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2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克·贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）和W·E·莫纳（W. E. Moerner），以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微技术做出的卓越贡献，这一技术的最主要的价值在于使光学成像分辨率达到纳米尺寸，生物学家从此可以观察到活细胞在纳米尺度下的活动。至于为什么会给他们颁发化学奖，我们从得主之一，E. Betzig的故事来慢慢讲起。

图1. 2014年诺贝尔化学奖的三位得主，从左到右依次为E. Betzig、S. W. Hell和W. E. Moerner

Betzig是一个纯粹物理学背景的学霸，本科毕业于加州理工学院的物理专业，随着在康奈尔大学获得了硕士和博士学位。他的博士研究课题是关于近场光学显微镜（NSOM），这一技术在上世纪八九十年代很受关注，因为近场光学为突破传统光学的阿贝衍射极限提供了曙光。1987年，Betzig在Appl.Phys. Lett.上发表了他本人第一篇关于NSOM的文章，该工作采用400nm光源实现了大约70nm的分辨率。博士毕业后，Betzig去了贝尔实验室继续研究NSOM，并于1991年和1992年连续发表了两篇Science，其中最高分辨率达到了12nm。

图2. NSOM的结构示意图，以及在不同样品-探针距离下的成像效果[1]

可以看到，Betzig在学术生涯的初期就展现出了极强的实力，但在这个时候他的研究领域仍然是纯物理的。可惜，虽然NSOM可以实现超分辨成像，但是近场光在物体表面（~100nm量级）传播的特征，使得这项技术在很多领域都无法真正应用。由于原理的限制，加上AFM、STM等高分辨技术的蓬勃发展，NSOM的研究在90年代后逐渐熄火。尽管彼时在贝尔实验室工作是一个科学家的荣耀，Betzig本人却因为激情匮乏，辞去了这份工作并退出学术圈，回到了家乡继承父业。

经历这次人生转折后，Betzig再次出现在学术圈，已经是2006年的事情。这十年的时间里，虽然NSOM领域没有太大的进展，然而有两项重要技术却发展迅速：一个是荧光蛋白，另一个则是单分子成像。这两项技术之所以重要，需要提到Betzig的另一篇1995年发表在Opt.Lett.的文章，在这篇文章里他提到使成像对象的不同分子产生不同的光学特征，这样即使图像中的两个分子间距小于分辨极限，也可以根据光学特征的不同将其区分开来，从而实现理论上的分子级别分辨率。然而由于没有合适的材料来标记样品，这个idea仅仅只是个idea。是荧光蛋白研究的成熟，以及对荧光单分子成像的成功展示，让Betzig这个沉寂了十年的idea迎来了真正地机会。

图3. 单分子成像的点扩散函数及其分辨原理[2,3]

为Betzig带来诺贝尔奖的关键工作叫做光激活定位显微技术（PALM），发表在了2006年的Science。简单来说，PLAM技术首先利用荧光蛋白对生物样品进行染色，然后分别拍摄荧光分子光激活和光漂白后的图像，对漂白前后图像中的点扩散函数进行处理，就可以分辨出距离小于衍射极限的两个点。通过不断地激活和漂白，就可以将图像中的荧光点一个一个分辨出来，得到最终的超分辨图像（10nm量级）。PALM最先被提出的时候，完成一次成像需要2~12小时，因此这项技术提出之后，研究重点转移到实现更高分辨率、更快成像速度上面。

图4. PALM技术的原理，及与TIRF技术的成像效果对比[4]

事实上，单分子成像的原理已经解决了PALM最关键的问题——如何对分子进行超高分辨成像，PALM更像是一个将前人研究集大成于一体的技术（包括庄小威的STORM也类似）。回顾这项技术的发明，虽然光物理是实现整个idea的基础，但是荧光分子的发明却是技术能否实现的核心。尤其是这类超分辨技术的进一步优化，都需要依靠材料的创新来实现。所以毫不夸张地说，在任何革命性、创新性技术的发明中，材料创新都是最核心的内容。或许这就是为什么，这项集物理、化学、生物背景于一体的技术，最终获得了诺贝尔化学奖的原因。

----后记----

在Betzig学术生涯大起大落的故事中，我们可以看到，即使是大牛也不一定会有一帆风顺的事业。但是即使在事业的低谷期，人的内心还是要有一些自己坚持的观点或想法，因为或许哪一天这些想法就会真的成为现实。其次，这个故事里我们也看到了材料的重要性，技术的发明或革新都是以材料为基础的，材料的研究实力决定了一个国家、一个社会的科技水平能到达的高度。

参考文献

[1] Science, 1992, 257, 189-195.

[2] PNAS, 2004, 101, 6462-6465.

[3] Science, 2003, 300, 2061-2065.

[4] Science, 2006, 313, 1642-1645.