诺奖得主Stefan Hell：我是如何研制出超分辨率的荧光显微镜的

嘉宾简介：Stefan Hell是马克斯·普朗克生物物理化学研究所的所长，2014年因研制出超分辨率荧光显微镜，与另外两位科学家一起获得了诺贝尔化学奖。他介绍了超分辨率荧光显微镜的研究过程与自己从学习基础物理到最后获得诺贝尔奖的一些经历。 

Stefan Hell：太感谢了，很高兴邀请我参加这个活动。这是我在得到诺贝尔奖之后第一次来中国，所以变得尤其的不同。

科学和技术的革命对于人类的作用是巨大的。我记得还在学校的时候学到的都是一些很简单的东西，当时我们都用显微镜去观测，其实在17世纪，当时有了显微镜之后，打开了人的视野。在17世纪以后，我们才发现所有的生物都是由细胞构成的。我们可以通过显微镜来观测细胞内的机制，但是我们说到这种简单的显微镜它的显像率非常低，如果想看病毒需要微显微镜。在20世纪中期，微型显微镜的出现进一步带来了很多的发现，比如说我们讲小分子、细菌，都可以通过进一步改进的显微镜让我们看得更清楚。也有一系列的诺贝尔奖是跟这方面的发现有关的，答案非常的简单，这种电显微镜让我们可以看到更仔细的物质，我们想看到里面的这种活性的机制，你需要3D，你想看到显微镜下活着的结构我们就需要用光显微镜。因为光是唯一的一个能够让我们看到活的组织它里面的状态。对于像我这样的物理学家，我们要重新解决显微镜的成像率的问题，这样我们才能够更清晰地看到活的生物组织里面的东西，只有这样我们才能看到包括像蛋白质，以及其它的结构。

这里我们出现了超分辨率的荧光显微镜，这个其实说实话没有那么难。其实到最后只是个镜头的问题，我们使用了这样的一个镜头，我们用光来照明这个样本，比如说有很多的点，比如说是分子。那么今天我们用比如说激光，我们要让光能够聚焦到观测点，比如说一个分子上。但是由于光传播的时候像波，这个我们在学校已经学了。这时候要把所有的光聚集在一点的话会形成一个光点，这时候所有的分子就在这个光圈里面，比如说200微米同时被照亮，因为这个光点照亮之后非常大，那么这200个分子可能都被照亮了。那么这些分子都会产生信号，它都会被点亮。那么如果我们想收集这个光，通过镜头来收集的话，那么每一个分子它返回来的时候也会产生一个光圈，返还到观察者的眼睛里，这时候就变得更模糊了，这里同时有这么多个分子，在反射回来这种光，这时候你在观察的时候不管观察员是谁，是眼睛、是电子，甚至这个世界上最好的镜头、照相机，这里面的内容太多了，所以你没有办法区分一个分子和其它的分子。所以我们做不到分子层面的区分。这个问题是由这个先生发现的，19世纪末的几位德国的先生。这时候他搞了一个衍射边界，叫做Diffraction boundary，这个等式在这个PPT上面，他说不可能有更高分辨率了，D就是200纳米，不可以比这个有更好的分辨率了，这个等式的发现很重要。这是在德国维也纳的纪念馆上，这里印了他发现的等式，似乎是写在石头上的，不可改变的。在今天所有讲光学、物理学、甚至讲生命科学，都有公式，似乎就是一个不可改变的公式。

