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0.2微米两端的微观世界

2022-09-21 06:48

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 as center as科学艺术研究中心

13世纪，马可波罗将水晶透镜带回欧洲，欧洲人因此学会了磨制镜片的方法。当时，发达的制造业令玻璃成为一种廉价的材料，佛罗伦萨的能工巧匠利用玻璃制作出了第一只眼镜，从此，眼镜制造业横空出现并且红红火火地发展起来。然而第一批使用眼镜的欧洲人，多是年纪大且老花眼的老年人，他们需要的是可以令他们看清眼前事物的老花镜，也就是凸透镜。

早期的眼镜，来源：wikipedia

人们很快发现，凸透镜可以令物体的影像放大。于是，一些好奇的人们开始使用它来观察微小物体。但是这种放大镜的放大倍数也就是让孩子们近距离看看昆虫而已，想要观察更加细微的东西，就只能寻求别的工具。

16世纪90年代，一位十岁左右的孩子扎卡莱亚斯·詹森（Zacharias Janssen），跟随父亲汉斯·詹森（Hans Janssen）在街头贩卖自家打磨出来的镜片。或许是年幼的他在工作间观看父亲制作工序时产生了灵感，他将多块凸透镜组合在一起，就是这小小的灵感而引发的举动，引导了人类看向了微观世界。

在父亲汉斯的帮助下，小詹森制作出了第一台显微镜，这是一个构造非常简单的显微镜：它由三个镜筒连接而成，中间那个镜筒比较粗，适于手握；另外两个镜筒则分别插进它的两端，它们可以伸缩调整，以达到聚焦的目的。当这个显微镜两个活动的镜筒完全收拢时，它的放大倍数是3倍；当它们完全伸展开时，放大倍数就有10倍。

詹森复式显微镜，1841年制的复刻版,来源：wikipedia

不过很可惜，詹森父子俩的这个显微镜虽然打开了探索微观世界的大门，但却没能让人们真真正正踏入其中。在那个认知水平有限的年代，人们仅乐于拿它观看跳蚤和其他小昆虫，因此这只显微镜又被称作“跳蚤镜”。

1654年，22岁的列文·虎克（Antonie van Leeuwenhoek）结束了在阿姆斯特丹布店学徒的日子，回到家乡代尔夫，开了一家属于自己的小布店。

早期，他尝试着用凸透镜的放大作用来鉴定布料的质量。初始的布料店并不算忙碌，他在闲暇之余，很快就培养起了对凸透镜的兴趣，并尝试自己打磨镜片。列文·虎克这个没上过几年学的年轻人，靠着兴趣竟在小店中制造出了世界一流的镜片。镜片厚度仅为1毫米，曲率半径为0.75毫米，有着很高的放大率和分辨率。

在掌握了这项技术后，列文·虎克将透镜镶嵌在两块凿出小孔的黄铜片之间，用螺丝连接在一个金属固定器上。螺钉可以用于调节标本与透镜之间的距离，以调整焦距。就此，人类历史上第一台真正意义上的显微镜诞生了，这台显微镜放大倍数可达720倍，要知道，当时其他可以称得上是显微镜的镜片，放大倍数最高也只有50倍。

列文虎克在17世纪设计的显微镜图，来源：wikipedia

列文·虎克对微观世界的兴趣日益浓厚，带着他独创的显微镜开始进入科学领域，看到了他人从未看到的东西。在显微镜下，他观测到了池塘水中的原生动物，鲑鱼血液中的红细胞；他还在牙垢里发现了细菌，并将结果写成报告寄给英国皇家学会，获得了后者的肯定，从而开创了微生物学。

他在微观世界里遨游，不断发现着各种各样令人震惊的事实，从而改变人们对眼前寻常事物的固有认知。

为了提高单镜片显微镜的观测能力，就必须要缩短焦距。缩短焦距必须要缩短镜片的直径。变小的镜片，很容易磨损，经过一段时间的反复使用，镜片变得模糊很难看清。

为解决这个问题，17世纪左右，英国皇家学会负责科学试验的科学家罗伯特·虎克（Robert Hooke）制作了一台复式显微镜，与列文·虎克使用的单透镜显微镜不同，这种显微镜使用了不止一个镜片，一个镜片下的图像可以接着被另一个镜片放大。复式显微镜里，紧贴物体的镜片叫“物镜”，紧贴眼睛的叫“目镜”。从本质来说，其工作原理和外形已经很接近现代的光学显微镜了。

