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从微观看世界

顾卫华 访问量: 【字号:

在我小的时候,拿着放大镜看世界一直是一种莫大的乐趣,你可以看到肉眼所不容易注意到的小东西,感觉发现了新世界。久而久之,当我已经开始从事科研工作了,发现科研领域很多时候也需要从微观看世界,越来越高精尖的仪器也随之诞生。

从最开始的放大镜,到显微镜的出现,再到扫描电镜,再到更新的用处更专一的原子荧光显微镜等等,为我们的科研提供了不一样的视角。很奇怪,做出显微镜的第一人不是生物学家,而是一个观星的人——现代物理学与天文学之父伽利略。1609年,在听说了这个孩子的发明后,他不仅研究明白了这些镜片在一起能够放大很多倍的原理,还制造出了一台更为精密的工具,并将其命名为occhiolino(也被称为little eye)。从此,现代意义上的显微镜走进人们的视野。

显微镜的出现,也使细胞学迎来了最为辉煌的发展时期。细胞器、染色体等细胞染色方法的出现,使人们对于细胞这一生命最基本单位有了相当深入的认识。但是,染色毕竟影响甚至杀死了细胞,跟一堆死细胞玩真是太没意思了!直到20世纪二、三十年代,弗里茨?泽尔尼克在研究衍射光栅的时候,发明了相差显微技术,这一情况才被彻底改变。

再后来,出现了各种形形色色的显微镜,按照设计方式的不同,有正立的、倒立的,还有解剖显微镜,按照目镜的个数,有单目镜的、双目镜的,还有直接数码相机采集图像的,有使用偏振光作光源的,还有不将光直接射入样本的暗视野显微镜,还有选定特定波长的光波照射样本,以产生荧光的荧光显微镜等等。

后来,当人们意识到用光学显微镜看不到原子般细微的物质,那么就会想法进一步提高显微镜的分辨率,别的办法行不通,那就只能寻找比光波波长还短的光源。还有哪些波的波长比光波还短?当然是电子。注意,是电子,不是家里电线中220 V的电……

1924年,德布罗意提出了波粒二象性的假说,根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。接着汉斯?布什又开创了电磁透镜的理论。这些使人们产生了制作显微镜的新想法:为什么不用具有波动性的电子做“光源”,再用电磁透镜来放大呢?于是,1932年德国工程师恩斯特?鲁斯卡和马克斯?克诺尔制造出了第一台透视电子显微镜,这是近代电子显微镜的先导,鲁斯卡也因此获得了1986年度的诺贝尔物理奖。

电子显微镜有着与光学显微镜相似的成像原理,它的神奇之处在于用电子束代替光源,而电磁场也化身成了透镜:高速的电子束在真空通道中穿越聚光镜再透过样品,带着样品内部的结构信息投射在荧光屏板上,最终转化成可见光影像。另外,由于电子束的穿透力很弱,用于电子显微镜的标本,需要用超薄切片机制成厚50纳米左右的超薄切片,稍微厚一点,电子就可能做无用功。如果给飞奔的电子再来一马鞭,电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍,分辨率可以达到纳米级(10-9 m)。

用电子束代替光看起来已经是一个反常规的奇妙主意,但让人想不到的还在后面。1983年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家格尔德?宾宁和海因里希?罗雷尔,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,它的出现完全抛开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!没有镜头也敢叫“显微镜”?没错,这不是山寨的时候出了问题,它原原本本就是这么设计的。扫描隧道显微镜依靠“隧道效应”进行工作,如同一根唱针扫过一张唱片。一根有着原子般大小的探针慢慢通过被分析的物体,当探针距离物体表面很近时(大约在纳米级的距离),电子会穿过物体与探针之间的空隙,形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化,这股电流也会相应改变,通过测量电流我们就能知道物体表面的形状。所以,当电流经过一个原子,便能极其细致地描绘出它的轮廓,通过绘出电流量的波动,我们就可以得到单个原子的美丽图片。

电子显微镜的出现,“神马”细菌、病毒、DNA、蛋白质大分子、原子核、电子云啥的,都得规规矩矩老实听话,要不,来探针下现个原形?

随着数码摄影技术、信息技术和自动化技术的革新,显微镜的外观、舒适性、自动化程度以及方便性都在提高。例如近几年的大屏幕倒置显微镜,直接通过液晶显示器来观察,研究细胞结构就像在电脑上看电影,大大减轻了显微镜观察时的疲劳,也避免科研人员重蹈因为长期观察显微镜而落下颈椎病的覆辙。再比如实现自动化远程操作的显微镜,能够自动转换物镜,自动对焦,在临床医学上可以作为远程医疗的有效手段,进行专家远程会诊和异地病理资源共享。想一想,那时候看病就跟上网聊天一样方便,这样的未来更值得期待。

(下面的一组图片,是我在我校梁炎老师的科学可视化课程上看到的,感觉当时看到后感触颇深,这组图片完美的展示了从宏观到微观的过程,从肉眼看到的青凤蝶,到用扫描电镜去看的蝶翼一角,你若只看最后的几张图片,肯定无法想象这是蝴蝶的翅膀,但是微观的世界就是这么神奇。)