那么后来我回头检视这个公式，这是我们发现到目前为止能够实现的最高分辨率的照片，你可以看到细胞内的精细的结构，但是你可以看到很明显它不是那么清晰的，它也很模糊，后来我想了一个办法，叫STED的方法。其实我们可以看得更清晰，然后带来以下几个结果，第一个就是当时我见到了第一位北欧的国王，是挪威的国王，给我颁发了卡弗里奖，六周之后我接到了他的电话，是瑞典的一个国王，给我发了诺贝尔奖，当时颁奖之后有非常好的宴会，食物非常好吃，还有非常棒的伙伴坐在我边上。其实在我人生之初我没有看到这样的一个人生走向，因为从我的人生成长背景来说不应该有这样的发现，因为我是罗马尼亚农村长大的孩子，13岁以前我都不知道，那时候的生活很不容易，到13岁我意识到要去西方世界寻找更好的生活，所以当时我说服了我的父母离开罗马尼亚，搬到了西德居住。当年西德有非常大方的移民政策，所以1978年打包我们的行李，当年我们的行李好多都是中国制造，因为当年我们跟中国的关系特别好。后来移民到了海德堡，我是在海德堡学基础物理，主要学物理的一些基本原理，搞清楚自然界的一些规律。但是当时我又做了一个决定，我做博士论文的时候有点失去勇气了，他们说你如果做基础科学到最后只能当出租车司机，干不了别的。所以当时我决定加入一个我的教授创立了一家公司，当年电脑芯片都是IBM的芯片，通过这种芯片观察小的微小的结构，当时我很沮丧，因为学物理的初衷不是做这个事情。当时觉得19世纪的物理学跟现在的光学显微镜没有太大的关系。我们发现一个显微镜的问题，需要我去改善，所以我希望打破这个衍射的边界，如果能打破这个边界我就会很厉害，所以我想说服我的教授让他们给我提供一个博士后的奖学金。

后来我去了芬兰，芬兰有一个人说我有一家公司，你可以来我的公司工作，一边给我工作，一边研究你的项目。所以到了1993年，这个已经跟我后面得诺贝尔奖有关了，当时我说的这个难题，就是这么多的分子都会同时被照亮，会造成混乱。这些绿色的信号，我说能不能用一束光，能把这些噪音信号关掉？哪怕把其中一部分关掉，那么我作为物理学家我知道怎么样把这些信号灭活，所以我决定用不同的波长可以把这些构成干扰的信号关掉，那么就使最中间的分子，只有它把信号传过来。最后我们只留一个分子的信号，后来我写了一篇论文，当时没有人相信我的道理，但是后来我花了三到四年的时间才说服他们，当时就是马克斯·普朗克研究院，他们认可了我的想法，决定给我五年的时间证明我的观点，如果不行我就得放弃，所以我又回到了德国，这是我们实验的结果。这是当年在现有技术下最好的结果，这是基于STED的解决之后变得最好，我确实证明了我的方法是可以的，大家看这个成像率的边界被我们打破了。现在我们可以看到细胞内的细节了，大家看在这个部分，有这个核液，之前跟之后的，非常漂亮的对称。原来的光学显微镜之下也是看不清楚的。

过去，我们是不知道它可以的，我只是写了一个提案。当时我们要做非常复杂的实验，最初的实验是这样的复杂，为了达到实验的目的很复杂，但是时间在发展、技术在进步，我们对这个现象的理解更好了。今天我们需要把所有的硬件放在一个很小的盒子里，像今天做商用级别的显微镜是这样的，现在更小了，它可以提高清晰度，所以我决定跟我的学生创立一家公司做商用。现在我们可以把这个盒子放在任何的光显微镜下，加在你现有的光显微镜上，可以提高它的清晰度。按一键就可以达到这种效果，能够达到这种清晰度照片的公司，已经放在了诺贝尔的网站上，我们极大的提高了清晰度的阈值。那么它的应用前景是非常广的，大家可以想象我们可以有新的发现，由于我们清晰度的提高，我们做基因研究、做生命医学方面，可以让研究人员看到更细致的分子层面的动态，甚至包括神经科学也会从中得益。那么要想让神经科学家有所发现，工欲善其事，必先利其器。现在可以把这个盒子放在任何的显微镜上，我们创立了一家公司，可以说是从科学发现到商用的非常好的关系，我们是一两年前在德国建的公司，我们在瑞士也成立了一个姐妹公司，在美国也成立了公司。

我为什么来这里呢？是因为两天前我们公司和蔡司觉得在中国成立合资公司，很快中国任何一家实验室里，都会有这种高清晰度的显微镜。我真心的希望未来的中国科学家会因为我的这个发现而使得你们的研究工作如虎添翼。非常感谢。