罗伯特虎克使用的复式显微镜，来源：wikipedia

可即便是很接近现代的光学显微镜，却依然存在着难以突破的问题——色差，就是在光线经过透镜时，不同颜色的光因折射率不同，会聚焦于不同的点上，使得观察物的成像被一层色彩光斑所包围，严重影响清晰度。

而且早期玻璃质量不高，显微镜还存在着球面像差的问题，即光线在经过透镜折射时，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一点上，也会使得成像模糊不清。

自显微镜诞生之日起，色差和球面像差就成为“与生俱来的顽疾”，一直阻碍着人们向微观世界进军的步伐。

直到19世纪，光学显微技术才在工业革命的助力下完成了一次实质性蜕变，在根本上解决了这两个难题。

1830年，一位英国业余显微镜学爱好者约瑟夫·杰克逊·李斯特（Joseph Jackson Lister)对显微镜的球面像差发起了挑战，他创造性地用几个特定间距的透镜组，成功减小了球面像差影响。

1846年，德国蔡司光学工厂成立，1857年蔡司工厂研制出第一台现代复式显微镜。在研制和生产过程中，蔡司也难以抗衡色差问题。直到1872年，德国耶拿大学的恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）教授提出了完善的显微镜学理论，详细阐述了光学显微镜的成像原理、数值孔径等科学问题。蔡司即刻邀请阿贝教授加盟，他们共同开发出一款划时代的光学部件——复消色差透镜，一举消除了色差的影响。

1862年蔡司生产的现代复式显微镜，来源：wikipedia

蔡司奠定了现代光学显微镜的基本形态，显微镜的设计已全然建立在健全的物理定律上，而不再是先驱者的反复试验。显微镜技术的突飞猛进也促使各种现代生物学理论的不断提升，透过高分辨率的透镜，微观世界中各种复杂的结构逐步以具象的形式呈现在人类眼前。

在这一时期，微生物学家通过给生物样品染色，来方便肉眼观察。这一方法的局限在于染色剂本身的毒性会破坏微生物组织结构，直到1930年，荷兰科学家泽尼克(Frederik Zernike)提出了相衬法，即通过空间滤波器将物体的相位信息转换为相应的振幅信息，从而大大提高透明物体的可分辨性。1941年，蔡司将相衬法应用于显微镜中，由此相差显微镜诞生。

二战结束后，光学显微镜已得到了长足的进步，其潜力被挖掘到极致，蔡司工厂以及阿贝教授均认为无法再一次提升微观世界的清晰度。光学显微镜的分辨率极限在0.2微米，能够看到细菌和细胞，再小的物体也就无能为力了，这一理论被称为“阿贝极限”。

即便是在几乎触达光学显微镜“天花板”的状态下，不少科学家们仍然希望可以解开“阿贝极限”的枷锁，而“荧光技术”就成为了那把钥匙。

科学家们发现，某些物质在吸收波长较短而能量较高的光线，如紫外线时，能将光源转化为波长较长的可见光，这种现象被定义为“荧光现象”。

1911年，德国科学家首次研制出荧光显微镜装置，用荧光色素对被观测样品进行荧光染色处理，并以紫外光激发样品的荧光物质发光，但成像效果不佳，而且把荧光物质当作染色剂，和早期的染色剂一样，本身的毒性会伤害活体样品。

荧光显微镜示意图，来源：wikipedia

直到1974年，日本科学家下村修发现了绿色荧光蛋白，其毒性远弱于以往的荧光物质，是对活体标本进行荧光标记的理想材料。

1989年，科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔（William Esco Moerner）提出了一种方法，巧妙绕开了大自然对可见光的限制，通过提升观测物的可见程度来实现突破分辨率0.2微米的极限。

