關(guan)於(yu)顯(xian)微鏡(jing)妳(ni)所不知(zhi)道(dao)的(de)故(gu)事

　　這都(dou)要(yao)歸(gui)功(gong)於(yu)16世(shi)紀(ji)壹(yi)個(ge)叫(jiao)Zacharias Jansen的(de)荷蘭(lan)人，我(wo)們(men)不(bu)清(qing)楚他(ta)如(ru)何想到將(jiang)兩個(ge)鏡(jing)片(pian)疊(die)在(zai)壹(yi)起並放(fang)在(zai)管子(zi)的兩頭(tou)，但是(shi)這個(ge)奇(qi)怪想(xiang)法(fa)催(cui)生出的(de)工具(ju)，卻(que)能(neng)夠(gou)在壓(ya)縮zui小的時候(hou)放(fang)大3倍(bei)，拉到zui長時可以放(fang)大(da)達(da)到10倍(bei)。他在(zai)孩童時期(qi)的嘻(xi)哈(ha)把(ba)玩，將我(wo)們(men)帶進了(le)令(ling)人瞠目結舌(she)的微觀(guan)世(shi)界(jie)。

　　▲玩(wan)出來的(de)顯(xian)微鏡(jing)

　　很奇怪(guai)，做出(chu)顯(xian)微鏡(jing)的*人不是生物學家(jia)，而(er)是壹(yi)個(ge)觀(guan)星的人(ren)——現(xian)代(dai)物(wu)理學與(yu)天(tian)文(wen)學之(zhi)父(fu)伽利(li)略(lve)。1609年(nian)，在(zai)聽(ting)說(shuo)了(le)這個(ge)孩子(zi)的發明後(hou)，他(ta)不(bu)僅(jin)研究(jiu)明白(bai)了(le)這些鏡(jing)片(pian)在(zai)壹(yi)起能夠(gou)放大(da)很多(duo)倍(bei)的原(yuan)理，還制(zhi)造(zao)出(chu)了(le)壹(yi)臺更(geng)為(wei)精密(mi)的(de)工具(ju)，並(bing)將(jiang)其命(ming)名為occhiolino(也(ye)被(bei)稱為little eye)。從(cong)此(ci)，現(xian)代(dai)意(yi)義(yi)上(shang)的顯(xian)微鏡(jing)走進人們的視(shi)野(ye)。

　　然(ran)而(er)，顯(xian)微鏡(jing)真(zhen)正(zheng)發展(zhan)成(cheng)為壹(yi)個(ge)學科，成(cheng)為窺(kui)視(shi)微觀(guan)世(shi)界(jie)的(de)獨(du)門(men)兵器(qi)，還是要(yao)等(deng)到17世(shi)紀(ji)六、七十(shi)年(nian)代(dai)。列文(wen)虎(hu)克，這個(ge)出(chu)生於(yu)1632年(nian)的(de)荷(he)蘭(lan)小夥(huo)子(zi)，在稚嫩的年(nian)紀(ji)就(jiu)不得(de)不(bu)面對父(fu)親(qin)的(de)去(qu)世(shi)，被(bei)迫來到阿(e)姆(mu)斯特丹(dan)的(de)壹(yi)家幹貨(huo)商(shang)店(dian)當學徒(tu)，在(zai)那裏(li)他(ta)接(jie)觸(chu)到放(fang)大(da)鏡(jing)，產生極大(da)的興(xing)趣(qu)。閑(xian)暇之(zhi)余(yu)，他便耐心(xin)地(di)磨(mo)起了自己的鏡(jing)片(pian)。或許(xu)是太(tai)無(wu)聊(liao)，或許(xu)是太(tai)好玩(wan)，他(ta)壹生中竟(jing)然(ran)磨(mo)制(zhi)了(le)400多(duo)個(ge)透鏡(jing)，放大倍(bei)數竟(jing)然(ran)可(ke)以達(da)到300倍(bei)!利(li)用自制(zhi)的(de)顯(xian)微鏡(jing)，列文(wen)虎(hu)克為我(wo)們(men)展(zhan)現(xian)了壹(yi)個(ge)全(quan)新的(de)微觀(guan)世(shi)界(jie)，他(ta)*個(ge)發現(xian)並描(miao)繪了細菌(jun)，展(zhan)現(xian)了壹(yi)滴(di)水(shui)中(zhong)的(de)世(shi)界(jie)，準(zhun)確(que)地(di)描(miao)述了紅(hong)細(xi)胞，證明了馬(ma)爾皮基推測(ce)的(de)毛(mao)細(xi)血(xue)管層(ceng)是(shi)真(zhen)實(shi)存(cun)在(zai)的，他(ta)成(cheng)為了(le)微生物學的(de)奠(dian)基人。

