關于顯微鏡你所不知道的故事
點擊次數：2256 更新時間：2015-11-05
生物課上，一臺顯微鏡、一片菜葉子加上一只青蛙或者鯽魚，一場生物顯微解剖課開場了。各自不免興奮，顯微鏡是多么神奇的一個東西!它讓我們能夠看到流淌江水中的各種微生物，能夠知曉細胞內形形色色的細胞器，能夠區分出猩猩有24對染色體而人卻只有23對。
這都要歸功于16世紀一個叫Zacharias Jansen的荷蘭人，我們不清楚他如何想到將兩個鏡片疊在一起并放在管子的兩頭，但是這個奇怪想法催生出的工具，卻能夠在壓縮zui小的時候放大3倍，拉到zui長時可以放大達到10倍。他在孩童時期的嘻哈把玩，將我們帶進了令人瞠目結舌的微觀世界。
▲玩出來的顯微鏡
很奇怪，做出顯微鏡的*人不是生物學家，而是一個觀星的人——現代物理學與天文學之父伽利略。1609年，在聽說了這個孩子的發明后，他不僅研究明白了這些鏡片在一起能夠放大很多倍的原理，還制造出了一臺更為精密的工具，并將其命名為occhiolino(也被稱為little eye)。從此，現代意義上的顯微鏡走進人們的視野。
然而，顯微鏡真正發展成為一個學科，成為窺視微觀世界的獨門兵器，還是要等到17世紀六、七十年代。列文虎克，這個出生于1632年的荷蘭小伙子，在稚嫩的年紀就不得不面對父親的去世，被迫來到阿姆斯特丹的一家干貨商店當學徒，在那里他接觸到放大鏡，產生極大的興趣。閑暇之余，他便耐心地磨起了自己的鏡片。或許是太無聊，或許是太好玩，他一生中竟然磨制了400多個透鏡，放大倍數竟然可以達到300倍!利用自制的顯微鏡，列文虎克為我們展現了一個全新的微觀世界，他*個發現并描繪了細菌，展現了一滴水中的世界，準確地描述了紅細胞，證明了馬爾皮基推測的毛細血管層是真實存在的，他成為了微生物學的奠基人。
與列文虎克同期的，還有一個叫做羅伯特•胡克，被稱為“倫敦的萊奧納多•達•芬奇”的英國博物學家。你說對了，“胡克定律”就是以他名字命名的。他不僅提出了彈性材料的胡克定律，萬有引力的平方反比關系，設計了真空泵，還利用自制的顯微鏡發現了軟木中的“小室”，并將“cell”一詞深深地刻進了現代人的腦海中。從此，顯微鏡的發展進入了快車道，出現了形式多樣、擁有不同功能的各色顯微鏡。
▲光學顯微鏡
燈泡的發明讓那些狂熱的顯微鏡粉絲們欣喜不已，終于可以在晚上也可以使用高倍鏡片來觸摸微觀世界了。但是當他們將光源經聚光鏡投射在被檢樣本上后，卻發現在視野中除了有那些小東西，竟然還發現了燈絲的影像。直到1893年，一個叫柯勒的年輕人，發明了二次成像技術，成功地將熱焦點落在了被檢樣本之外，不僅光線均勻了，而且也不會損傷樣本。這種被稱為柯勒照明的光源系統，成為了現代光學顯微鏡的關鍵部件。
顯微鏡的變革，也使細胞學迎來了zui為輝煌的發展時期。細胞器、染色體等細胞染色方法的出現，使人們對于細胞這一生命zui基本單位有了相當深入的認識。但是，染色畢竟影響甚至殺死了細胞，跟一堆死細胞玩真是太沒意思了!直到20世紀二、三十年代，弗里茨•澤爾尼克在研究衍射光柵的時候，發明了相差顯微技術，這一情況才被*改變。
再后來，出現了各種形形色色的顯微鏡，按照設計方式的不同，有正立的、倒立的，還有解剖顯微鏡，按照目鏡的個數，有單目鏡的、雙目鏡的，還有直接數碼相機采集圖像的，有使用偏振光作光源的，還有不將光直接射入樣本的暗視野顯微鏡，還有選定特定波長的光波照射樣本，以產生熒光的熒光顯微鏡。
▲瓶頸所在
十八世紀，光學顯微鏡的放大倍數已經可以達到1 000倍，直到現在人們也只能將其提高到1 600倍左右這個極限了。不是因為技術不夠，而是因為顯微鏡的zui大分辨率受到光源波長的限制。
光在傳播途徑中，如果碰到的障礙物或者小孔的尺寸遠大于光的波長時，就會被反射回去或者穿透過去，可以看作是沿直線傳播。但是當物體尺寸與光波差不多甚至還要小的時候，光波就會發生衍射現象并繞過去。不論我們怎樣磨鏡片，或者使用油鏡來提高清晰度，顯微鏡的分辨率zui多也只能達到光波長的一半。而我們肉眼通常能感知的可見光，波長范圍在0.39μm ~0.76μm，即便使用0.39μm左右的紫外光，理想狀況下，也就能達到0.2μm的分辨率。所以，要想提高分辨率，只能改變光源，并且改用儀器來探測放大的圖像。
