阿貝極限

阿貝極限

19世紀末,德國物理學家恩斯特·阿貝指出:光學顯微鏡解析度的極限,大約是可見光波長的一半。可見光中波長最短的是藍紫光,其波長在0.4微米左右。因此,如果兩點之間的距離小于0.2微米,我們將無法分辨出這是兩個點。這就是通常所說的"阿貝極限"。阿貝極限使我們無法更加深入地了解微觀世界,例如病毒的直徑通常就在0.02~0.3微米,無法用已有的光學顯微鏡觀察清楚。

  • 中文名稱
    阿貝極限
  • 發表人
    阿貝
  • 發表時間
    1873年

定義

1873年,德國物理學家阿貝發現了顯微鏡分辨極限的公式,被叫做阿貝極限。它大約等于光波波長的一半。可見光中波長最短的紫光的波長大約是400納米,阿貝極限也就是大約200納米。也就是說,如果兩個點的距離達到200納米,納米用光學顯微鏡就分辨不出了。這大約相當于放大1500倍。這就是光學顯微鏡的分辨極限。

顯微鏡用的也是凸透鏡,光線透過它也會產生艾裏斑,我們通過顯微鏡看到的一個點,其實是一個光斑。如果觀察的兩個點離得比較遠,我們還能分辨得出。但是如果兩個點靠得非常近,近到它們產生的艾裏斑重疊在一起,我們就分不清是兩個點了,而隻是看到模糊的一團。所以艾裏斑也決定了顯微鏡的分辨極限。

限製

但是病毒、生物大分子的尺度都小于200納米,光學顯微鏡沒法看到它們。要突破光學顯微鏡的極限,就要使用比可見光波長還短的波來觀測,例如紫外線、X射線,還有電子束。沒錯,電子束也能形成波,隻不過波長極短,這使得電子顯微鏡的解析度能夠達到0.2納米,放大上百萬倍。但是電子顯微鏡有一些缺點,限製了它的使用。例如,樣本必須切得非常薄,放在真空中觀察,這就沒法用來觀察活的樣本了。

套用

有沒有可能讓光學顯微鏡繞開阿貝極限,觀察到比200納米還小的物體呢?熒光顯微鏡的出現讓這成為可能。熒光顯微鏡是給樣本帶上熒游標記(例如使用熒光染料或熒光蛋白),然後觀測它發出的熒光。熒光是熒光物質在吸收了光線傳遞給它的能量之後,受激發發出的光。我們可以控製熒光分子發光和不發光。這個特點很有用。

打一個比方。有4個點排成一條直線,每兩點之間的距離是200納米,用光學顯微鏡是分辨不清的。我們給這4個點帶上熒游標記,但是每次隻讓一個點發光,拍攝下來,把4次拍攝的結果重疊起來,就可以獲得這4個點的顯微圖像。我們也可以先讓第1個點和第3個點發光、拍攝,由于兩點之間距離400納米,可以分辨得清;然後再讓第2個點和第4個點發光、拍攝,它們之間的距離也超過阿貝極限,也可以分辨得清。把兩次拍攝結果重疊,也可以獲得4個點的顯微圖像。

這兩種方法其實都是巧妙地用時間來換取空間,一次性觀察不到的,就分多次觀察,再拼湊出完整的圖像。這樣就可以繞開阿貝極限。今年諾貝爾化學獎頒發給超解析度熒光顯微鏡的發明者,以表彰他們讓光學顯微鏡繞過阿貝極限,讓解析度達到納米級別。他們採用的,就是類似上述的方法。

今年諾貝爾化學獎頒發給超解析度熒光顯微鏡的發明者,以表彰他們讓光學顯微鏡繞過阿貝極限,讓解析度達到納米級別。就在諾貝爾化學獎宣布的同一天,美國《科學》雜志發表了一篇論文,用超解析度熒光顯微鏡看到了艾滋病病毒是如何入侵T細胞的。這個發明其實和化學關系不大,它對生物醫學的研究意義重大。它讓人們能夠觀察到活生生的納米級別的生命現象。

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