　　與(yu)列文(wen)虎(hu)克同(tong)期(qi)的，還有壹個(ge)叫(jiao)做羅(luo)伯特•胡(hu)克，被(bei)稱為“倫(lun)敦(dun)的(de)萊奧納多(duo)•達(da)•芬奇(qi)”的英國博物學家(jia)。妳(ni)說(shuo)對(dui)了(le)，“胡(hu)克定(ding)律(lv)”就(jiu)是以他(ta)名(ming)字(zi)命(ming)名(ming)的(de)。他(ta)不(bu)僅(jin)提出了彈性(xing)材料(liao)的(de)胡(hu)克定(ding)律(lv)，萬(wan)有引力(li)的(de)平方反(fan)比(bi)關(guan)系(xi)，設(she)計了真(zhen)空(kong)泵(beng)，還利(li)用自制(zhi)的(de)顯(xian)微鏡(jing)發現(xian)了軟木(mu)中(zhong)的“小室”，並將“cell”壹(yi)詞深深地(di)刻(ke)進(jin)了(le)現(xian)代(dai)人(ren)的腦(nao)海中(zhong)。從(cong)此(ci)，顯(xian)微鏡(jing)的發展(zhan)進入(ru)了快(kuai)車道(dao)，出(chu)現(xian)了形式多(duo)樣(yang)、擁有不同(tong)功(gong)能的各(ge)色(se)顯(xian)微鏡(jing)。

　　▲光(guang)學顯(xian)微鏡(jing)

　　燈(deng)泡的發明讓那些狂熱的(de)顯(xian)微鏡(jing)粉絲們(men)欣(xin)喜不(bu)已(yi)，終於(yu)可以在(zai)晚(wan)上(shang)也(ye)可以使(shi)用高倍(bei)鏡(jing)片(pian)來觸(chu)摸微觀(guan)世(shi)界(jie)了(le)。但是(shi)當他(ta)們(men)將光(guang)源經聚(ju)光(guang)鏡(jing)投射(she)在(zai)被(bei)檢樣(yang)本(ben)上(shang)後(hou)，卻(que)發現(xian)在視(shi)野(ye)中(zhong)除了(le)有那些小東西，竟(jing)然(ran)還發現(xian)了燈(deng)絲的(de)影(ying)像(xiang)。直(zhi)到1893年(nian)，壹(yi)個(ge)叫(jiao)柯勒(le)的(de)年(nian)輕人(ren)，發明了二次成(cheng)像(xiang)技(ji)術，成(cheng)功地(di)將(jiang)熱焦點(dian)落(luo)在了被(bei)檢樣(yang)本(ben)之(zhi)外(wai)，不僅(jin)光線(xian)均(jun)勻(yun)了，而且(qie)也(ye)不會損傷樣(yang)本(ben)。這種(zhong)被(bei)稱為柯勒(le)照(zhao)明(ming)的(de)光源系(xi)統(tong)，成(cheng)為了(le)現(xian)代(dai)光(guang)學顯(xian)微鏡(jing)的關鍵部(bu)件(jian)。

