※ 引述《popoallan ()》之銘言：
: ※註:有電視或媒體有報導者，請勿使用爆卦! 違者視為新聞篇數 超貼新聞劣退
: 三人得獎
: Eric Betzig
: Janelia Farm Research Campus, Howard Hughes Medical Institute, Ashburn, VA,
: USA,
: Stefan W. Hell
: Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, and German Cancer
: Research Center, Heidelberg, Germany
: and
: William E. Moerner
: Stanford University, Stanford, CA, USA
: 研究貢獻就是螢光顯微技術的超級解析技術 進而突破光學顯微鏡的侷限性
: for the development of super-resolved fluorescence microscopy
: surpassing the limitations of the light microscope
2014年諾貝爾獎簡介 蔡蘊明譯
於2014年 十月九日
(歡迎轉載，但請引述本網址 http://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2014.html )
本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿，原文可自以下官方網站取得：
http://ppt.cc/wYth
若有興趣閱讀進階的資料，請由下列網址取得：
http://ppt.cc/Q9UN
*特別感謝現於美國德州農工大學攻讀博士的曹一允(我2008年的專題生)熱血相挺，幫我
將圖片中文化；另外感謝現於本系李弘文教授實驗室，攻讀碩士學位的林宇軒幫我校稿。
多年來幫我將譯文置於台大化學系網頁的黃俊輝先生業已退休，感謝接替他的蔡明軒幫忙
。
【如何將光學顯微鏡變成奈米顯微鏡】
艾瑞克･貝齊格(Eric Betzig)，史蒂芬･海爾(Stefan W. Hell)以及威廉･莫納
(William E. Moerner)等三人得到了2014年的諾貝爾化學獎，這是因為他們越過了一個科
學上設想的限制，也就是一個光學顯微鏡永遠無法超越0.2微米的解析度規格。利用分子
的螢光，科學家現在可以監看在細胞內部分子之間的相互作用；他們可以觀察與疾病相關
的蛋白質之聚集，也可以在奈米的尺度裡追蹤細胞的分裂。
紅血球細胞、細菌、酵母菌細胞以及游動精子：當科學家在十七世紀第一次開始在顯微鏡
下研究活體組織時，一個新的世界在他們的眼前打開。這是微生物學出世之際，從此之後
，光學顯微鏡成為生命科學家工具箱裡面最重要的工具之一。其它的顯微鏡術，例如電子
顯微鏡，其所需的準備方法最終會殺死細胞。
【發亮的分子越過了物理的屏障】
然而，有一段很長的時間，光學顯微鏡被一個物理的屏障所阻礙，限制了所能解析的結構
大小。在1873年，顯微鏡學家恩斯特･阿貝(Ernst Abbe)發表了一個方程式，證明了光學
顯微鏡的解析度是如何受到光的波長，以及一些其它的因素所限制。因此這導致科學家們
，在二十世紀的大半時間裡，相信光學顯微鏡是永遠無法用來觀察那些比所用的光之波長
的一半還小的物體，也就是0.2微米(200奈米；微米 = 10- 6 米 = 103奈米) (圖一)。細
胞裡一些胞器的輪廓，例如細胞的發電機粒線體，雖可以看到，但是幾乎不可能分辨更小
的物體，因此譬如想要追蹤細胞裡蛋白質分子之間的相互作用，就無法做到，這好比能看
到一個城市的建築物，但卻無法看出市民如何的生活，和如何為其生存而努力。為了瞭解
