器以载道丨探微之镜：开启微观世界

当课本里的公式化作星辰轨迹，实验室的仪器和装置便是叩问未知的钥匙。北京市科协推出“器以载道”专栏，以光学、力学、化学、生物学为经纬，系统梳理那些改写学科版图的经典仪器和科学装置。它们既是丈量微观世界的标尺，更是人类思维进化的里程碑。让我们共同见证仪器革新如何叩开科技之门，见证仪器与科技发展如何绽放思想的光芒。

从我们肉眼所能辨识的毫米尺度，到借助光学显微镜得以窥视的微米尺度，再到电子显微镜下令人惊叹的纳米尺度，显微成像仪器犹如一把钥匙，持续不断地开启着人类对微观世界认知的新大门，为医学、生物学等多个领域的发展提供了强大支撑。

**光学显微镜：微观世界的“观测基点”**光学显微镜主要是利用光通过透明介质的折射原理对光进行聚焦，从而实现图像放大，可以观察细胞运动和细胞分裂等单个细胞状态。

300多年前，列文虎克和罗伯特·胡克发明了光学显微镜，人类首次用光学透镜窥探到了“细胞级”的微观世界。

“我判断，即使把一百个这些小动物撑开摆在一起，也不会超过一颗粗沙子的长度；如果这是真的，那么一百万个这些活物也不够一颗粗沙粒的体积。”1676年春天，列文虎克连续观察了4天雨水后写下了这段话。这段文字中的“小动物”，就是我们现在熟知的细菌，这也是人类首次发现细菌。

列文虎克 图片来源：“清华大学科学博物馆”公众号

随着一个又一个石破天惊的新发现——包括精子、血细胞的首次观察，列文虎克在显微镜制作和观察上的才华开始被欧洲认可，并在1680年被选为英国皇家学会的正式会员。

一年生白蜡树（Fraxinus）木材的显微切片，由列文虎克绘制 图片来源：“清华大学科学博物馆”公众号

列文虎克的显微镜性能在世界居于领先地位长达150年，直到19世纪30年代消色差显微镜镜头出现才被超越。

列文虎克的单式显微镜（复制品） 图片来源：“清华大学科学博物馆”公众号

在更好的光学材料和更深入的光学物理理论支撑下，光学界朝着更好的光学成像这一目标不断前进。1874年，德国人阿贝从波动光学的观点提出了一种新的成像理论。

他把物体或图片看成包含一系列空间频率的衍射屏，物体通过透镜成像，即物体发出的光经过透镜后，由于衍射现象，在像平面上形成明暗相间的衍射图样，这些图样包含了物体的空间频率信息，从而构建出物体的像。

透射电子显微镜的成像系统中，物镜、中间镜和投影镜的示意图，以及衍射操作（左）和成像操作（右）的示意图 图片来源：“中科院物理所”公众号

**电子显微镜：微观世界的“电子之眸”**1895年，人类发现了电子。

不久，科学家意识到，如果电子表现得像波一样，从某种意义上说，它们一定也表现得像光一样，因为光也是一种波。因此，科学家想到也许可以用电子照亮他们想要观察的微小样品，就像我们基于可见光用眼睛、相机或普通显微镜来观察物体一样。

1931年，德国科学家克诺尔和他的学生鲁斯卡在一台高压示波器上加装了一个放电电子源和三个电子透镜，制成了世界首台电子显微镜，就此为人类探索微观世界开拓了一条全新的思路。鲁斯卡因在电子显微镜领域的开创性工作，于1986年与宾尼希和罗雷尔共同获得诺贝尔物理学奖。

鲁斯卡1933年研制的透射电子显微镜 图片来源：科普中国

电子显微镜中装有发射高能电子束的装置，能够穿过待研究的样品。当电子穿过样品时，它们与样品中的原子相互作用而偏离原来的行进路径——这被称为衍射，偏离方式决定于样品中原子排列的方式。

电子衍射形成的衍射图样包含了样品原子排列的信息，通过对衍射图样的分析处理，就可以得到样品的结构信息。

透射电子显微镜下的烟草花叶病毒 图片来源：The Nobel Prize

在现代透射电子显微镜下，人们可以看到非常精细的原子结构和细胞内部结构。

尽管电子可以帮助我们获得非凡的分子图像，但仍有挑战需要克服。首先，单个电子的活动具有不确定性。其次，电子的能量非常高，在成像过程中必须要穿过样品，而这会对样品造成损坏。

另一个挑战在于，电子一旦靠近原子就会发生衍射。这意味着科学家必须在电子显微镜的样本周围创造一个真空。

扫描电子显微镜拍摄的蝇类的复眼 图片来源：“中科院物理所”公众号

**冷冻电镜：微观世界的“冰封之瞳”**如今，科学家在透射电子显微镜的基础上发明了冷冻电镜，实现了生物分子“近原子级”的分辨率，让人类终于可以对生物分子执行其功能一窥究竟。

冷冻电子显微镜技术使我们能够应对前文提到的两个挑战：一方面它使标本稳定，从而更能抵抗高能电子的破坏；另一方面，它允许生物分子处于自然的水环境中，可避免水蒸发到真空之中。这种相当简单但高效的冷冻电子显微镜成像方法，使人们大大提高了生物分子成像的分辨率。

2017年，三位科学家因研发冷冻电镜技术用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定，共同获得诺贝尔化学奖。这一成果使得科学家能够以前所未有的精度解析生物大分子的结构，极大地推动了结构生物学的发展。

当今，冷冻电子显微镜已经获得非常成功的应用，使用冷冻电子显微镜的结构生物学家数量众多，且仍在迅速增长。

ACE2-B0AT1 复合物的冷冻电镜密度图 图片来源：biorxiv

冷冻电子显微镜仍有很大的改进空间。一是改进电子探测器，它们仍然不够大或效率不够高，使我们实际所用的电子比理论上应使用的电子要多得多。

综上所述，显微镜的发展不仅推动了生物学、医学和材料科学的进步，还深刻影响了人类对自然世界的认知。从列文虎克首次观察到微生物，到电子显微镜揭示原子结构，显微镜始终是探索微观世界的重要工具。未来，随着技术的不断革新，显微镜将继续在纳米科技、生命科学等领域发挥关键作用。

参考资料：

1.人民网. 冷冻电镜技术揭示生物分子细节（科技大观）

2.“中科院物理所”公众号. 当练就火眼金睛，看到了一颗原子

3.“清华大学科学博物馆”公众号. 器象 | 刘年凯：发现新世界——列文虎克和他的单式显微镜

4.“知识分子”公众号. 光学成像的前世今生

5.澎湃新闻. 0.2微米两端的微观世界

6.“赛先生”公众号. 诺奖得主详解：冷冻电镜如何引发分辨率革命

7.北京科技报. 人类能看见这些“小家伙”，离不开这群执着的强迫症！

8.科普中国. 透射电子显微镜