　　顯(xian)微鏡(jing)的變革，也(ye)使細(xi)胞(bao)學迎(ying)來了(le)zui為輝(hui)煌(huang)的(de)發展(zhan)時期。細胞器、染色體等(deng)細(xi)胞(bao)染(ran)色方法的出(chu)現(xian)，使人(ren)們(men)對(dui)於(yu)細胞(bao)這壹生命zui基本單(dan)位(wei)有了相(xiang)當深入(ru)的認(ren)識。但是(shi)，染(ran)色(se)畢竟(jing)影(ying)響(xiang)甚(shen)至(zhi)殺(sha)死了(le)細(xi)胞，跟(gen)壹(yi)堆(dui)死細(xi)胞(bao)玩真(zhen)是(shi)太(tai)沒(mei)意(yi)思(si)了!直(zhi)到20世(shi)紀(ji)二(er)、三十(shi)年(nian)代(dai)，弗(fu)裏(li)茨•澤(ze)爾尼(ni)克在研究(jiu)衍射(she)光(guang)柵的時候(hou)，發明了相差(cha)顯(xian)微技(ji)術，這壹情況(kuang)才(cai)被(bei)*改(gai)變。

　　再(zai)後(hou)來，出(chu)現(xian)了各(ge)種(zhong)形形色色的(de)顯(xian)微鏡(jing)，按照(zhao)設(she)計(ji)方式的不(bu)同(tong)，有正立(li)的(de)、倒(dao)立的(de)，還有解(jie)剖顯(xian)微鏡(jing)，按照(zhao)目鏡(jing)的個(ge)數(shu)，有單目鏡(jing)的、雙(shuang)目鏡(jing)的，還有直(zhi)接(jie)數碼(ma)相機采(cai)集圖像(xiang)的(de)，有使用偏(pian)振光(guang)作光源的，還有不將(jiang)光(guang)直(zhi)接(jie)射(she)入(ru)樣(yang)本(ben)的(de)暗(an)視(shi)野(ye)顯(xian)微鏡(jing)，還有選定(ding)特定(ding)波(bo)長的光波照(zhao)射(she)樣(yang)本(ben)，以產(chan)生熒光(guang)的熒(ying)光(guang)顯(xian)微鏡(jing)。

　　▲瓶(ping)頸(jing)所在

　　十(shi)八(ba)世(shi)紀(ji)，光(guang)學顯(xian)微鏡(jing)的放大倍(bei)數已(yi)經(jing)可(ke)以達(da)到1 000倍(bei)，直(zhi)到現(xian)在人(ren)們(men)也(ye)只能(neng)將(jiang)其提高到1 600倍(bei)左右這個(ge)極(ji)限(xian)了。不(bu)是因為技術不夠(gou)，而是(shi)因為(wei)顯(xian)微鏡(jing)的zui大分辨率受到光(guang)源波長的限(xian)制(zhi)。

　　光(guang)在傳(chuan)播途(tu)徑(jing)中(zhong)，如果(guo)碰(peng)到的(de)障(zhang)礙物或者(zhe)小孔的(de)尺(chi)寸遠(yuan)大(da)於(yu)光的(de)波長時，就(jiu)會被(bei)反射(she)回(hui)去(qu)或者(zhe)穿(chuan)透過去(qu)，可以看(kan)作是沿直(zhi)線(xian)傳(chuan)播。但是(shi)當物(wu)體尺(chi)寸與光波(bo)差(cha)不多(duo)甚(shen)至(zhi)還要(yao)小的時候(hou)，光(guang)波就(jiu)會發生衍射(she)現(xian)象並(bing)繞(rao)過去(qu)。不論(lun)我(wo)們(men)怎(zen)樣(yang)磨(mo)鏡(jing)片(pian)，或者(zhe)使用油(you)鏡(jing)來提高清(qing)晰度(du)，顯(xian)微鏡(jing)的分辨率zui多(duo)也(ye)只能(neng)達(da)到光(guang)波(bo)長的壹半。而(er)我(wo)們(men)肉眼(yan)通(tong)常(chang)能(neng)感(gan)知(zhi)的(de)可見光，波長範圍在0.39μm ~0.76μm，即(ji)便使用0.39μm左右的(de)紫(zi)外(wai)光(guang)，理想狀(zhuang)況(kuang)下(xia)，也(ye)就(jiu)能達(da)到0.2μm的(de)分辨率。所以，要(yao)想提高分辨率，只(zhi)能改(gai)變光(guang)源，並且(qie)改(gai)用儀器(qi)來探(tan)測放大(da)的(de)圖像(xiang)。

