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- 540期－諾貝爾獎特別報導（12月號）
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2014-12-01顯微鏡變顯「奈」鏡了！
540 期
Author 作者
林宮玄／任職中央研究院物理研究所。
在十七世紀光學顯微鏡發明後，微米（10-6公尺）大小的細胞映在人類眼前，開啟了微生物學。1873年，恩斯特．阿貝（Ernst Abbe）證明了光學顯微鏡的解析度只能達到光波長的二分之一左右，稱為阿貝繞射極限（Abbe diffraction limit）。人類所能看到的光波長在400奈米（10-9公尺）到700奈米左右，因此200奈米或0.2微米一直是一般光學顯微鏡解析度無法突破的瓶頸。
如圖一所示，在光學顯微鏡發明後的幾百年間，微米左右的物體一直是人類所能觀察到的最小尺度。「微」這個字，被用來形容非常小的物體。顯微鏡的英文為microscope，而微米的英文為micrometer。直到二十世紀初電子顯微鏡（electron microscope）的問世，人類才開始看到奈米大小的物體。之後英文多了一個新名詞nanoscope，強調該儀器能看到nanometer（奈米）等級的物體，但是「顯奈鏡」這個名詞在中文並沒有被廣泛使用。現今，「顯微鏡」這個名詞不管是中文還是英文，已不代表只能看見微米尺度的儀器。顯微鏡的功用是將微小物體的影像放大，使肉眼能夠看見。不過生活用語中的顯微鏡，仍大多指光學顯微鏡。
圖一：生物體的尺度圖及一般儀器能看到的物體大小。
既然電子顯微鏡的解析度能看到奈米物體，為什麼一般光學顯微鏡仍是生命科學領域重要的研究工具呢？主要原因在於電子顯微鏡只能觀察經過冷凍切片處理的生物樣品。換言之，樣品是死的。原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）也是擁有奈米解析度的儀器，目前已發展到可觀察水中的活細胞。然而原子力顯微鏡只能觀察到樣品表面的形貌，無法看到細胞內部的構造。雖然一般光學顯微鏡的解析度遠比電子顯微鏡與原子力顯微鏡解析度差，但是具有觀察活細胞內部構造隨時間變化的優勢。因此，光學顯微鏡至今仍是研究生命科學很普遍的利器。
超解析螢光顯微鏡（super-resolution fluorescence microscope）的發明出現了新契機。所謂「超解析」的意思是突破阿貝繞射極限，讓解析度進入幾十奈米，使科學家可以觀察活細胞內奈米物體的變化，譬如研究分子如何在腦內神經細胞之間形成突觸。2014年，瑞典皇家科學院將諾貝爾化學獎頒給了美國霍華德休斯醫學研究所（Howard Hughes Medical Institute）的艾力克．貝吉格（Eric Betzig）、德國馬克斯．普朗克生物物理化學研究所（Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）的斯特凡．赫勒（Stefan Walter Hell），以及美國史丹福大學（Stanford University）的威廉．莫厄納（William Esco Moerner）三人，表揚他們將光學顯微鏡帶到奈米世界的貢獻。
與阿貝繞射極限的直接對抗
阿貝繞射極限（Abbe diffraction limit）證明了一般光學顯微鏡的解析度，物理上只能達到光波長的二分之一左右。然而，科學家們仍然想盡各種辦法希望能夠突破阿貝繞射極限，直接看到超高解析度光學影像。近場光學掃瞄顯微鏡（near-field scanning optical microscope, NSOM）是其中一個直接的方法，其原理與原子力顯微鏡很類似，利用光纖當作針尖，以非常靠近待測物表面至幾個奈米的距離，掃描待測物的光訊號。雖然近場光學顯微鏡可利用微小的針尖達到20奈米解析度，但是針尖愈小，收光效率愈差，在生物影像應用上沒有得到好的成效。
另一方面，如果對於照明光源的物理特性瞭若指掌，也可藉由數學分析，得到超解析光學影像。 ……【更多內容請閱讀科學月刊第540期】