10月31日，诺贝尔化学奖获得者、德国马普生物物理化学研究所所长Stefan W. Hell教授在李政道图书馆报告厅做客第111期大师讲坛，为交大师生带来题为“Light Microscopy: The Resolution Revolution”的精彩报告。
Stefan W. Hell教授首先介绍了超分辨显微镜和常规显微镜的差别，光学成像原理和Abbe衍射极限这个100多年来限制光学成像分辨率极限的理论。他通过示意图阐述了研究人员在提高分辨率方面的各种尝试，并重点介绍了2014年获得诺贝尔化学奖的STED超分辨技术和STORM、PALM超分辨显微技术。其中，STED超分辨技术的原理是采用两束组合激光，一束激光被聚焦成艾里斑，使焦斑内的荧光分子处于激发态；另一束激光为中心光强为零的光圈型分布的损耗光，两束激光进行叠加，损耗光通过受激发射过程损耗周边区域内的激发态荧光分子仅留中心原点发光，从而提高分辨率。他解释，这三种超分辨成像技术的共同之处是采用荧光分子的on-off来实现超分辨成像，不同之处是STED是通过物理方式实现超分辨，而STORM和PALM是通过随机光重建方式。
以上几种超分辨显微技术目前达到的分辨率通常大于20纳米，虽然通过荧光金刚石可以达到17纳米的分辨率，但是这种方法需要很高的激光强度。在获得诺贝尔奖之后，Stefan W. Hell回到实验室开发出了另一个划时代的超分辨荧光显微技术MINFLUX。 MINFLUX通过随机地开启和关闭单个分子，并通过类似于STED中的环形激光束加以确定分子精确位置。不同于STED的是，这种圆环形激光束在MINFLUX中激发荧光产生。如果这个分子位于圆环表面上的话，它将发出荧光；如果它正好位于暗的圆环中心的话，就不会发光荧光，从而确定他的精确位置。这种显微镜结合了STED和STORM的优势，分辨率提高了20倍，真正实现了光学显微镜的超分辨成像，即1纳米的分辨率。这一突破为科学家们在分子水平上研究生命如何发挥功能提供新的机会。
在互动环节中，Stefan W. Hell教授回答了有关MINFLUX和STORM技术不同点、MINFLUX与其他显微镜在成像速度方面的异同以及超分辨显微镜在频率尺度上的原理等问题。此外，他在回答学生关于如何选择自己的研究方向时，感慨道，一定要选择自己喜欢的、认为有价值的问题去研究，不要人云亦云。他以自己为例，当他提出要突破光学衍射极限的时候，很多人都认为他是疯子，但他没有放弃，在多年刻苦尝试后，最终实现自己的理想。他以自己的亲身体会和感悟，鼓励年轻研究人员踏实从事研究工作，勇于尝试。
讲座最后，大师讲坛组委会向Stefan W. Hell赠送了精心制作的泥塑人像作为纪念品，以表达交大学子对他到访由衷的感谢和诚挚的祝福。他也应邀留下大师手印和题字，并与大师讲坛组委会成员合影留念。
【嘉宾简介】
Stefan Walter Hell，德国物理学家，马克思普朗克生物物理化学研究所所长。1981年进入德国海德堡大学学习，1990年获得海德堡大学物理学博士学位，1991年至1993年在德国海德堡欧洲分子生物学实验室从事研究工作，1993年至1996年在芬兰图尔库大学物理系从事研究工作，期间1993年至1994年担任英国牛津大学访问科学家，1997年到德国马普生物物理化学研究所从事研究工作，2003年至2017年同时在德国癌症研究中心带领研究团队从事相关研究。
Stefan Walter Hell教授主要成就为超分辨显微成像，他首次提出突破光学衍射极限的受激辐射损耗的超分辨成像原理，并且成功地在仪器上得到验证。他已在Nature, Science, Nature Method, PNAS等著名学术期刊发表论文400多篇，获得国际知名奖项30多项，包括Leibniz Prize (2008), the Lower Saxony State Award (2008), the Otto-Hahn-Prize in Physics (2009), the Kavli Prize（2014）等。由于在“超分辨荧光显微镜”领域的杰出贡献，他与埃里克•贝齐格，威廉•莫纳共同获得2014年诺贝尔化学奖。
【背景介绍】
1873年，德国物理学家Abbe提出了著名的光学衍射极限理论，即光学显微镜的分辨率极限是200纳米,也就是光学教科书中的半波长定律。1994年, Stefan W. Hell教授提出了具有革命性的超分辨成像理论，即Stimulated Emission Depletion技术(STED)，首次从物理原理上打破了光学衍射极限理论,该想法远超出当时人们对光学显微镜的认知。在提出STED想法之后,他带领技术团队，进行了各种技术攻坚，终于在2000年从实验上证明了该理论,从而将光学荧光显微镜带入了纳米时代。该技术在2006年被Science期刊评为年度十大进步技术，在2008年被Nature Method评为年度方法。
正当人们认为Stefan W. Hell教授的科研事业达到顶峰的时候, 2016年他率领团队又开发了另一个划时代的超分辨荧光显微技术MINFLUX。获得诺贝尔奖的超分辨率荧光显微镜技术可以把常规光学显微镜的分辨率从几百纳米提升到几十纳米,而MINFLUX可将荧光显微镜的分辨率从几十纳米提升到几个甚至一个纳米的级别，最终实现荧光显微镜的分子尺度的分辨率。
【王富】