　　▲新(xin)時代(dai)的(de)驕(jiao)子(zi)

　　當人(ren)們(men)意(yi)識到用光學顯(xian)微鏡(jing)看不到原(yuan)子(zi)般(ban)細(xi)微的(de)物(wu)質，那麽(me)就(jiu)會想法(fa)進(jin)壹步提高顯(xian)微鏡(jing)的分辨率，別的辦(ban)法(fa)行(xing)不通(tong)，那就(jiu)只能(neng)尋(xun)找(zhao)比(bi)光(guang)波波長還短(duan)的(de)光源。還有哪些波的波(bo)長比(bi)光(guang)波還短(duan)?當然(ran)是(shi)電(dian)子(zi)。註意(yi)，是電(dian)子(zi)，不是(shi)家裏(li)電(dian)線中(zhong)220 V的(de)電(dian)……

　　1924年(nian)，德(de)布(bu)羅(luo)意(yi)提出了波粒(li)二(er)象(xiang)性(xing)的假(jia)說(shuo)，根(gen)據(ju)這壹假(jia)說(shuo)，電(dian)子(zi)也(ye)會具有幹涉(she)和(he)衍(yan)射(she)等(deng)波(bo)動(dong)現(xian)象，這被(bei)後(hou)來的(de)電(dian)子(zi)衍射(she)試驗所證實。接(jie)著漢(han)斯•*又開(kai)創了(le)電(dian)磁(ci)透鏡(jing)的理論。這些使人們(men)產生了制(zhi)作顯(xian)微鏡(jing)的新想法：為什(shen)麽(me)不用具有波動(dong)性(xing)的電(dian)子(zi)做“光(guang)源”，再用電(dian)磁(ci)透鏡(jing)來放(fang)大呢?於(yu)是，1932年(nian)德(de)國工程師恩斯特•魯(lu)斯(si)卡和馬(ma)克斯•克諾爾制(zhi)造(zao)出(chu)了(le)*臺透視(shi)電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)，這是近代(dai)電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)的先導，魯(lu)斯(si)卡也(ye)因此(ci)獲得了1986年(nian)度(du)的(de)諾貝爾物理(li)獎。

　　電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)有著與(yu)光(guang)學顯(xian)微鏡(jing)相似的成(cheng)像(xiang)原(yuan)理，它的神(shen)奇(qi)之(zhi)處在(zai)於(yu)用電(dian)子(zi)束代(dai)替(ti)光源，而電(dian)磁(ci)場(chang)也(ye)化(hua)身(shen)成(cheng)了透鏡(jing)：高速的電(dian)子(zi)束在(zai)真(zhen)空(kong)通(tong)道(dao)中(zhong)穿(chuan)越(yue)聚(ju)光(guang)鏡(jing)再透過樣(yang)品(pin)，帶著樣(yang)品(pin)內(nei)部(bu)的(de)結構信息投(tou)射(she)在(zai)熒(ying)光(guang)屏板上(shang)，zui終轉化(hua)成(cheng)可見光影像(xiang)。另外(wai)，由(you)於(yu)電(dian)子(zi)束的(de)穿(chuan)透力(li)很弱，用於(yu)電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)的標本(ben)，需要(yao)用超(chao)薄切(qie)片(pian)機(ji)制(zhi)成(cheng)厚50納米左右的(de)超(chao)薄切(qie)片(pian)，稍(shao)微厚(hou)壹(yi)點，電(dian)子(zi)就(jiu)可能(neng)做(zuo)無(wu)用功。如(ru)果給(gei)飛(fei)奔(ben)的電(dian)子(zi)再來壹(yi)馬(ma)鞭(bian)，電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)的放大倍(bei)數zui高可達(da)近百萬(wan)倍(bei)，分辨率可(ke)以達(da)到納米級(10-9 m)。

