200 奈米!
普通光学显微镜利用可见光和玻璃透镜成像,无法显示小于约 200 纳米(即 0.2 微米)的细节。纳米是十亿分之一米,微米是百万分之一米。这个极限来自光作为波的性质,是一个近似值。
这个极限指的是分辨率:显微镜仍能将两个点区分开来的最短距离。距离小于这个值的两个点会模糊成一个。这个极限与放大倍数无关。超过约 1000 倍后,继续放大图像只会让它变大,却不会显示更多细节。
1873 年,显微镜学家恩斯特·阿贝发表了一个公式,说明分辨率取决于光的波长。在最理想的情况下,分辨率约为波长的一半。一种常见算法是用波长除以数值孔径的两倍;数值孔径衡量的是透镜聚光能力的大小。
最好的透镜通过一滴油观察,数值孔径可达约 1.4。用波长为 550 纳米的绿光时,它们能分辨相距约 0.2 微米的细节。用波长为 700 纳米的红光时,同样的计算方式得出的极限更粗;而用紫光时,极限则更精细。
这一极限限制的是细节,而不是能否探测到东西本身。只要一个发光分子与其他发光分子的距离超过 0.2 微米,它就能在普通显微镜下显示为一个光点。这个光点会模糊成与极限相当的大小,因此只能显示分子的位置,却看不出它的形状。
波长越短,能分辨的细节就越精细。使用近紫外光的显微镜比使用可见光的显微镜能分辨更小的细节。电子显微镜则远远超越了这一水平:它们所用的电子表现为波长约 0.005 纳米的波,远短于光的波长。
在 20 世纪的大部分时间里,科学家们一直认为光学显微镜永远无法显示小于约 0.2 微米的东西。斯特凡·黑尔于 1994 年提出了一种绕开这一极限的方法,并在 2000 年证明了它切实可行。他的方法先用一束光脉冲使分子发光,再用第二束环形激光关闭除极小光斑以外所有分子的荧光。
W. E. 莫尔纳和埃里克·白兹格开发了另一种方法:每次只让少数几个分子发光,再将许多图像叠加合成。三人因“发展超分辨率荧光显微技术”共享了 2014 年诺贝尔化学奖。用负责颁奖的瑞典皇家科学院的话说,他们的工作让“显微技术变成了纳米显微技术”。