電子顯微鏡的誕生

          世紀(jì)科信電子顯微鏡產(chǎn)品專欄: http://www.tukinfo.net/spm_100_0.shtml

          人類花費(fèi)了漫長的時(shí)間才踏進(jìn)微觀世界。300多年前，荷蘭人列文虎克成功制造出世界上第一架光學(xué)顯微鏡，令人類得以窺探肉眼所不能看見的奇異世界。然而，光學(xué)顯微鏡利用可見光視物，這大大限制了分辨率：光學(xué)顯微鏡的極限也只不過是細(xì)胞水平。人類對(duì)微觀世界的探索難道就只能停留在細(xì)胞水平嗎？

這個(gè)看似絕對(duì)的命題在上世紀(jì)初被法國著名的理論物理家德布羅意(De Broglie)打破了。一戰(zhàn)期間，德布羅意在埃菲爾鐵塔的軍用無線電報(bào)站服役。他是個(gè)科學(xué)愛好者，退伍后開始攻讀物理博士學(xué)位。在他哥哥莫里斯·德布羅意的帶領(lǐng)下，他開始深入思考波粒二象性的問題。

波粒二象性的意思是，某種物質(zhì)同時(shí)具備波和粒子的特性。這個(gè)概念最早由愛因斯坦于1905年提出，人們開始意識(shí)到原來光子同時(shí)具有波和電子的雙重性質(zhì)。德布羅意的研究工作拓展了波粒二象性的適用范圍：1923年9月到10月期間，他連續(xù)在《法國科學(xué)院通報(bào)》上發(fā)表了三篇文章，提出任何一種接近光速運(yùn)動(dòng)的粒子都具有波粒二象性。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)和電子顯微鏡有什么關(guān)系呢？1926-1927年，電子衍射現(xiàn)象驗(yàn)證了電子的波動(dòng)性，人們發(fā)現(xiàn)電子波長比X光還要短，從而聯(lián)想到可用電子射線代替可見光照明樣品來制作電子顯微鏡，以克服光波長在分辨率上的局限性。簡單地說，原本人們用光子來視物，現(xiàn)在，人們能夠用分辨率更高的電子來視物了！

1926年，德國物理學(xué)家布施（Busch）發(fā)現(xiàn)，用一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱、不均勻的磁場可以作為一個(gè)“透鏡”，將電子束聚集起來。這個(gè)原理類似于玻璃透鏡將光束聚集起來。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為電子顯微鏡的問世奠定了理論基礎(chǔ)，許多天才學(xué)者馬不停蹄地開始了試驗(yàn)。

7年后的1933年，德國物理學(xué)家厄恩斯特·魯斯卡（Ernst Ruska）等人首次發(fā)表了關(guān)于電子顯微鏡的實(shí)驗(yàn)和理論研究，并制作出了世界上第一臺(tái)電子顯微鏡（或者更精確一點(diǎn)，透射電子顯微鏡）。為了獲得較大的放大能力，人們又研究制造了短焦距的磁場透鏡，它除了會(huì)聚透鏡外，再利用兩個(gè)透鏡作連續(xù)兩次的造像。這種顯微鏡能在光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上再放大一百倍，原先視野中模模糊糊的東西在人類眼中變得分明起來。魯斯卡因?yàn)橥干潆娮语@微鏡的發(fā)明而獲得了1986年的諾貝爾獎(jiǎng)。

魯斯卡1933年制作的電子顯微鏡（網(wǎng)絡(luò)圖）

目前的透射電子顯微鏡在具體結(jié)構(gòu)上已經(jīng)有了很大改進(jìn)。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到自然科學(xué)的許多學(xué)科中，并且極大推動(dòng)了這些學(xué)科的發(fā)展。在七十年代，透射電子顯微鏡終于實(shí)現(xiàn)了人們直接觀察原子的長期愿望，真正成了“科學(xué)之眼”。

透射電子顯微鏡的原理和光學(xué)顯微鏡幾乎一樣，電子“透射”穿過樣品，便可以呈現(xiàn)出不同深淺明暗的圖像?？偠灾?，透射電子顯微鏡看到的，是一個(gè)“透視”的畫面，它會(huì)將三維的結(jié)構(gòu)壓縮成二維的黑白圖像。請(qǐng)記住，電鏡下的所有圖像都是黑白的，因?yàn)樗鼈兌际请娮有畔⒔?jīng)過電腦處理之后得到的畫面，并非真實(shí)的可見光照片。

透射電子顯微鏡拍攝到的線粒體（網(wǎng)絡(luò)圖）

透射電子顯微鏡發(fā)展得很成熟，但最大的問題是它不能獲取立體的信息，有什么解決辦法呢？早在1935年，就有人想到了另一種電子顯微鏡的模式：用電子束擊打樣品，然后收集反射回來的電子信號(hào)，就可以得到樣品表面的信息。1938年，德國物理學(xué)家梵亞?。?span lang="EN-US">Van Ardenne）在透射電子顯微鏡的急促上加了一個(gè)掃描用的線圈，做出了世界上第一臺(tái)掃描電子顯微鏡。它能夠直接觀察厚的樣品，但由于圖像分析的難度加大，所以發(fā)展并沒有透射電子顯微鏡那么快。直到1955年，掃描電鏡的研究采取的較為顯著的突破，成像質(zhì)量得到了明顯提高，又過了十年，劍橋科技器械公司才制造出了第一臺(tái)商業(yè)化的掃描電鏡。

費(fèi)了那么大力氣研究出來的掃描電鏡有什么好處呢？首先，它的景深大、圖像極富立體感；同時(shí)，它的樣品制備過程非常簡單，不像透射電鏡那樣需要進(jìn)行超薄切片（切片如果不夠薄，透射電子顯微鏡就沒有用武之地了），有時(shí)候甚至不需要任何處理就可以直接觀察；樣品可以在樣品室里不斷移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，因此可以從多角度對(duì)樣品進(jìn)行分析，甚至有人可以一邊觀察一邊做顯微解剖……唯一的弱點(diǎn)在于它的圖像同樣也是黑白的。

掃描電子顯微鏡拍攝到的花粉顆粒（網(wǎng)絡(luò)圖）

如果說，光學(xué)顯微鏡是人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)有了第一次飛躍，那么可以說，電子顯微鏡讓人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)有了第二次飛躍。的確，光學(xué)顯微鏡使人類看到了肉眼看不到的細(xì)菌和細(xì)胞，揭開了許多生物界的“謎”，但是因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡的分辨率受光波波長的限制，使更多的“謎”仍無法解開。而電子顯微鏡是以電子束作為光源的，電子束的波長比可見光的波長短得多，使電子顯微鏡的分辨率大幅度提高。從此，人類用電子顯微鏡揭示了細(xì)菌、噬菌體、類病毒、DNA和蛋白質(zhì)大分子等，甚至獲取了“原子核和電子云”的原子像。

透射電子顯微鏡拍攝到的病毒顆粒（網(wǎng)絡(luò)圖）

電子顯微鏡的誕生和應(yīng)用改變了二十世紀(jì)的進(jìn)程。現(xiàn)在，在各種學(xué)科里，電鏡都得到了廣泛的應(yīng)用。

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