　　用電(dian)子(zi)束代(dai)替(ti)光看(kan)起來已(yi)經(jing)是(shi)壹(yi)個(ge)反(fan)常規(gui)的奇(qi)妙(miao)主(zhu)意(yi)，但讓(rang)人(ren)想(xiang)不到的(de)還在後(hou)面(mian)。1983年(nian)，IBM公(gong)司(si)蘇黎世(shi)實(shi)驗室的(de)兩位(wei)科學家(jia)格爾德•賓寧和(he)海(hai)因(yin)裏希•羅(luo)雷爾，發明了掃描隧(sui)道(dao)顯(xian)微鏡(jing)，這是壹(yi)種(zhong)利(li)用量子(zi)理論(lun)中的(de)隧(sui)道(dao)效應(ying)探(tan)測物質表(biao)面(mian)結(jie)構的儀(yi)器。這種(zhong)顯(xian)微鏡(jing)比(bi)電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)更(geng)激(ji)進(jin)，它的出(chu)現(xian)*拋開(kai)了傳(chuan)統(tong)顯(xian)微鏡(jing)的概(gai)念(nian)。

　　zui神(shen)奇(qi)的(de)是(shi)，掃描隧(sui)道(dao)顯(xian)微鏡(jing)沒(mei)有鏡(jing)頭(tou)!沒(mei)有鏡(jing)頭(tou)也(ye)敢(gan)叫(jiao)“顯(xian)微鏡(jing)”?沒(mei)錯，這不是(shi)山(shan)寨的(de)時(shi)候(hou)出(chu)了問(wen)題(ti)，它原(yuan)原(yuan)本本就(jiu)是這麽(me)設計(ji)的(de)。掃描隧(sui)道(dao)顯(xian)微鏡(jing)依靠(kao)“隧(sui)道(dao)效應(ying)”進(jin)行(xing)工作，如同(tong)壹(yi)根(gen)唱(chang)針(zhen)掃過壹(yi)張(zhang)唱(chang)片(pian)。壹(yi)根(gen)有著原(yuan)子(zi)般(ban)大(da)小的探(tan)針(zhen)慢慢通(tong)過被(bei)分析的物(wu)體，當探(tan)針(zhen)距(ju)離(li)物體表(biao)面(mian)很近時(大(da)約(yue)在(zai)納米級的(de)距(ju)離(li))，電(dian)子(zi)會穿(chuan)過物(wu)體與(yu)探(tan)針(zhen)之(zhi)間(jian)的空(kong)隙(xi)，形成(cheng)壹股微弱(ruo)的(de)電(dian)流(liu)。如果(guo)探(tan)針(zhen)與物體的(de)距(ju)離(li)發生變化(hua)，這股電(dian)流(liu)也(ye)會相應(ying)改(gai)變，通(tong)過測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)我們(men)就(jiu)能知(zhi)道(dao)物(wu)體表(biao)面(mian)的(de)形狀(zhuang)。所以，當電(dian)流(liu)經過壹(yi)個(ge)原(yuan)子(zi)，便能(neng)極其(qi)細致地(di)描(miao)繪出它的輪廓，通(tong)過繪出電(dian)流(liu)量的(de)波動(dong)，我(wo)們(men)就(jiu)可以得(de)到單(dan)個(ge)原(yuan)子(zi)的美(mei)麗(li)圖片(pian)。

　　電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)的出現(xian)，“神(shen)馬(ma)”細(xi)菌、病毒、DNA、蛋白(bai)質大(da)分子(zi)、原(yuan)子(zi)核、電(dian)子(zi)雲啥的(de)，都(dou)得(de)規(gui)規(gui)矩矩(ju)老實(shi)聽話(hua)，要(yao)不，來探(tan)針(zhen)下(xia)現(xian)個(ge)原(yuan)形?

