显微镜的诞生：从荷兰人的奇怪想法到微观世界的探索

aizixun8

在生物课上，一台显微镜、一片蔬菜叶子、一只青蛙或鲫鱼开启了生物显微解剖课。大家都忍不住兴奋起来，显微镜真是一件神奇的事情啊！它使我们能够看到河流中流动的各种微生物，了解细胞中的各种细胞器，并区分猩猩的 24 对染色体和人类的 23 对染色体。

这一切都归功于一个 16 世纪的荷兰人，他不知道自己是怎么想出将两个镜头堆叠在一起并将它们放在镜筒两端的想法的，但是从这个奇怪的想法中诞生的工具在最小压缩时可以放大 3 倍，在拉到最大时可以放大 10 倍。他小时候的嘻哈顽皮将我们带入了一个令人瞠目结舌的缩影。

从显微镜中播放

奇怪的是，第一个制造显微镜的人并不是生物学家，而是观星者——现代物理学和天文学之父伽利略。1609 年，在听说了这个孩子的发明后，他不仅研究了这些镜片可以一起放大很多倍的原理，还制造了一种更复杂的工具，他将其命名为（也称为眼睛）。从那时起，现代意义上的显微镜就进入了人们的视野。

然而，直到 17 世纪 60 年代和 70 年代，显微镜才真正发展成为一门学科，成为窥探微观世界的独特武器。列文虎克，一个出生于 1632 年的荷兰男孩，在很小的时候就不得不面对父亲的去世，被迫在阿姆斯特丹的一家干货店当学徒，在那里他接触到了放大镜，变得非常感兴趣。在业余时间，他耐心地磨砺自己的镜片。也许是太无聊，也许是太好玩了，他这辈子打磨了 400 多片镜片，放大倍数可达 300 倍！列文虎克使用自制的显微镜向我们展示了一个全新的微观世界，他是第一个发现和描绘细菌的人，在一滴水中展示了世界，准确描述了红细胞，证明了马尔皮吉推测的毛细血管层是真实的，他成为了微生物学的奠基人。

与列文虎克同时期的还有一位名叫罗伯特·胡克的英国博物学家，他被称为“伦敦的达芬奇”。你是对的，“胡克定律”就是以他的名字命名的。他不仅提出了胡克弹性材料定律、万有引力的平方反比关系，设计了真空泵，还用自制的显微镜发现了软木中的“细胞”，将“细胞”一词深深地刻在了现代人的脑海中。此后，显微镜的发展进入了快车道，出现了显微镜的各种形式和功能。

光学显微镜

这

灯泡的发明让狂热的显微镜爱好者感到高兴，终于可以在夜间用高功率镜头触摸微观世界。然而，当他们通过聚光镜将光源投射到测试样品上时，他们发现除了视野中的那些小东西外，他们还发现了灯丝的图像。直到 1893 年，一位名叫  的年轻人发明了二次成像技术，成功地将热焦点置于被测样品的外部，不仅使光线均匀，而且不会损坏样品。这种光源系统被称为 Köhler 照明，是现代光学显微镜的关键组件。

显微镜的革命也迎来了细胞学最辉煌的发展时期。细胞器和染色体等细胞染色方法的出现，让人们对细胞这个生命最基本的单位有了非常深入的了解。然而，染色终究会影响甚至杀死细胞，玩一堆死细胞太无聊了！直到 20 世纪 20 年代和 30 年代，当 Fritz  在研究衍射光栅时发明了相差显微镜时，这种情况才完全改变。

后来，出现了各种各样的显微镜，根据设计方法的不同，有正置、倒置和解剖显微镜，根据目镜的数量，有单筒望远镜、双目镜头和数码相机来收集图像，有偏振光作为光源，有不直接将光线照射到样品中的暗场显微镜， 还有荧光显微镜用特定波长的光波照射样品以产生荧光。

瓶颈在哪里

在 18 世纪，光学显微镜的放大倍数可以达到 1000 倍，直到现在才提高到大约 1600 倍。不是因为技术不足，而是因为显微镜的最大分辨率受到光源波长的限制。

在传播路径中，如果障碍物或小孔的大小远大于光的波长，就会被反射回来或穿透过去，可以认为是直线传播。然而，当物体的大小与光波差不多甚至更小时，光波会发生衍射并绕过它。无论我们如何研磨镜片或使用油性镜片来提高清晰度，显微镜的分辨率最多只有光波长的一半。我们通常可以用肉眼感知的可见光的波长范围是 0.39μm ~ 0.76μm，即使使用大约 0.39μm 的紫外线，在理想条件下也可以达到 0.2μm 的分辨率。因此，提高分辨率的唯一方法是更换光源，改用仪器来检测放大的图像。

