關於顯微鏡你所不知道的故事

　　這都要歸功於(yu) 16世紀一個(ge) 叫Zacharias Jansen的荷蘭(lan) 人，我們(men) 不清楚他如何想到將兩(liang) 個(ge) 鏡片疊在一起並放在管子的兩(liang) 頭，但是這個(ge) 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(men) 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(ge) 觀星的人——現代物理學與(yu) 天文學之父伽利略。1609年，在聽說了這個(ge) 孩子的發明後，他不僅(jin) 研究明白了這些鏡片在一起能夠放大很多倍的原理，還製造出了一台更為(wei) 精密的工具，並將其命名為(wei) occhiolino(也被稱為(wei) little eye)。從(cong) 此，現代意義(yi) 上的顯微鏡走進人們(men) 的視野。

　　然而，顯微鏡真正發展成為(wei) 一個(ge) 學科，成為(wei) 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(ge) 出生於(yu) 1632年的荷蘭(lan) 小夥(huo) 子，在稚嫩的年紀就不得不麵對父親(qin) 的去世，被迫來到阿姆斯特丹的一家幹貨商店當學徒，在那裏他接觸到放大鏡，產(chan) 生極大的興(xing) 趣。閑暇之餘(yu) ，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，他一生中竟然磨製了400多個(ge) 透鏡，放大倍數竟然可以達到300倍!利用自製的顯微鏡，列文虎克為(wei) 我們(men) 展現了一個(ge) 全新的微觀世界，他*個(ge) 發現並描繪了細菌，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(wei) 了微生物學的奠基人。

　　與(yu) 列文虎克同期的，還有一個(ge) 叫做羅伯特•胡克，被稱為(wei) “倫(lun) 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(jin) 提出了彈性材料的胡克定律，萬(wan) 有引力的平方反比關(guan) 係，設計了真空泵，還利用自製的顯微鏡發現了軟木中的“小室”，並將“cell”一詞深深地刻進了現代人的腦海中。從(cong) 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(si) 們(men) 欣喜不已，終於(yu) 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(men) 將光源經聚光鏡投射在被檢樣本上後，卻發現在視野中除了有那些小東(dong) 西，竟然還發現了燈絲(si) 的影像。直到1893年，一個(ge) 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(jin) 光線均勻了，而且也不會(hui) 損傷(shang) 樣本。這種被稱為(wei) 柯勒照明的光源係統，成為(wei) 了現代光學顯微鏡的關(guan) 鍵部件。

　　顯微鏡的變革，也使細胞學迎來了zui為(wei) 輝煌的發展時期。細胞器、染色體(ti) 等細胞染色方法的出現，使人們(men) 對於(yu) 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，弗裏茨•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。

　　再後來，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(ge) 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(chan) 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(men) 也隻能將其提高到1 600倍左右這個(ge) 極限了。不是因為(wei) 技術不夠，而是因為(wei) 顯微鏡的zui大分辨率受到光源波長的限製。

　　光在傳(chuan) 播途徑中，如果碰到的障礙物或者小孔的尺寸遠大於(yu) 光的波長時，就會(hui) 被反射回去或者穿透過去，可以看作是沿直線傳(chuan) 播。但是當物體(ti) 尺寸與(yu) 光波差不多甚至還要小的時候，光波就會(hui) 發生衍射現象並繞過去。不論我們(men) 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多也隻能達到光波長的一半。而我們(men) 肉眼通常能感知的可見光，波長範圍在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，隻能改變光源，並且改用儀(yi) 器來探測放大的圖像。

　　▲新時代的驕子

　　當人們(men) 意識到用光學顯微鏡看不到原子般細微的物質，那麽(me) 就會(hui) 想法進一步提高顯微鏡的分辨率，別的辦法行不通，那就隻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，不是家裏電線中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(hui) 具有幹涉和衍射等波動現象，這被後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(men) 產(chan) 生了製作顯微鏡的新想法：為(wei) 什麽(me) 不用具有波動性的電子做“光源”，再用電磁透鏡來放大呢?於(yu) 是，1932年德國工程師恩斯特•魯斯卡和馬克斯•克諾爾製造出了*台透視電子顯微鏡，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(yu) 光學顯微鏡相似的成像原理，它的神奇之處在於(yu) 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(nei) 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，由於(yu) 電子束的穿透力很弱，用於(yu) 電子顯微鏡的標本，需要用超薄切片機製成厚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(wan) 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(ge) 反常規的奇妙主意，但讓人想不到的還在後麵。1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩(liang) 位科學家格爾德•賓寧和海因裏希•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麵結構的儀(yi) 器。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進，它的出現*拋開了傳(chuan) 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，它原原本本就是這麽(me) 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(ti) ，當探針距離物體(ti) 表麵很近時(大約在納米級的距離)，電子會(hui) 穿過物體(ti) 與(yu) 探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與(yu) 物體(ti) 的距離發生變化，這股電流也會(hui) 相應改變，通過測量電流我們(men) 就能知道物體(ti) 表麵的形狀。所以，當電流經過一個(ge) 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(men) 就可以得到單個(ge) 原子的美麗(li) 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、電子雲(yun) 啥的，都得規規矩矩老實聽話，要不，來探針下現個(ge) 原形?

　　▲未知的微觀世界

　　對人來說，安全電壓是36 V，可是對於(yu) 電子顯微鏡下的觀測樣品，其接收到的輻射劑量等同於(yu) 10萬(wan) 噸當量的氫彈在30米遠處爆炸的輻射量!當生物標本暴露於(yu) 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於(yu) 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(ti) ，一次掃描樣品的一個(ge) 像素，並將這些像素組合起來拚出整個(ge) 樣品的圖像，從(cong) 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(ti) 細胞內(nei) 的活動，比如酶在活細胞中的功能或是DNA的複製過程，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的畫麵。同樣的，長期的2D顯微鏡成像，也讓人們(men) 感到審美疲勞，於(yu) 是3D圖像技術如雨後春筍般發展起來。共聚焦顯微鏡已經能夠通過移動透鏡係統對一個(ge) 半透明的物體(ti) 進行三維掃描，通過計算機係統的輔助，對實驗材料從(cong) 外觀到內(nei) 在、從(cong) 靜態到動態、從(cong) 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。