關(guān)于顯微鏡你所不知道的故事
點擊次數(shù)：1582 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(xì)胞內(nèi)形形色色的細(xì)胞器，能夠區(qū)分出猩猩有24對染色體而人卻只有23對。
這都要?dú)w功于16世紀(jì)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(dá)到10倍。他在孩童時期的嘻哈把玩，將我們帶進(jìn)了令人瞠目結(jié)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(xué)家，而是一個觀星的人——現(xiàn)代物理學(xué)與天文學(xué)之父伽利略。1609年，在聽說了這個孩子的發(fā)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(xiàn)代意義上的顯微鏡走進(jìn)人們的視野。
然而，顯微鏡真正發(fā)展成為一個學(xué)科，成為窺視微觀世界的獨(dú)門兵器，還是要等到17世紀(jì)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(jì)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(dāng)學(xué)徒，在那里他接觸到放大鏡，產(chǎn)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(shù)竟然可以達(dá)到300倍!利用自制的顯微鏡，列文虎克為我們展現(xiàn)了一個全新的微觀世界，他*個發(fā)現(xiàn)并描繪了細(xì)菌，展現(xiàn)了一滴水中的世界，準(zhǔn)確地描述了紅細(xì)胞，證明了馬爾皮基推測的毛細(xì)血管層是真實存在的，他成為了微生物學(xué)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(dá)•芬奇”的英國博物學(xué)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(guān)系，設(shè)計了真空泵，還利用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了軟木中的“小室”，并將“cell”一詞深深地刻進(jìn)了現(xiàn)代人的腦海中。從此，顯微鏡的發(fā)展進(jìn)入了快車道，出現(xiàn)了形式多樣、擁有不同功能的各色顯微鏡。
▲光學(xué)顯微鏡
燈泡的發(fā)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(dāng)他們將光源經(jīng)聚光鏡投射在被檢樣本上后，卻發(fā)現(xiàn)在視野中除了有那些小東西，竟然還發(fā)現(xiàn)了燈絲的影像。直到1893年，一個叫柯勒的年輕人，發(fā)明了二次成像技術(shù)，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(tǒng)，成為了現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡的關(guān)鍵部件。
顯微鏡的變革，也使細(xì)胞學(xué)迎來了zui為輝煌的發(fā)展時期。細(xì)胞器、染色體等細(xì)胞染色方法的出現(xiàn)，使人們對于細(xì)胞這一生命zui基本單位有了相當(dāng)深入的認(rèn)識。但是，染色畢竟影響甚至殺死了細(xì)胞，跟一堆死細(xì)胞玩真是太沒意思了!直到20世紀(jì)二、三十年代，弗里茨•澤爾尼克在研究衍射光柵的時候，發(fā)明了相差顯微技術(shù)，這一情況才被*改變。
再后來，出現(xiàn)了各種形形色色的顯微鏡，按照設(shè)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(shù)，有單目鏡的、雙目鏡的，還有直接數(shù)碼相機(jī)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(chǎn)生熒光的熒光顯微鏡。
▲瓶頸所在
十八世紀(jì)，光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到1 000倍，直到現(xiàn)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(shù)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(yuǎn)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(dāng)物體尺寸與光波差不多甚至還要小的時候，光波就會發(fā)生衍射現(xiàn)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(dá)到光波長的一半。而我們?nèi)庋弁ǔＤ芨兄目梢姽猓ㄩL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(dá)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(dāng)人們意識到用光學(xué)顯微鏡看不到原子般細(xì)微的物質(zhì)，那么就會想法進(jìn)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(dāng)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(jù)這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現(xiàn)象，這被后來的電子衍射試驗所證實。接著漢斯•*又開創(chuàng)了電磁透鏡的理論。這些使人們產(chǎn)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(dǎo)，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(xué)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息投射在熒光屏板上，zui終轉(zhuǎn)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(biāo)本，需要用超薄切片機(jī)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(shù)zui高可達(dá)近百萬倍，分辨率可以達(dá)到納米級(10-9 m)。
用電子束代替光看起來已經(jīng)是一個反常規(guī)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(xué)家格爾德•賓寧和海因里希•羅雷爾，發(fā)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(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進(jìn)，它的出現(xiàn)*拋開了傳統(tǒng)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(shè)計的。掃描隧道顯微鏡依靠“隧道效應(yīng)”進(jìn)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(dāng)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(fā)生變化，這股電流也會相應(yīng)改變，通過測量電流我們就能知道物體表面的形狀。所以，當(dāng)電流經(jīng)過一個原子，便能極其細(xì)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(xiàn)，“神馬”細(xì)菌、病毒、DNA、蛋白質(zhì)大分子、原子核、電子云啥的，都得規(guī)規(guī)矩矩老實聽話，要不，來探針下現(xiàn)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(dāng)量的氫彈在30米遠(yuǎn)處爆炸的輻射量!當(dāng)生物標(biāo)本暴露于電子束中時，細(xì)胞結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵將迅速崩潰，所以電子顯微鏡雖然精妙卻無法用于活細(xì)胞的觀察。
麻省理工大學(xué)Mehmet教授的研究小組提出，通過使用量子力學(xué)的測量技術(shù)可以讓電子束被約束起來，在稍遠(yuǎn)的距離感應(yīng)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(xì)胞內(nèi)的活動，比如酶在活細(xì)胞中的功能或是DNA的復(fù)制過程，用以揭示生命和物質(zhì)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(shù)如雨后春筍般發(fā)展起來。共聚焦顯微鏡已經(jīng)能夠通過移動透鏡系統(tǒng)對一個半透明的物體進(jìn)行三維掃描，通過計算機(jī)系統(tǒng)的輔助，對實驗材料從外觀到內(nèi)在、從靜態(tài)到動態(tài)、從形態(tài)到功能進(jìn)行觀察。
同時，隨著數(shù)碼攝影技術(shù)、信息技術(shù)和自動化技術(shù)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(xì)胞結(jié)構(gòu)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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