新时代的骄傲

当人们意识到他们无法用光学显微镜看到原子状物质时，他们会考虑进一步提高显微镜的分辨率，如果其他方法都不起作用，他们只会寻找比光波波长短的光源。还有哪些波的波长比光波短？当然是电子。请注意，这是电子，而不是 220 V ......在家里的电线里

1924 年，德布罗意提出了波粒二象性的假说，根据该假说，电子还具有干涉和衍射等波现象，这被后来的电子衍射实验所证实。汉斯·布什 （Hans Bush） 随后发展了电磁透镜理论。这导致了制作显微镜的新想法：为什么不使用波状电子作为“光源”，然后使用电磁透镜来放大它们呢？因此，1932 年，德国工程师 Ernst Ruska 和 Max Knorr- 制造了第一台透视电子显微镜，这是现代电子显微镜的先驱，Ruska 于 1986 年获得诺贝尔物理学奖。

电子显微镜的成像原理与光学显微镜相似，它的神奇之处在于用电子束代替了光源，电磁场也转化为透镜：高速电子束穿过真空通道中的聚光镜，然后穿过样品，样品内部的结构信息投射到荧光屏上， 最后转换为可见光图像。此外，由于电子束的穿透力较弱，用于电子显微镜的标本需要通过超薄切片机制成约 50 纳米厚的超薄切片。如果再给冲动的电子鞭打，电子显微镜的放大倍数可以达到近百万倍，分辨率可以达到纳米级（10-9 m）。

用电子束代替光似乎是一个非常规且奇妙的想法，但意想不到的事情还没有到来。1983 年，IBM 苏黎世实验室的两位科学家 Gerd  和   发明了扫描隧道显微镜，这是一种利用量子理论中的隧道效应来探测物质表面结构的仪器。这种显微镜比电子显微镜更激进，其外观完全摒弃了传统显微镜的概念。

最神奇的是，扫描隧道显微镜没有镜头！你敢称它为没有镜头的“显微镜”吗？没错，它不是在出现问题时模仿，它是以这种方式设计的。扫描隧道显微镜的工作原理是“隧道效应”，就像手写笔扫过唱片一样。原子大小的探针缓慢穿过被分析的物体，当探针非常接近物体表面（约纳米）时，电子穿过物体和探针之间的空间，形成微弱的电流。如果探头和物体之间的距离发生变化，电流也会随之变化，通过测量电流，我们可以知道物体表面的形状。因此，当电流通过原子时，我们可以非常详细地绘制其轮廓，通过绘制电流量的波动，我们可以得到单个原子的美丽图片。

随着电子显微镜的出现，“神马”细菌、病毒、DNA、蛋白质大分子、原子核、电子云等，都得诚实守信，听话。

未知的微观世界

对于人类来说，安全电压是 36 V，但对于电子显微镜来说，接收到的辐射剂量相当于 100,000 吨的氢弹在 30 米的距离内爆炸的辐射剂量！当生物标本暴露在电子束下时，细胞结构和化学键会迅速崩溃，因此电子显微镜很微妙，但不能用于观察活细胞。

这

麻省理工学院教授的研究团队提出，利用量子力学的测量技术，可以约束电子束，在稍远的距离感应被观察的物体，一次扫描样品的一个像素，并将这些像素组合在一起，拼凑出整个样品的图像，从而避免损坏实验样品。如果成功，它可以让研究人员看到活细胞中分子的活动，例如酶在活细胞中的功能或 DNA 的复制过程，从而揭示生命和物质的基本问题。

看电影，你一定想看 3D 的图片。同样，长期的 2D 显微成像也让人们感到审美疲劳，因此 3D 成像技术如雨后春笋般涌现。共聚焦显微镜已经能够通过移动镜头系统对半透明物体进行三维扫描，并且在计算机系统的帮助下，可以从外观到内部，从静态到动态，从形式到功能进行观察。

同时，随着数码摄影技术、信息技术和自动化技术的创新，显微镜的外观、舒适度、自动化程度和便利性都在不断提高。例如，近年来，大屏幕倒置显微镜可以通过液晶显示器直接观察，细胞结构的研究就像在电脑上看电影一样，大大减轻了显微镜观察的疲劳，避免了科研人员的重复工作