主题：【分享】趣谈显微镜历史

　　作为一个篮子手工业者的儿子，列文虎克从父亲那里遗传了心灵手巧的基因。只有他才能做出直径为2-4毫米、放大率100-300倍的镜片，能分辨出一丁点桔子皮上1µm大的细节。但是手工艺人精神大放光芒，他说：“有些秘密手段我得自己留着。”他在这一点上非常成功。直到250年后(上世纪五十年代)真正的“列文虎克镜片”才通过美国人之手再次人间显现。其实，在当年众人都以为列文虎克没日没夜磨镜片时，他只是取了一根细玻璃，把中部在火焰上烤软了，两头一拉拉成两半，再将拉出的细长一端倾斜着放在火上烤化，这个时候在细尖端便会逐渐凝出一小滴“小扁豆”，如同你把冰棍头朝下凝出一滴水一样，这便是他的镜片了。看到今日的人们一拍脑门恍然大悟，列文虎克倚在天堂的栏杆上得意地笑了。

用这种方法，列文虎克一生一共做了500多架单式镜，可惜他太讲求完美，镜身全是货真价实的金和银(也有人说有黄铜的)，在他死后，这些宝贝被卖了好价钱，流落民间再不见踪影。(图二：可以看出这种单式镜有多小，小孔内有镜片。具体用法是将物体扎在小孔一侧，人从小孔另一端观看。)

　　世界上那么多手工艺人，为什么列文虎克如此出名？这是因为他拥有全地球第一只观察到细菌的人类眼睛。实验初衷本是“寻找辣椒中的辣成分”，结果不知是成心还是忘记，一小片辣椒竟被他泡了3星期之久。没有持家经验的列文虎克非常单纯地取出一滴进行了观察，却看到一系列在水里忙碌跑动的“小动物粒”(animalcule)(图三，可见行动轨迹)。通过计算，他说：“在一粒沙子这么大的空间能容得下一亿个‘小动物粒’”。从这句话，我们不仅知道列文虎克懂得体积的计算以及简单除法，而且能推测出他看到的就是细菌。另一位微生物学家胡克尝试了用水泡其它瓜果蔬菜，证实了以上结果是可重复的。

　对于手笨而无法制出2毫米“小扁豆”的人，也有迂回之计——早在列文虎克诞生之前40年，荷兰眼镜制造商已发明出用两片镜片排成一列，逐次放大物体的方法，因为用到多个透镜，所以叫“复式”。然而列文虎克可以无视这种复式镜的发明，因为联手的双镜片足足花了150年才赶上他单镜片的水准。当然其中仍有佼佼者，那就是前边提到同样泡过蔬菜水的胡克和大名鼎鼎的伽利略(图四：伽利略显微镜)。为了与望远镜那“看得更远”(tele+scope)的梦想对仗，人们将伽利略的“复式镜”起名为“看得更小”(micro+scope)——直到今天，“看得更远”和“看得更小”仍在向两个极端推广人类视野。

　　那时的显微镜情趣十足，有金色、银色和实木的镜身，最豪华的有小银人雕像，好像一个八音盒；下边常常自带杂物抽屉，可以装一些小手饰和小零件，有的甚至可以把自身都装进去(图五)。

后来水族馆一族想到把镜片安在水盆里看水下生物；机械能手开发出齿轮调焦；摄影爱好者给小巧的显微镜安上硕大如手风琴风箱一般的相机(图六)——大家各设所需。目镜多数仍是“单目”，这种传统被保留至今——在我大学生物课上一项必需的技能就是一只眼观察镜筒，另一只眼盯住桌上的纸，看着铅笔把镜筒中的花花世界画出来。

现代科研中最常用到的显微镜将明视场和荧光显微镜合二为一，简而言之，前者用全色的白光照亮被观察的细胞或组织，看它们本原的颜色，分辨其边界和起伏；后者用单色光照射观察对象内部或表面的荧光蛋白，再看荧光蛋白在细胞何处发光。结果，一个像是打着手电在黑屋子里找一根霓虹灯管，另一个像是把霓虹灯打开，在黑暗里看它(图七，左边为荧光，右边为明视场)。具体图像请见《美的眼睛和显微镜》一文，那里是光学显微镜的天下。

而放大倍数也已达到了理论的极限，因为不论镜片弧度多么精准无误，透镜组合多么完美，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半——自然光的平均波长为0.55µm，所以分辨率能达到0.275 µm，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。要想继续看小下去，必需质的飞跃。

　　最后值得一提的一种光学显微镜名叫“解剖镜”，即体视镜(stereoscope)(题图)，通常用它观察有一定厚度的物体；放大率不到100倍，但已经能让你清楚地看清果蝇的眼睛和花药里一粒粒的花粉。不同于一般复式显微镜，它用两套光路分别向人的两只眼睛成像，就像双目的延伸，因此在《美的眼睛和显微镜》一文中出镜的小鸡胚胎和采采蝇头都是立体的。

