關(guān)于顯微鏡你所不知道的故事
點(diǎn)擊次數(shù)：2454 更新時(shí)間：2015-11-05
生物課上，一臺(tái)顯微鏡、一片菜葉子加上一只青蛙或者鯽魚(yú)，一場(chǎng)生物顯微解剖課開(kāi)場(chǎng)了。各自不免興奮，顯微鏡是多么神奇的一個(gè)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(duì)染色體而人卻只有23對(duì)。
這都要?dú)w功于16世紀(jì)一個(gè)叫Zacharias Jansen的荷蘭人，我們不清楚他如何想到將兩個(gè)鏡片疊在一起并放在管子的兩頭，但是這個(gè)奇怪想法催生出的工具，卻能夠在壓縮zui小的時(shí)候放大3倍，拉到zui長(zhǎng)時(shí)可以放大達(dá)到10倍。他在孩童時(shí)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(lái)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(gè)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(tīng)說(shuō)了這個(gè)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(tái)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(gè)學(xué)科，成為窺視微觀世界的獨(dú)門(mén)兵器，還是要等到17世紀(jì)六、七十年代。列文虎克，這個(gè)出生于1632年的荷蘭小伙子，在稚嫩的年紀(jì)就不得不面對(duì)父親的去世，被迫來(lái)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(wú)聊，或許是太好玩，他一生中竟然磨制了400多個(gè)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(gè)全新的微觀世界，他*個(gè)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(cè)的毛細(xì)血管層是真實(shí)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(gè)叫做羅伯特•胡克，被稱為“倫敦的萊奧納多•達(dá)•芬奇”的英國(guó)博物學(xué)家。你說(shuō)對(duì)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(wàn)有引力的平方反比關(guān)系，設(shè)計(jì)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(lái)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(gè)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(diǎn)落在了被檢樣本之外，不僅光線均勻了，而且也不會(huì)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(lái)了zui為輝煌的發(fā)展時(shí)期。細(xì)胞器、染色體等細(xì)胞染色方法的出現(xiàn)，使人們對(duì)于細(xì)胞這一生命zui基本單位有了相當(dāng)深入的認(rèn)識(shí)。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(méi)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(shí)候，發(fā)明了相差顯微技術(shù)，這一情況才被*改變。
再后來(lái)，出現(xiàn)了各種形形色色的顯微鏡，按照設(shè)計(jì)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(gè)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(zhǎng)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(gè)極限了。不是因?yàn)榧夹g(shù)不夠，而是因?yàn)轱@微鏡的zui大分辨率受到光源波長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)，就會(huì)被反射回去或者穿透過(guò)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(shí)候，光波就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象并繞過(guò)去。不論我們?cè)鯓幽ョR片，或者使用油鏡來(lái)提高清晰度，顯微鏡的分辨率zui多也只能達(dá)到光波長(zhǎng)的一半。而我們?nèi)庋弁ǔＤ芨兄目梢?jiàn)光，波長(zhǎng)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(lái)探測(cè)放大的圖像。
▲新時(shí)代的驕子
當(dāng)人們意識(shí)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(huì)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(zhǎng)還短的光源。還有哪些波的波長(zhǎng)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(shuō)，根據(jù)這一假說(shuō)，電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象，這被后來(lái)的電子衍射試驗(yàn)所證實(shí)。接著漢斯•*又開(kāi)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(dòng)性的電子做“光源”，再用電磁透鏡來(lái)放大呢?于是，1932年德國(guó)工程師恩斯特•魯斯卡和馬克斯•克諾爾制造出了*臺(tái)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(jiǎng)。
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(chǎng)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(guò)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(jiàn)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(diǎn)，電子就可能做無(wú)用功。如果給飛奔的電子再來(lái)一馬鞭，電子顯微鏡的放大倍數(shù)zui高可達(dá)近百萬(wàn)倍，分辨率可以達(dá)到納米級(jí)(10-9 m)。
用電子束代替光看起來(lái)已經(jīng)是一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(kāi)了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。
zui神奇的是，掃描隧道顯微鏡沒(méi)有鏡頭!沒(méi)有鏡頭也敢叫“顯微鏡”?沒(méi)錯(cuò)，這不是山寨的時(shí)候出了問(wèn)題，它原原本本就是這么設(shè)計(jì)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(guò)一張唱片。一根有著原子般大小的探針慢慢通過(guò)被分析的物體，當(dāng)探針距離物體表面很近時(shí)(大約在納米級(jí)的距離)，電子會(huì)穿過(guò)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(huì)相應(yīng)改變，通過(guò)測(cè)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(guò)一個(gè)原子，便能極其細(xì)致地描繪出它的輪廓，通過(guò)繪出電流量的波動(dòng)，我們就可以得到單個(gè)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(shí)聽(tīng)話，要不，來(lái)探針下現(xiàn)個(gè)原形?
▲未知的微觀世界
對(duì)人來(lái)說(shuō)，安全電壓是36 V，可是對(duì)于電子顯微鏡下的觀測(cè)樣品，其接收到的輻射劑量等同于10萬(wàn)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(shí)，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(wú)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(guò)使用量子力學(xué)的測(cè)量技術(shù)可以讓電子束被約束起來(lái)，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(gè)像素，并將這些像素組合起來(lái)拼出整個(gè)樣品的圖像，從而避免損壞實(shí)驗(yàn)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(dòng)，比如酶在活細(xì)胞中的功能或是DNA的復(fù)制過(guò)程，用以揭示生命和物質(zhì)的基本問(wèn)題。
看電影，你一定希望看到3D的畫(huà)面。同樣的，長(zhǎng)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(lái)。共聚焦顯微鏡已經(jīng)能夠通過(guò)移動(dòng)透鏡系統(tǒng)對(duì)一個(gè)半透明的物體進(jìn)行三維掃描，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輔助，對(duì)實(shí)驗(yàn)材料從外觀到內(nèi)在、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從形態(tài)到功能進(jìn)行觀察。
同時(shí)，隨著數(shù)碼攝影技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的革新，顯微鏡的外觀、舒適性、自動(dòng)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(guò)液晶顯示器來(lái)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(shí)的疲勞。
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