▲新時代的驕子
當人們意識到用光學顯微鏡看不到原子般細微的物質，那么就會想法進一步提高顯微鏡的分辨率，別的辦法行不通，那就只能尋找比光波波長還短的光源。還有哪些波的波長比光波還短?當然是電子。注意，是電子，不是家里電線中220 V的電……
1924年，德布羅意提出了波粒二象性的假說，根據這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現象，這被后來的電子衍射試驗所證實。接著漢斯•*又開創了電磁透鏡的理論。這些使人們產生了制作顯微鏡的新想法：為什么不用具有波動性的電子做“光源”，再用電磁透鏡來放大呢?于是，1932年德國工程師恩斯特•魯斯卡和馬克斯•克諾爾制造出了*臺透視電子顯微鏡，這是近代電子顯微鏡的先導，魯斯卡也因此獲得了1986年度的諾貝爾物理獎。
電子顯微鏡有著與光學顯微鏡相似的成像原理，它的神奇之處在于用電子束代替光源，而電磁場也化身成了透鏡：高速的電子束在真空通道中穿越聚光鏡再透過樣品，帶著樣品內部的結構信息投射在熒光屏板上，zui終轉化成可見光影像。另外，由于電子束的穿透力很弱，用于電子顯微鏡的標本，需要用超薄切片機制成厚50納米左右的超薄切片，稍微厚一點，電子就可能做無用功。如果給飛奔的電子再來一馬鞭，電子顯微鏡的放大倍數zui高可達近百萬倍，分辨率可以達到納米級(10-9 m)。
用電子束代替光看起來已經是一個反常規的奇妙主意，但讓人想不到的還在后面。1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家格爾德•賓寧和海因里希•羅雷爾，發明了掃描隧道顯微鏡，這是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進，它的出現*拋開了傳統顯微鏡的概念。
zui神奇的是，掃描隧道顯微鏡沒有鏡頭!沒有鏡頭也敢叫“顯微鏡”?沒錯，這不是山寨的時候出了問題，它原原本本就是這么設計的。掃描隧道顯微鏡依靠“隧道效應”進行工作，如同一根唱針掃過一張唱片。一根有著原子般大小的探針慢慢通過被分析的物體，當探針距離物體表面很近時(大約在納米級的距離)，電子會穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發生變化，這股電流也會相應改變，通過測量電流我們就能知道物體表面的形狀。所以，當電流經過一個原子，便能極其細致地描繪出它的輪廓，通過繪出電流量的波動，我們就可以得到單個原子的美麗圖片。
電子顯微鏡的出現，“神馬”細菌、病毒、DNA、蛋白質大分子、原子核、電子云啥的，都得規規矩矩老實聽話，要不，來探針下現個原形?
▲未知的微觀世界
對人來說，安全電壓是36 V，可是對于電子顯微鏡下的觀測樣品，其接收到的輻射劑量等同于10萬噸當量的氫彈在30米遠處爆炸的輻射量!當生物標本暴露于電子束中時，細胞結構和化學鍵將迅速崩潰，所以電子顯微鏡雖然精妙卻無法用于活細胞的觀察。
麻省理工大學Mehmet教授的研究小組提出，通過使用量子力學的測量技術可以讓電子束被約束起來，在稍遠的距離感應被觀察的物體，一次掃描樣品的一個像素，并將這些像素組合起來拼出整個樣品的圖像，從而避免損壞實驗樣品。倘若研究成功，它可以使研究人員看到分子在活體細胞內的活動，比如酶在活細胞中的功能或是DNA的復制過程，用以揭示生命和物質的基本問題。
看電影，你一定希望看到3D的畫面。同樣的，長期的2D顯微鏡成像，也讓人們感到審美疲勞，于是3D圖像技術如雨后春筍般發展起來。共聚焦顯微鏡已經能夠通過移動透鏡系統對一個半透明的物體進行三維掃描，通過計算機系統的輔助，對實驗材料從外觀到內在、從靜態到動態、從形態到功能進行觀察。
同時，隨著數碼攝影技術、信息技術和自動化技術的革新，顯微鏡的外觀、舒適性、自動化程度以及方便性都在提高。例如近幾年的大屏幕倒置顯微鏡，直接通過液晶顯示器來觀察，研究細胞結構就像在電腦上看電影，大大減輕了顯微鏡觀察時的疲勞。
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