们就能在显微镜下看到生物细胞内纳米级别粒子运动的情况，例如可以看到微小的粒子是如何在神经元细胞之间进行信息传递的；也可以看到那些与衰老相关的神经退行性疾病（如阿尔兹海默氏症、帕金森病、亨廷顿病等）患者体内的蛋白质变化；还能跟踪胚胎分裂时单个蛋白质分子的运动轨迹。这些都将有助于人们进一步了解这些疾病的形成机理，以帮助生物医学专家进行相关药物研发。

这些在前人看来几乎是天方夜谭的研究，正在不断刷新着人类对自我和世界的认知。