開啟微觀世界的鑰匙——顯微鏡

付森

顯微鏡——放大鏡2.0版本

早在公元前1世紀，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過球形透明物體去觀察微小物體時可以使其放大成像。后來有了放大鏡、眼鏡等光學(xué)器具。

1590年，荷蘭和意大利的眼鏡制造者在放大鏡原理的基礎(chǔ)上發(fā)明了顯微鏡。

光學(xué)顯微鏡分為單式和復(fù)式兩種。單式顯微鏡的實質(zhì)就是一臺高倍放大鏡，構(gòu)造簡單，呈正實像。

我們都知道，放大鏡是根據(jù)光的折射原理制成的，中央較厚，邊緣較薄的透鏡。凸透鏡對光線有會聚作用故又稱聚光透鏡。但是，它有一個致命的缺點，那就是它的焦距與透鏡直徑成正比，而焦距又與放大倍數(shù)成反比。也就是說，焦距越短，放大倍數(shù)越大，而透鏡直徑就越小。太小的的透鏡在當(dāng)時根本制造不出來。因此當(dāng)時放大鏡的放大倍數(shù)最多不過25倍。眾所周知，體積較大的一些纖毛蟲的長度也不過0.1毫米，放大25倍后也才2.5毫米大，它內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)就更看不清了。因此為了觀察更多的細微物體，人們迫切需要一種更好的放大工具。

復(fù)式顯微鏡時代來了

1595年的一天，荷蘭一位名叫詹森（H.Janssen）的少年，無意中把兩片大小不同的凸透鏡重疊在一起。當(dāng)他把兩個鏡片移動至適當(dāng)?shù)木嚯x時，發(fā)現(xiàn)很小的東西一下子被放大了好多倍。他把這個奇異的現(xiàn)象告訴了父親，父子兩人隨即動起手來，做出了第一個復(fù)式顯微鏡。這臺顯微鏡的鏡筒大約長18英寸，直徑約2英寸，兩個鏡頭都是凸透鏡，分別固定在鏡筒的兩端。物鏡是一個只有一個凸面的單凸透鏡，目鏡是一個有兩個凸面的雙凸透鏡。當(dāng)這個顯微鏡的兩個活動鏡筒完全收攏時，它的放大倍數(shù)是3倍；當(dāng)兩個活動鏡筒完全伸出時，它的放大倍數(shù)是10倍。

復(fù)式顯微鏡的出現(xiàn)是一項里程碑式的成就，我們今天所使用的光學(xué)生物顯微鏡就是由其發(fā)展而來的。

鏡筒里的故事

英國物理學(xué)家胡克（Robert Hooke，1635～1703）的研究工作使顯微術(shù)變得流行。1665年，胡克自己設(shè)計制造了一架由上下兩塊透鏡組成的復(fù)式顯微鏡，觀察了櫟樹皮的薄片，第一次描述了植物細胞的構(gòu)造，并為這些蜂巢狀的小室起名為“cellar”。細胞的英文“cell”即為他所定名，一直沿用至今。其實，他所觀察到的只是纖維質(zhì)的細胞壁，并非完整的活細胞，但這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了顯微鏡以后的發(fā)展方向。同年，他發(fā)表了《微觀畫集》一書，展示了他在顯微鏡底下看見的昆蟲器官的精細圖案。此外，他還對顯微觀察進行了最早的論述，并詳盡無遺地說明了有效使用顯微鏡的方法。

胡克制造的顯微鏡是早期性能最出色的復(fù)式顯微鏡之一，它用一個半球形單透鏡作為物鏡，一個平凸透鏡作為目鏡。鏡筒長6英寸，但可用一個附加的拉筒來加長。鏡筒用螺絲裝在一個可活動的環(huán)上，后者裝在一個立架上。待察物體固定在一個從底座伸出的針狀物上，并用一只燈照明，燈上附裝有一個球形聚光器。胡克在顯微鏡中加入粗動和微動調(diào)焦機構(gòu)、照明系統(tǒng)和承載標本片的工作臺。這些部件經(jīng)過不斷改進，成為現(xiàn)代顯微鏡的基本組成部分。