一個細胞如何的運作，你必須能追蹤個別的分子如何的工作。
http://ppt.cc/Ew5x
圖一 在十九世紀末葉，恩斯特･阿貝(Ernst Abbe)定義了光學顯微鏡的解析度約為光波
長的一半，差不多是0.2微米(200奈米)，這意味著科學家能夠區別一個完整的細胞以及一
些細胞內的胞器，不過他們將永遠無法分辨小到如一個正常大小的病毒，或是一個單一的
蛋白質分子。
阿貝的方程式仍然成立，但儘管如此仍被越過。艾瑞克･貝齊格，史蒂芬･海爾以及威廉
･莫納等三人之所以獲得2014年的諾貝爾化學獎，就是因為他們利用螢光分子，將光學顯
微鏡帶進了另一個境界。理論上，不再存在有太小而無法觀察的結構。就結果而言，光學
顯微鏡變成了奈米顯微鏡。
如何規避阿貝繞射極限的故事，要分成兩條路線來說；兩個基於不同的原理所各自獨立發
展出的方法，都獲得成功。讓我們回溯到1993年，在芬蘭西南部的一個學生公寓裡，史蒂
芬･海爾在翻閱一本量子光學的教科書時，得到了一個很棒的點子。
【對阿貝繞射極限的青春叛逆面對了懷疑】
自從海爾在1990年從德國海德堡大學取得博士學位之後，他就一直在尋找方法，來規避阿
貝在超過一個世紀以前所訂下的限制。挑戰一個已經建立的理論，這樣的想法雖很誘人，
但是在德國的資深科學家們，用懷疑面對了他的熱情，導致了海爾往寒冷的北方尋找庇護
所。一位在芬蘭特爾庫(Turku)大學研究螢光顯微鏡術的教授，給了海爾在其研究小組工
作的一個職位。海爾相信一定有一個機會能夠克服阿貝的繞射極限，而當他讀到那本量子
光學課本裡面“受激放射”的字語時，在他的腦海裡浮現了一個新的想法：“在那個瞬間
，曙光在我腦際出現，我終於找到一個實際的觀念來追求 ─ 一條真正的線索。”這是他
於2009年自己的說明 ─ 讓我們進入他的想法一探究竟。
【解答：用一個奈米大小的手電筒掃描樣品】
在特爾庫大學，海爾在進行稱為螢光顯微鏡術的研究，那是一種利用螢光分子來讓細胞顯
像的技術。舉例來說，他們可以使用只專一的與細胞的DNA偶合之螢光抗體，科學家們用
一個短暫的脈衝光來激發抗體，這會讓抗體發亮並持續一個短暫的時間，如果抗體是與
DNA偶合的，它們就會在細胞當中放光，因為DNA是塞在細胞核裡面的。利用這個方法，科
學家們可以看到某些分子的位置，但是他們只能定出一群聚集在一起的分子之位置，例如
一些糾纏在一起的多股DNA，但是因為解析度太低，而無法分辨單股的DNA，這就好像你可
以看到一卷紗線，但卻無法看出紗線是如何纏繞的。
當海爾讀到受激放射時，他體認到應該可以設計一種奈米的手電筒，能夠對著樣品以一次
一個奈米的方式掃描。利用受激放射，科學家們可以將分子的螢光淬滅，當他們將一道雷
射光束照在那些發光的的分子上時，它們會立刻的失去能量而變暗。在1994年，海爾發表
了一篇論文概略說明了他的想法，他規劃的方法稱為受激放射消去法(stimulated
emission depletion，簡稱STED)，利用一道脈衝光將所有的螢光分子激發(開始發光)，
同時利用另一道脈衝光將所有的螢光分子淬滅，但是只有在中間的一個奈米尺度大小的體
積之內除外(圖二)，因此只會取得在這個體積之內的螢光。透過對樣品的掃描以及同時對
光線強度的測量，就可以取得一張清楚的圖像。每一次被容許放出螢光的體積愈小，最後
得到的影像解析度就愈高，因此在理論上，光學顯微鏡在解析度方面就不再有限制了。
http://ppt.cc/kw8N (圖二)
【在德國發展頭一個奈米手電筒】
海爾的理論文章並未立刻的激起一場騷動，但是的確有趣到讓海爾在位於哥廷根的馬克斯
･卜蘭克生物物理化學研究所，得到一個職位。在接下來的數年裡，他讓自己的想法開花
結果；他設計了一個STED顯微鏡，於2000年，已經能夠展示真的可以實際的運用他的想法
，其中之一是用來取得一張大腸桿菌的圖像，並具有用光學顯微鏡從來無法達到的解析度
