超越阿贝极限

  ・方舟子・

  光是一种波,波的传播遇到障碍物的时候,会绕弯,发生衍射。障碍物不一定是物体,也可以是一条狭缝,大家回忆一下,在中学物理课上介绍过光的狭缝衍射:一束光穿过狭缝时,由于传播受到限制,就会发生衍射,除了中间一条亮条纹,两侧还出现了一系列明暗相间的条纹。现在设想狭缝变成了一个小孔,这样光的传播在各个方向上都受到限制,通过小孔后,会在中间出现一个亮斑,周围是明暗相间的环。英国天文学家艾里在1835年最早解释了这个现象,这个亮斑就被叫做艾里斑。

  为什么一个天文学家会去研究这个问题呢?天文观测要用到望远镜,望远镜是凸透镜,光线通过凸透镜后聚焦在某一点上。凸透镜有一定的口径,这样光线在透过它时也会受到限制,就会出现艾里斑。艾里斑的直径大小,和光波波长、焦距成正比,和透镜口径成反比。透镜口径越大,艾里斑越小,但透镜口径不可能无限大,所以即使是一个几何意义上的无限小的点,通过透镜后,也会变成一个有一定大小的光斑。艾里斑影响了望远镜的分辨率。

  显微镜用的也是凸透镜,光线透过它也会产生艾里斑,我们通过显微镜看到的一个点,其实是一个光斑。如果观察的两个点离得比较远,我们还能分辨得出。但是如果两个点靠得非常近,近到它们产生的艾里斑重叠在一起,我们就分不清是两个点了,而只是看到模糊的一团。所以艾里斑也决定了显微镜的分辨极限。1873年,德国物理学家阿贝发现了显微镜分辨极限的公式,被叫做阿贝极限。它大约等于光波波长的一半。可见光中波长最短的紫光的波长大约是400纳米,阿贝极限也就是大约200纳米。也就是说,如果两个点的距离达到200纳米,用光学显微镜就分辨不出了。这大约相当于放大1500倍。这就是光学显微镜的分辨极限。

  但是病毒、生物大分子的尺度都小于200纳米,光学显微镜没法看到它们。要突破光学显微镜的极限,就要使用比可见光波长还短的波来观测,例如紫外线、X射线,还有电子束。没错,电子束也能形成波,只不过波长极短,这使得电子显微镜的分辨率能够达到0.2纳米,放大上百万倍。但是电子显微镜有一些缺点,限制了它的使用。例如,样本必须切得非常薄,放在真空中观察,这就没法用来观察活的样本了。

  有没有可能让光学显微镜绕开阿贝极限,观察到比200纳米还小的物体呢?荧光显微镜的出现让这成为可能。荧光显微镜是给样本带上荧光标记(例如使用荧光染料或荧光蛋白),然后观测它发出的荧光。荧光是荧光物质在吸收了光线传递给它的能量之后,受激发发出的光。我们可以控制荧光分子发光和不发光。这个特点很有用。

  打一个比方。有4个点排成一条直线,每两点之间的距离是200纳米,用光学显微镜是分辨不清的。我们给这4个点带上荧光标记,但是每次只让一个点发光,拍摄下来,把4次拍摄的结果重叠起来,就可以获得这4个点的显微图像。我们也可以先让第1个点和第3个点发光、拍摄,由于两点之间距离400纳米,可以分辨得清;然后再让第2个点和第4个点发光、拍摄,它们之间的距离也超过阿贝极限,也可以分辨得清。把两次拍摄结果重叠,也可以获得4个点的显微图像。

  这两种方法其实都是巧妙地用时间来换取空间,一次性观察不到的,就分多次观察,再拼凑出完整的图像。这样就可以绕开阿贝极限。今年诺贝尔化学奖颁发给超分辨率荧光显微镜的发明者,以表彰他们让光学显微镜绕过阿贝极限,让分辨率达到纳米级别。他们采用的,就是类似上述的方法。

  这个发明其实和化学关系不大,它对生物医学的研究意义重大。它让人们能够观察到活生生的纳米级别的生命现象。就在诺贝尔化学奖宣布的同一天,美国《科学》杂志发表了一篇论文,用超分辨率荧光显微镜看到了艾滋病病毒是如何入侵T细胞的。假如诺贝尔奖让我来发,我会发给这个发明生理学奖。

  2014.10.15

(XYS20141021)

This site is supported by ebookdiy.com.

Be the first to comment

Leave a Reply