复式显微镜

体视镜(stereoscope)

超越光的极限——电子显微镜

　　自从镜头下的物体第一次被光线照亮，光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔，分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55µm，这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 µm的细节。

　　若想继续用可见光做显微镜的光源，必须缩短它们的波长，唯一的办法是让光跑得更快——然而如果有什么速度能超越光速这个定值，相对论则会被推翻，时间机器就会存在，电影《无极》中的情景可能成真，我们的世界里就会飞满了来自未来的观光者……大家知道这是不可能的。

　　这样，光学显微镜的发明使人们的目光从“一面墙”倏的一下集中到了墙上的“一块块砖头”；但由于光线无法提速，就无论如何敲不开砖头，看不到它们的内部去。随着时间的推移，天文学家望到越来越多的天体，只是不可触及；对生物学家来说，细胞尽在咫尺，然而从某种意义来讲却同星系一样遥远。

　　对可见光下不可见的微观世界猜了四百年，那时的人们自然地认为，细胞内部如同一锅稠粥，用专业的话讲，细胞就是一口袋“蛋白酶”。

　　质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明电子也和光子一样具有波动性，令人惊喜的是其波长本身就比光子短。这位未来的法国公爵和德国亲王，早年曾毕业于历史专业，却在刚刚萌发科学兴致不久投身第一次世界大战。战中巴黎铁塔上无数个与无线电发射器为伴的夜晚，不知是否启发了德布罗意对“波”的奇思妙想。上述研究使德布罗意马上博士毕业，5年后，为他赢得了诺贝尔物理学奖，自此开创博士论文获得诺奖的先河；而它对本篇文章最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子为何能像光子一样做显微镜的“光源”；利用德布罗意公式可以算出，电子的速度能被电场加到特别大，以至波长缩到光子的1/100000。如果用电子做“光源”，那么显微镜分辨率则可以本质性地提高，就可以看到更加细微的物体了。

　　1931年，一束轻盈的电子在一条一米多高的巨型金属柱中加速(下图为一台1933年制作的电镜)，继而被汇聚在一些小网格样品上，将小格放大了14.4倍。这台试验品就被定义为“世上第一台电子显微镜”(电镜)，尽管放大本领和一把手持放大镜差不多，但它却标志人类首次以电代光“照”出了物体的影像。执行这项工程的德国科学家卢斯卡也因此在55年后被颁予诺贝尔奖。电镜诞生后，电子被不断提速，其波长越来越短，能照出的细节也越来越精致——10年之内，电镜的理论分辨率已达10纳米(当然那时没有真正实现)，是细胞膜的厚度。

人类首次看到的细胞内部

今日，一般电镜分辨率已达1纳米，能将物体放大200万倍，细胞、细胞里的膜、膜上的分子世界豁然开朗；如果再让电子疯狂加速，加上软件的帮忙，不到1埃(=0.1纳米)的原子也能分辨清楚；全世界一共分布了10000台电子显微镜，想想在它发明之初人们做出的预测——“只要10台便已足够”——不禁慨叹在科学领域，做预言真需要有夸海口的胆识。

　为精子画一幅素描

　　精子：Sperm，来自希腊语，取“种子”之义，一颗“种子”就是一个细胞。在温和无害的玻璃皿中，每小时大约毙命5-10%；橡胶避孕套中这一数字达到60-80%。在他们自然死亡之前，我们就可以给他们画肖像画了。

　　先复习一下简史(一)的内容。下图左所示为普通光学显微镜下的精子；右边是荧光照片，在这张照片中，蓝色是他们的头，显示里边塞满了遗传的全部家当——DNA；红色是不停扭动的长尾巴，因为这个颜色染出了尾巴中为精子提供长跑比赛巨大能量的结构——“线粒体”(下文图中会看到线粒体如何塞满了精子尾巴)。

显微镜下的精子

用电镜画画需要更复杂的过程。

　　首先要杀死他们。原因是精子在电镜内部电子的轰炸下会死得非常惨烈，因此先将它们安乐死是一种仁慈的做法——这当然是谎话(生物学家和心慈手软毫不沾边)。正解是，在电镜系统内，这颗可怜的小精子正如一个摊开的鸡蛋，软塌塌地禁不起蹂躏，为了让生物学家能够长时间观察它，它必须坚毅地挺住。让鸡蛋变硬，我们可以煎炒烹炸，对精子，只能用化学物质让它内部的结构原地不动。