(圖三)。
http://ppt.cc/Q~Ro (圖三)
圖三 由史蒂芬･海爾透過STED顯微鏡，最先所取得的幾個圖像之一。在左邊是一個普通
的光學顯微鏡取得的大腸桿菌圖像，在右邊則是同一個大腸桿菌，用STED顯微鏡照出的結
果，其解析度高了三倍。此圖取自於 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97:8206-8210。
STED顯微鏡從收集一大堆很小的體積所放出的光，然後集合成一張整體的圖像，相對的比
較，另一種原理也得到了成功，那被稱為單分子顯微鏡術，需要將許多張圖像重疊在一起
。艾瑞克･貝齊格與威廉･莫納(大家都用W. E.稱呼他)各自獨立的，以不同的基礎觀念
切入，促成這項技術的發展。這項技術的基礎，是在莫納成功的觀測到一個小的螢光分子
時所奠定。
【W. E. 莫納 ─ 首先觀測到單一的螢光分子】
在大部分的化學方法中，例如量測吸收和螢光，科學家們是同時觀察上百萬的分子，在這
些實驗中所得到的結果，反映的只是一種典型平均化的分子表現，但科學家們不得不接受
這種困境，因為沒有別的可能性。不過有很長的一段時間，他們夢想著能夠量測每一個單
一的分子，因為有愈豐富愈詳盡的資訊，就愈可能去瞭解譬如疾病是如何的發展。
在1989年，莫納成為全球第一位科學家能夠量測單一分子對光的吸收，那是一項具有關鍵
性的成就。當時他正在位於美國加州聖荷西的IBM研究中心工作，那個實驗打開了一扇通
往新未來的大門，並且啟發了許多化學家將注意力轉移到單分子的身上，其中之一就是艾
瑞克･貝齊格，接著會在稍後說明他的成就。
八年之後，莫納朝單分子顯微鏡邁出了第二步，那是運用之前諾貝爾獎在2008年所表彰過
的綠色螢光蛋白質(GFP)。
【分子大小的燈一開一關】
在1997年，莫納進入了在加州大學的聖地牙哥分校，那正是後來獲得諾貝爾桂冠的錢永健
所在的學校，當時錢永健正嘗試要讓GFP放出像彩虹般的各種螢光。這個綠色螢光蛋白質
是從一種螢光水母身上分離出來的，它的好處在於能讓細胞裡面的其它蛋白質顯像。科學
家們先利用基因科技，將綠色螢光蛋白質偶合到其它的蛋白質上，那綠色的螢光就會暴露
出這個被標記的蛋白質位在何處。
莫納發現有一種GFP可隨意點亮或關掉，當他用488奈米波長的光去激發蛋白質的時候，蛋
白質就開始發出螢光，但一個短暫的時間之後就會熄滅，在這之後無論他再用多強的光去
照射這個蛋白質，它也不會發光，不過他後來發現當光的波長改為405奈米時，這個蛋白
質就會恢復生機，當蛋白質重新活化後，它又會放出488奈米波長的螢光。
莫納將這些可被激發的蛋白質均勻的散佈在一個膠質內，讓每個蛋白質之間的距離大於
0.2微米的阿貝繞射極限，因為它們稀疏的散開來，一個普通的光學顯微鏡就可以區辨每
一個發亮的分子 ─ 它們就好像一堆具有開關的小燈泡，這項結果發表在1997年的“自然
”期刊上。
透過這個發現，莫納展示了可以透過光學的方式，控制單一分子們的螢光，這解決了一個
貝齊格在兩年之前所想到的問題。
【對學術感到疲乏 ─ 但仍爲阿貝的繞射極限而著迷】
與海爾一樣，貝齊格也爲了越過阿貝繞射極限的想法而著迷。在1990年代初期，他正在美
國紐澤西州的貝爾實驗室，研究一種新的光學顯微鏡術，稱為近場顯微鏡術。在此法中，
光線是從一個非常薄的尖端所釋出，這個尖端與樣品之間的距離只有幾個奈米，雖然這種
顯微鏡術也可以克服阿貝繞射極限，但是此法具有一些主要的弱點，舉例來說，因為放出
的光範圍太短(只能深入約一百奈米)，以至於無法看到細胞表面之下的結構。
貝齊格在1995年得到一個結論，那就是近場顯微鏡術無法更進一步的改善，此外他在學術
界感覺不太自在，因此決定結束他的研究生涯；即便不知下一步要何去何從，他毅然辭職
