德國未來獎新得主黑爾

德國耶拿的現代顯微學鼻祖阿貝教授1873年曾說，「一台顯微鏡能清晰放大的只是尺寸大於光波波長一半的物體，也就是說至少大於5000分之一毫米。小於這個尺寸的物體在顯微鏡下依舊是模糊不清的」，「顯微過程中，光需要經過透鏡的折射。這一點限制了它的解析度。我就此的公式每本教科書裡都有。」

2006年，德國馬普協會生物物理化學研究所所長黑爾教授說，「我的直覺告訴我，這裡可能有東西可挖」，「假如你很有興趣瞭解造成極限的根本原因的話，那麼你也就學到了繞過極限的途徑。」

黑爾就成功地繞過了阿貝公式所規定的極限。他的光學顯微鏡就可以清晰地顯示小於5000分之一毫米的物體，一絲都不模糊。黑爾非常自豪地向記者展示他的實驗裝置。他和所有工作人員一樣，在進實驗室之前，先在更衣室裡換上白色的專用拖鞋，外人則必須在鞋上套上塑料套袋，然後再魚貫地穿過狹窄的轉門。黑爾介紹說：「這個轉門是隔離門，隔離光的門，為的是防止外面的光線洩漏進來，保持實驗室的暗室條件。如果不設這道防線，假如有人開門，光線就會進來，就會影響測量結果。」

實驗室裡漆黑一團，而且除了空調以外，四處鴉雀無聲。只有兩台計算機屏幕在實驗室的一個角落裡泛泛發光。一張撞球桌大小的實驗台幾乎佔據了整個空間，上面分佈著二十來個光學零件，透鏡、反光鏡、光圈，十足一個光學迷宮。實驗台的一端放著一台雷射發生器。黑爾介紹說：「我們在這裡也想瞭解的是純粹的物理原理。這只能依靠開放式的系統來做，因為做光學實驗的時候必須你可以直接看到，假如在某一處做些變動，其它地方會發生什麼變化。透鏡也好、反光鏡也好、還是後面那台雷射發生器也好，利用由單獨的光學組件組裝起來的系統進行這樣的研究最合適。」

幾十年來廣泛應用於生物研究領域的顯微方法是熒光顯微法。黑爾及其同事也是在這個方法的基礎上進行改進的。熒光顯微法的工作原理是把熒光分子附著在希望觀察的物質上，比如說一個細胞的蛋白質上作為標記。在光的輻照下，這些熒光物質就會發光，顯示出蛋白質的所在位置，使生物學家們可以跟蹤研究生物的活動機制。但是一般的熒光顯微鏡只能分辨200納米以上的物體，200納米以下物體的圖像就模糊不清，直到黑爾教授某一天的靈感突發，想到一個竅門：熒光分子可以被激發，那為什麼不可以被激滅呢？為此，他需要兩種不同的雷射脈沖。

黑爾介紹說：「比如說我們使用藍色雷射，用來激發熒光，因為藍色雷射的能量大。那麼激滅熒光呢，就用能量小的雷射，比如說黃色雷射。然後，我們再把激滅光覆蓋到激發光上。這個物鏡就是負責把兩束光匯集到一起的，一束是正常聚焦的藍色的激發光，另一束是這個環狀的黃色的激滅光。兩束光這樣一疊加，光環中間就只留下極小一塊的熒光分子可以繼續發光，等於是提高了放大倍數。而且，從理論上來說，我們還可以任意縮小這個熒光光斑。這就是我們突破極限的新意所在。」

簡單來說，就是藍色的熒光光斑是原來的解析度，也就是還可以清晰顯示的部分，減去黃色的熒光光環部分，就是改進後的光斑，當然要比原來的光斑小得多。光斑越小，解析度就越大，也就是放大倍數越大。黑爾他們的顯微鏡已經能夠清晰地顯示20納米的細胞內部細節了。雖然電子顯微鏡或者掃描探針顯微鏡等其它現代顯微手段也可以達到這個解析度，但這些手段是破壞性的，觀察之後，細胞定死無疑，而在熒光顯微鏡下，細胞照活不誤，這也是目前觀察活細胞的唯一手段。比如說，科學家們可以利用這一手段觀察病毒是如何侵犯細胞的、藥物是怎樣發揮作用的、傳遞物質又是怎樣從一個神經細胞到達另一個神經細胞的。黑爾介紹說：「這些傳遞物質含在囊泡裡。囊泡大約有40納米大小，也就是說非常、非常地微小。囊泡把傳遞物質運輸到神經細胞的突觸後根據指令將其釋放。利用我們的新型熒光顯微鏡，人們首次觀察到負責這一過程的蛋白質會構成一定的圖形。」

如今，在生物醫學基礎研究領域，80%的顯微分析都是應用熒光顯微鏡的，因此，黑爾他們開發的新型高解析度熒光顯微鏡自然引起人們極大的興趣。這種新型儀器將由位於德國曼海姆的萊卡微系統公司(Leica Microsystems)負責在全球獨家推銷，價格大約在85萬歐元。按計劃，2007年秋，這種新型光學顯微鏡將進入系列生產，主要客戶將是德國和美國的尖端科研機構。