最早把顯微鏡應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的是意大利人馬爾比基（Marcello Malpighi，1628～1694），他早期從事的工作是用顯微鏡研究青蛙的肺。1660年，他發(fā)現(xiàn)青蛙的肺里布滿了復(fù)雜的血管網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)使血液在肺內(nèi)很容易將空氣帶走，而且正是這種血管網(wǎng)連接了肺動脈和肺靜脈。后來，他又在蛙體的其他部位也發(fā)現(xiàn)了十分纖細的血管。盡管肉眼無法看見這些血管，但是它就是今日我們十分熟悉的毛細血管，正是它們將身體內(nèi)部各處的動脈與靜脈相連通。

馬爾比基還用顯微鏡研究了蠶，他發(fā)現(xiàn)這種小動物有一個十分復(fù)雜的呼吸系統(tǒng)，用來呼吸的小管遍布全身。后來，他發(fā)現(xiàn)植物莖稈內(nèi)也有這樣的小管，這使他發(fā)明了比較解剖學(xué)方法。在大量觀察的基礎(chǔ)上，馬爾比基提出呼吸器官的大小與有機體的完善程度成反比，有機體越低級，呼吸器官比例就越大。

此外，馬爾比基還用顯微鏡發(fā)展了法布里修斯和哈維所開創(chuàng)的胚胎學(xué)研究，對小雞在雞蛋中的發(fā)育過程做了仔細的觀察。

荷蘭的業(yè)余科學(xué)家列文虎克（ Avon Leeuwenhoek，1632～1723）為顯微鏡的發(fā)展和生物學(xué)的進步做出了重要貢獻，他自幼沒有接受過正規(guī)的科學(xué)教育，但對新奇事物充滿強烈的興趣。一次，他從朋友那里聽說荷蘭最大的城市阿姆斯特丹的眼鏡店可以磨制放大鏡，用放大鏡可以把肉眼看不清的東西看得很清楚。他對這個神奇的放大鏡充滿了好奇心，但又因為價格太高而買不起。從此，他經(jīng)常出入眼鏡店，認真觀察磨制鏡片的工作，暗暗地學(xué)習(xí)著磨制鏡片的技術(shù)。功夫不負苦心人，1665年列文虎克終于制成了一塊直徑只有0.3厘米的小透鏡，把這塊小透鏡鑲在架上，又在透鏡下邊裝了一塊銅板，上面鉆了一個小孔，使光線從這里射進而反射出所觀察的東西，就這樣列文虎克的第一臺顯微鏡研制成功了。幾年后，他終于制出了能把物體放大300倍的顯微鏡。由于他沒有多少光學(xué)知識，所以沒能造出復(fù)式的顯微鏡，但是他的透鏡放大倍率高，所以這種只用一個透鏡的單顯微鏡也十分管用。在他的透鏡下面出現(xiàn)了一個無比豐富復(fù)雜的世界，他使用這些顯微鏡觀察到了許多動、植物的活細胞與原生動物。

伴隨著歷代科學(xué)家的艱辛探索，到18世紀顯微鏡已有許多改進，放大率、分辨率及其他性能得到大幅的提升，應(yīng)用也變得較為普遍，開始作為商品進行生產(chǎn)。到了19世紀，顯微鏡觀察微細結(jié)構(gòu)的能力大為提高。1872～1873年，德國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家阿貝（Ernst Abbe，1840～1905）提出了光學(xué)顯微鏡的完善理論，從此，鏡頭的制作可按預(yù)先的科學(xué)計算進行。同時德國化學(xué)家肖特（Friedrich Otto Schott，1851～1935）成功地研制出供制作透鏡的優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃。他們和德國顯微鏡制作者卡爾·蔡司（Carl Zeiss，1816～1888）合作，建立了蔡司光學(xué)儀器廠，于1886年生產(chǎn)出具復(fù)消色差油鏡的現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡，達到了光學(xué)顯微鏡的分辨限度。這些都促進了顯微鏡制造和顯微觀察技術(shù)的迅速發(fā)展。

從19世紀后期至20世紀，顯微鏡的發(fā)展已不拘泥于光學(xué)領(lǐng)域，各種原理各異、功能優(yōu)越的顯微鏡被發(fā)明出來，如：偏光顯微鏡、暗視場顯微鏡、相差顯微鏡、干涉差顯微鏡、熒光顯微鏡、電子顯微鏡以及共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和掃描隧道電子顯微鏡（STM）。由此導(dǎo)致的新技術(shù)革命也如火如荼地展開，人類已經(jīng)開始在微觀世界大顯身手，探尋更加深層次的未解之謎，在認識自我、認識自然界本源的路上不斷前行。endprint