　　▲未(wei)知(zhi)的(de)微觀(guan)世(shi)界(jie)

　　對(dui)人來說(shuo)，安全(quan)電(dian)壓(ya)是36 V，可(ke)是對於(yu)電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)下(xia)的觀(guan)測樣(yang)品(pin)，其接(jie)收到的(de)輻(fu)射(she)劑(ji)量(liang)等(deng)同(tong)於(yu)10萬(wan)噸當量(liang)的(de)氫彈在30米遠(yuan)處爆(bao)炸的輻(fu)射(she)量(liang)!當生物標本(ben)暴露於(yu)電(dian)子(zi)束中(zhong)時，細(xi)胞結(jie)構和化(hua)學鍵將迅速崩潰(kui)，所以電(dian)子(zi)顯(xian)微鏡(jing)雖(sui)然(ran)精妙(miao)卻(que)無(wu)法(fa)用於(yu)活細(xi)胞的(de)觀察(cha)。

　　麻省理工(gong)大(da)學Mehmet教(jiao)授的研究(jiu)小組提出，通(tong)過使(shi)用量子(zi)力學的(de)測(ce)量技(ji)術可以讓(rang)電(dian)子(zi)束被(bei)約(yue)束起來，在(zai)稍(shao)遠(yuan)的(de)距(ju)離(li)感應(ying)被(bei)觀察的物(wu)體，壹(yi)次掃描樣(yang)品(pin)的壹(yi)個(ge)像(xiang)素，並將(jiang)這些像(xiang)素組合(he)起來拼出整個(ge)樣(yang)品(pin)的圖(tu)像(xiang)，從(cong)而避(bi)免損壞實(shi)驗樣(yang)品(pin)。倘若(ruo)研究(jiu)成(cheng)功，它可以使(shi)研究(jiu)人員(yuan)看(kan)到分子(zi)在活(huo)體細(xi)胞內(nei)的(de)活動(dong)，比(bi)如(ru)酶在活細(xi)胞(bao)中的(de)功能或是(shi)DNA的(de)復制(zhi)過程(cheng)，用以揭示生命和(he)物質的(de)基本問(wen)題(ti)。

　　看(kan)電(dian)影，妳(ni)壹定(ding)希(xi)望(wang)看(kan)到3D的(de)畫面。同(tong)樣(yang)的(de)，長期的2D顯(xian)微鏡(jing)成(cheng)像(xiang)，也(ye)讓人(ren)們(men)感到審美(mei)疲(pi)勞，於(yu)是3D圖(tu)像(xiang)技(ji)術如雨(yu)後(hou)春(chun)筍般(ban)發展(zhan)起來。共聚(ju)焦(jiao)顯(xian)微鏡(jing)已(yi)經(jing)能(neng)夠(gou)通(tong)過移(yi)動(dong)透鏡(jing)系(xi)統(tong)對壹個(ge)半透明(ming)的(de)物體進(jin)行(xing)三維(wei)掃描，通(tong)過計(ji)算機系(xi)統(tong)的輔助，對實驗材料(liao)從(cong)外觀到內(nei)在(zai)、從(cong)靜態(tai)到動(dong)態(tai)、從(cong)形態到功(gong)能(neng)進行(xing)觀察(cha)。

　　同(tong)時(shi)，隨(sui)著數(shu)碼攝(she)影技術、信息技(ji)術和自動(dong)化(hua)技術的革新(xin)，顯(xian)微鏡(jing)的外觀、舒適性(xing)、自動(dong)化(hua)程度以及(ji)方(fang)便(bian)性(xing)都(dou)在(zai)提高。例如(ru)近幾年(nian)的(de)大(da)屏幕(mu)倒置(zhi)顯(xian)微鏡(jing)，直(zhi)接(jie)通(tong)過液(ye)晶(jing)顯(xian)示(shi)器(qi)來觀(guan)察，研究(jiu)細胞(bao)結(jie)構就(jiu)像(xiang)在(zai)電(dian)腦上(shang)看電(dian)影，大(da)大減(jian)輕了(le)顯(xian)微鏡(jing)觀察時的疲勞。