，但是阿貝繞射極限仍在他的心中。步行在一個寒冷的冬天裡，他想到了一個新的點子；
是否可能用具有不同性質的分子，那些發出不同顏色之螢光的分子，來克服阿貝繞射極限
？
貝齊格已經能用近場顯微鏡術觀測到單分子的螢光，與許多人一樣，貝齊格受到莫納的啟
發，他開始仔細考慮，如果使用幾種會放出不同螢光的分子，例如紅色、黃色和綠色，是
否可以利用普通的光學顯微鏡得到相同的解析度。他的點子是讓顯微鏡每一次用不同顏色
的光來記錄影像，如果同一種顏色的分子都是均勻的散佈，而且相互之間的距離大於阿貝
繞射極限的規範，它們的位置將可精確的決定。接著當這些影像重疊起來時，完整的圖像
將具有遠超過阿貝繞射極限的解析度，紅色、黃色和綠色的分子雖然相互的距離只不過幾
個奈米，但仍能區別，如此就能克服阿貝繞射極限。不過，仍有一些實際的困難，例如缺
乏那些具有不同光學性質之分子，其差異要大到足以相互區別。
在1995年，貝齊格在 Optical Letters 這份期刊上發表了上述想法之理論，隨即離開了
學術界，並進入了他父親開的公司。
【被綠色螢光蛋白質引誘回到顯微鏡術】
貝齊格完全的脫離學術界，已經有許多年了，但是有一天，一個對科學的渴望突然又復甦
了。回顧科學文獻時，他第一次看到綠色螢光蛋白質的論文，體認到有一個蛋白質，能讓
其它的蛋白質在細胞內顯像，活化了貝齊格對如何克服阿貝繞射極限的想法。
真正的突破發生在2005年，當時他偶然發現到那種可以隨意活化的螢光蛋白質，很類似那
些莫納在1997年，於單分子的層次所觀察到的螢光蛋白質。貝齊格知道，這個分子正是可
以實現他在十年前所想到的那個主意，所需要的工具。這種螢光分子並不需要具有不同的
顏色，它們還是可以在不同的時間發出螢光。
【藉著影像的重疊超越阿貝繞射極限】
只不過一年之後，與研究可激發螢光蛋白質的科學家合作，貝齊格展示了他的想法的確可
以付諸實現。在一些例子當中，他們將會發光的蛋白質接在溶體(lysosome)的膜上面，溶
體是細胞裡的回收站，現在用一道脈衝光來激發出蛋白質的螢光，因為使用的脈衝很弱，
所以只能讓部分的分子開始發出螢光，由於它們的數目很少，幾乎所有發光分子之間的距
離均大於0.2微米的阿貝繞射極限，因此每一個發光的蛋白質之位置都可以在顯微鏡下登
錄。一會兒之後，當螢光消失時，他們重新激發另一組蛋白質，同樣的，使用的脈衝弱到
只能讓部分的分子發出螢光，同時這一組圖像被登錄下來，這個步驟一直不斷的重複。
http://ppt.cc/gHt2
當貝齊格將所有的影像重疊起來時，得到了一張溶體膜的超高解析圖像，它的解析度遠遠
的超過了阿貝繞射極限。接著，貝齊格將這一份開創性的工作，於2006年發表在“科學”
期刊上。
http://ppt.cc/ChpH 圖五
圖五 中間的圖是溶體(lysosome)膜的圖像，這是貝齊格用單分子顯微鏡，最初所取得的
幾個圖像之一。在左邊是相同的圖，但是用傳統的顯微鏡所取得的。在右邊則是將膜的圖
像放大，請注意此圖的尺度是0.2微米，等同於阿貝繞射極限，其解析度改進了許多倍。
此圖取自於 Science 313:1642-1645。
【這幾位得獎者仍企圖在描繪生命最深層的奧秘】
這些由艾瑞克･貝齊格，史蒂芬･海爾以及威廉･莫納等三人所開發的方法，發展出了幾
個現在爲全世界各地所使用的奈米顯微鏡技術。這三位得獎者仍然活躍在這個不僅龐大，
而且一直在增長的科學社群中，將創新的矛頭對著奈米顯微鏡術的領域，當他們將功能強
大的奈米顯微鏡瞄準在生命中最小的零件時，他們也同時取得了最尖端的知識。史蒂芬･
海爾爲了對腦突觸有更好的瞭解，窺探了活的神經細胞內部；威廉･莫納研究了與杭丁頓
氏症(舞蹈症)有關的蛋白質；艾瑞克･貝齊格追蹤了在胚胎中細胞的分裂，這些只是眾多
例子當中的幾個。有一件事情是肯定的，2014年的諾貝爾化學桂冠得主們，對發展人類最
重要的知識，已經奠定了基石。