他首次进行了单分子荧光检测，工作原理类似于日光灯中的荧光粉，用特定波长的光去激发荧光粉，它们就会发射出相应的荧光。这一巧妙地发现，让光学显微镜的检测尺度精确到纳米量级成为可能。随后在此基础上，美国科学家罗伯特·埃里克·贝齐格（Robert Eric Betzig）开发出一套新的显微成像方法：控制观测物的荧光分子，让少量分子发光，只要每两个分子之间的距离大于0.2微米，光学显微镜就可以清晰地观测到。通过对同一区域反复成像，最后用软件重现所有的闪光点，科学家就得到了纳米尺度的稠密、精确图像。通过这种方法，贝齐格轻而易举地突破了光学显微镜的“阿贝极限”。

荧光显微镜下的细胞，来源：wikipedia

可见光存在着“阿贝极限”，那么如果利用波长较短的光束是否也能突破分辨率的桎梏呢？

1931年，德国科学家诺尔（Max Knoll）和他的学生鲁斯卡（Ernst Ruska）在一台高压示波器上加入了一个放电电子源和三个电子透镜，制成了世界上首台电子显微镜。

首台电子显微镜，来源：wikipedia

电子显微镜，是利用电子束轰击固体样品，在其表面或内部发生散射时，各种散射信号被相应探测器采集后，可直接或间接体现固体样品在微观区域独特的物理化学信息。电子显微镜完全不受“阿贝极限”的约束，在分辨率上远远超越了光学显微镜，达到纳米级别（1微米=1000纳米），在这个观测尺度下，人类看到了比细菌更小的微生物——病毒。

电子显微镜是人类认识超微观世界的途径，从肉眼可见的毫米尺度，到光学显微镜可达的微米尺度，再到电子显微镜下的纳米尺度，显微成像技术正在迅速突破人类对微观世界的认知极限。

电子显微镜所具备的超高分辨率是光学显微镜无法企及的高度，但是电子显微镜的缺憾也渐渐显露出来。电子加速只可以在真空条件下实现，然而，处于真空环境下的生物，往往要经过脱水和干燥，这意味着电子显微镜下没有活体状态的生物样本，并且电子束本身也容易破坏样品表面的生物分子结构，导致一些关键信息无法被生物学家们顺利捕捉到。

横跨五十年，直到1981年，在苏黎世的IBM实验室中，科学家盖尔德·宾尼（Gerd Bining）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）采用了一些看似离经叛道的方法，改变了电子显微镜损伤样品结构的问题。他们利用量子物理学中的“隧道效应”，制作了一台扫描隧道显微镜。

扫描隧道显微镜，来源：wikipedia

与传统的光学和电子显微镜不同，这种显微镜连镜头都没有。在工作时，用一根探针接近观测物，并在两者之间施加电压，当探针距离样品只有纳米级时就会产生隧道效应——电子从这细微的缝隙中穿过，形成微弱的电流，这股电流会随着探针与样品距离的变化而变化，通过测量电流的变化人们就能间接得到观测物的大致形状。由于全程没有电子束参与，扫描隧道显微镜从根本上避免了加速电子对生物样品表面的破坏。

随后几年，盖尔德·宾尼（Gerd Bining）又与C.FQuate和C.Gerber等人，研制成功了原子力显微镜，原子力显微镜利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足，极大拓宽了人类对于生物、化学、材料、物理等领域的认知疆界。目前，电子显微镜已经成为金属、半导体和超导体领域的主力军。

在生物医学领域，科学家们仍然在寻找能够极大程度避免电子束损害生物样品的办法，他们从另一个角度出发，在不改变电子显微镜整体工作模式的情况下，去改变观测物本身，对其进行超低温冷冻处理，研发冷冻电镜技术。由于观测温度低，生物样品也处于含水状态，分子也处于天然状态，样品对辐射的耐受能力得以提高。

利用这项技术，科学家们可以将样品冻结在不同的状态，观测分子结构的变化。在新冠疫情爆发后，冷冻电镜技术为人类研究和抗击疫情做出了突出贡献。

2020年，我国的科学团队周强实验室就在BioRxiv上发表了新冠病毒的受体—ACE2的全长结构，利用的就是冷冻电镜技术来成像，这让人类对新冠病毒的认识又向前迈进了一步。