　　然后是细胞脱水。因为电镜内部几乎为真空，如果细胞里的水分持续不断地挥发到这个系统中，真空就会被打破。

　　下边还得让精子变得更结实，方法是将它们泡进液态的树脂中，然后放在烤箱里烤，加速自然界树脂的硬化过程，最后一颗亮晶晶的“精子琥珀”就出炉了。到这一步，两天至少已经过去。但这颗琥珀对于电镜观察实在太厚，于是需要用极其精细的手段将之切成几十纳米薄的切片；琥珀很硬，因此用的武器是世间最硬的钻石制成的刀，刀尖锋利无比，价值上千美元。

　　把切好的精子切片放到电镜里，用电子轰炸、成像，一张如铅笔素描一般的精子电镜照片就炼成了。这张照片所显示的是长长的精子的尾巴，相当于上图荧光照片中红色的部分，那一个个整齐排列的圆球便是前边提到的能量工厂“线粒体”了。精子“头脑简单，四肢发达”(指头部内容物精简，尾巴力量无穷)，头部没什么东西好看，就不给大家展示了。

精子尾部显微特写

人最关心人的精子，实际上植物的精子一样美丽——它们被包裹在花粉之中。图示为天竺葵花粉，右下和左上分别为两颗细胞。其中右下的那个(被红笔框出)会在花粉落到柱头(雌性生殖器官)上之后一分为二，每一半都是一颗精子。和人的不同，天竺葵花的精子没有尾巴，不会游泳。

精子还有另一种死法——它们可以被镀上金，变成一颗金精子，再拿到扫描电镜下边照相。下图一团乱麻就是扫描电镜下的精子。要知道为何镀金，如何照相，请听下回分解。

镀金的葬礼–扫描电镜

埃及法老死了，可以用裹脚布缠了锁到金字塔里；汉皇帝死了，套上金缕玉衣装进墓室；而一颗精子死了，也可以享受通体喷金的待遇，然后被放到扫描电镜里，为科学进步最后出一把力。

　　为什么扫描电镜的观测过程需要如此华丽呢？

　　让我们仍然拿这颗幸运的精子举例，不同于上一节，这次我们关心的是它的"外表问题"。同电镜一样，扫描电镜利用高能电子束轰击精子，期望炸得它的表面电子直飞。电子如何飞出、飞出多少，就反映了这颗精子的外表状况：比如是否光滑、通体姿态是否英俊等等。大家知道精子就像人体，都是不良导体，不容易轰出电子；另外，细胞的主要组成元素是碳，原子量小，抵御能力差，电子束容易炸到里边去，这样就不容易精确判断飞出的电子究竟来源于外层还是内部–紧贴表面镀上一层金铠甲，由铠甲飞出的电子可以测得铠甲形状，也就知道了内表面形状。这里只给大家看一只新鲜镀金、即将举行电子轰炸仪式的蜜蜂。与它并列的是精子的轰炸成品–扫描电镜图。

不同于电镜，扫描电镜扫描物体表面，所以得到的图像是立体的；它的放大率本领也极其多能，从25倍直到250000倍都可灵活掌握。这样一个聪明的技术，却是由一个"天才少年"纸上谈兵的演算开始的。

　　von Ardenne，货真价实的贵族少爷，奶奶是《寂寞芳心》这本书的女主角原型。他15岁拿到第一项电子管专利，后来高考也不参加就进了大学，入学才一年又以"教学死板"为由炒了学校的鱿鱼–最后果然成为应用物理界牛人一枚，在电镜、医疗、核技术、膜物理、无线电和电视技术等领域独占600项专利，私人实验室全由专利费养活。二战爆发前两年，他灵感突然迸发，撰文两篇论证想象中的扫描电镜；只是在付诸实施阶段竟对成果的解像度从未满意，于是没有发表任何照片。二战的空袭炸毁了不少电镜，除了上一节提到的西门子实验室，还有von Ardenne的雏形扫描电镜。von Ardenne同电镜的缘分随着钢铁骨架的破碎而灰飞烟灭。有人说，二战只需晚两年，扫描电镜的发明权必然纳入他的囊中。

　　二战平息，历史将研究的接力棒交给英国绅士Charles Oatley。不像von Ardenne，这个真正的发明者Oatley出生于烤面包行业，严谨低调，观其一生都很难找到什么风流韵事和英雄事迹。他的父亲虽然没有科学知识，却崇拜科学，并把热爱科学的基因遗传给了孩子。Oatley6岁时，父亲就将一辆电动汽车作为生日礼物送给他，后来又添了一个显微镜，这在1910那个年代可不是一些常见的玩具。Oatley就这样走出乡村，走入剑桥，二战后继续执教那里。尽管同时代的许多专家都说"研究扫描电镜简直是浪费时间"，Oatley还是目光敏锐地率领自己的博士生寒窗十年，敲打出让自己看到希望的扫描电镜；然后又是十年才说服其他显微镜学家接受这个成果。1965年，扫描电镜的生产终于商业化，那具有历史意义的第一台被运往材料大公司杜邦的实验室。

扫描电镜也可以在冰冻的条件下操作，于是我们有幸能够一睹雪花的表面细节。不知北京的冬天有没有飘雪呢？

拨弄那“原初的孩子”——扫描隧道显微镜

上一节还提到，暮年的电镜鼻祖卢斯卡凭借一项五十岁的发明摘得1986年诺贝尔物理学奖，同他分享奖项的还有两位比他年轻30和40岁的欧洲科学家–IBM公司的比尼西和卢勒，前者成长于法兰克福二战后的废墟之上，以组建乐队和玩提琴起家，"幸而"弃艺从理；后者是泡利的学生，师承的不仅有科学知识，还有收获诺贝尔奖的传统。二位年轻人相会在IBM，异趣相投，却发现世上没有任何工具足以研究自己所感兴趣的物体表面原子构造。干脆自己动手，丰衣足食，仅两年便打造出一台扫描隧道显微镜。和电镜爷爷站在同一领奖台上，扫描隧道显微镜显然只是幼儿，那时它只有五岁大。

　　顾名思义，扫描隧道显微镜的意思是样品需要通过一个隧道般的仪器，像过火车，黑漆漆的隧道中有一个神秘的探头对其进行扫描，表面图像就自动生成了；由于隧道里没有光，所以图像只能采用很诡异的pseudo-color……啊，且慢！请放下你手中的西红柿！

　　没错，“样品过隧道”只是我多年的无稽想象，实际上“隧道”并不是一个宏观的概念。大家也许还记得中学化学老师说：构成物体的原子由原子核以及周围电子组成，电子老老实实绕核运动。但老师没讲的是，这些电子可能通过秘密“隧道”逃到你预料不到的周边去玩耍，所以你如果闭上眼睛瞎猜，最好严谨地说，这些电子有10%的可能穿过隧道跑出去了。题外话：崂山道士穿墙而过是同样道理(量子物理，一切皆有可能！)，只是你不可能经常看到这样牛的道士–因为道士的身体通常由无数微粒组成，哪怕每个粒子穿墙而过的概率都能达到10%，他全身所有粒子同时穿墙的概率也几乎等同于零。

　　扫描隧道显微镜就是借用了电子可能通过隧道跑到外边玩的性质。这个仪器像个盲人，要依靠一根细针在物体表面"抚摸"来确定物体形状，但是如何在不接触的前提下判断是否贴近目标了呢？请想象你要研究的表面由许多原子码成，每个原子里边都有电子，所以一个表面并不是齐刷刷的，而是长着一些招摇的“电子绒毛”，绒毛正是那些穿隧道跑走的调皮电子。仪器的针尖接近这个表面，针尖和表面上的电子绒毛就会接触，针尖就会感到非常痒痒，于是知道自己不能再靠近了；反之，一旦远离平面，针尖的绒毛立刻就感觉不到平面的绒毛，为了继续抚摸平面，就凑近。依据这个原理，扫描隧道显微镜便利用一根细到原子级别的针逐一"抚摸"表面的每颗原子，然后将它得到的印象告知人类。

　　请注意，文章进行到这一环节已达“原子”的精密程度(如果将你中等大小的细胞想象为地球，最大的原子也不过一个“鸟巢”场馆大小)，任何晃动都不能被容忍，因此诺贝尔奖得主当年利用了磁悬浮的技术来避免晃动，今日则多利用弹簧的原理。

　　在二位IBM工程师拿到诺贝尔奖不多年后，他们的同事不仅远观，而且亵玩，用类似仪器将35颗氙原子拼成IBM三个字。又过几年，居然又进行了更加明目张胆的艺术创作，用一粒粒铁原子写下横平竖直的“原子”，并这样注脚：“这两个汉字的意义是–原初的孩子(original child)”。

正如光学显微镜的发明定义了微生物学，电子显微镜的出现开始了细胞学；时至今日，扫描隧道显微镜这个当年的幼儿已长成巨人，并撑起了一片硕大的天空–那就是纳米技术。

　后来，扫描隧道显微镜有了各种衍生产物，由于都用到“探针”，所以被统称为扫描探针显微镜。其中一个借助声波的帮助，能打探到物体内部去，叫做扫描探针声显微镜。你能猜出图中的“泡泡花”是什么吗？低头看看你手上璀璨的钻戒，这幅图就是钻石的心灵了(金刚石内部层理)。感谢同济大学的小菊和他的老师将图片同大家分享。