【科普】光學(xué)顯微鏡發(fā)展簡(jiǎn)史

在很久以前，世上還沒(méi)有光學(xué)儀器的時(shí)候，一位生物學(xué)家在研究微小植物的葉脈時(shí)，遇到了困難。一個(gè)夏天的早晨，這位生物學(xué)家漫步來(lái)到樹(shù)叢中觀察植物在晨光照耀下的狀態(tài)，看見(jiàn)那吐出嫩葉的生命，含苞待放的花朵，清純的雨露和陽(yáng)光，這一切都使他陶醉在絢麗多彩的綠色海洋里。突然，他被一片小小的嫩葉上面的露珠所吸引。當(dāng)他透過(guò)綠葉上的露珠看葉片時(shí)，這部分的葉面被放大了，葉脈圖案清晰地映入他的眼簾。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，露珠有放大物象的作用?？茖W(xué)家根據(jù)這個(gè)寶貴的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步又做了其他試驗(yàn)：把透明的寶石拋光成曲面罩在字跡上，字跡可以被放大；盛了水的玻璃球，也有同樣的作用。

羅馬哲學(xué)家塞涅卡（前4—前65）在他的著作里記載了一個(gè)民間廣為流傳的故事：希臘科學(xué)家阿基米德（前287—前212）在他的家鄉(xiāng)西西里島被羅馬艦隊(duì)侵犯的時(shí)候，用了一種“燃燒玻璃”（實(shí)際上是一種透鏡狀的玻璃球），把太陽(yáng)光聚射到敵艦船的風(fēng)帆上，使風(fēng)帆吸收大量的太陽(yáng)光而變熱燃燒起來(lái)，燒毀了羅馬艦船，使羅馬艦隊(duì)以失敗而告終。

當(dāng)然，現(xiàn)在利用透鏡取火的事例已屢見(jiàn)不鮮了。孩子們用爺爺奶奶的老花眼鏡對(duì)著太陽(yáng)聚焦，可以點(diǎn)燃手中的紙屑；世界各地大型運(yùn)動(dòng)會(huì)的火炬，也是用曲面金屬或曲面玻璃鏡采集火種的。但是在古代，玻璃是一種很稀罕的物質(zhì)，要制造透明度很高的玻璃球，更是一件很困難的事。

1900多年以前，羅馬學(xué)者普里尼在他的巨著《自然史》中，記敘了一個(gè)有趣的故事：一艘羅馬帝國(guó)的船只裝滿了蘇打（碳酸鈉）。一天，船在海洋中航行時(shí)，颶風(fēng)突起，船被迫在海灣里停泊，船員們走上岸去，準(zhǔn)備架起爐灶燒火烤衣服、做飯吃。誰(shuí)知在一望無(wú)際的海灘上，連一塊石頭也沒(méi)有，全是石英砂粒。用什么來(lái)架鍋?zhàn)鲲埬兀恳粋€(gè)水手突然想起船上有不少像石頭一樣的蘇打塊，于是，大家動(dòng)手搬來(lái)放在沙灘上作為支鍋的石頭。飯鍋架好了，點(diǎn)燃柴枝做飯。過(guò)了不久，飯煮熟了，衣服也烤干了，大家也吃過(guò)飯了。當(dāng)休息片刻后船員們?nèi)グ崽K打塊回船上時(shí)，奇跡出現(xiàn)了：爐灰中竟有一些閃亮的小球珠——這就是世界上第一次見(jiàn)到的玻璃球。它是由海灘上的石英砂（二氧化硅）和蘇打（碳酸鈉）受熱后化合而成的物質(zhì)。

據(jù)考證，雖然羅馬人約在2000年前就使用放大透鏡，但玻璃透鏡是在13世紀(jì)誕生的。

然而，古時(shí)候人類(lèi)燒制的玻璃球多半不夠透明，顏色深，也不太圓。在18世紀(jì)，一位法國(guó)地質(zhì)學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)埋藏在里維山巖洞里的墓穴，里面葬著3400多年前的一位埃及女王，墓中隨葬物品很多，最值得研究的是少婦脖子上掛著的一串玻璃珠球，它呈墨綠色，形狀不規(guī)則，多為橢圓形，反光不太強(qiáng)。

科學(xué)家們認(rèn)為，由于當(dāng)時(shí)燒制玻璃的溫度還達(dá)不到要求，原料不夠純，雜質(zhì)過(guò)多，因而無(wú)法燒出晶瑩剔透、無(wú)色渾圓的玻璃珠球。在歐洲的克利島和小亞細(xì)亞，曾出土過(guò)粗糙的透鏡，它們的誕生年代，可以溯源到公元前2000年。

13世紀(jì)，英國(guó)的學(xué)者羅伯特·格羅西泰斯特（1175—1253）和他的學(xué)生羅杰·培根（1220—1292）在觀察光線通過(guò)玻璃球時(shí)，不知道光發(fā)生了什么變化，只發(fā)現(xiàn)物體被放大了。從此，培根用透鏡放大書(shū)頁(yè)上的文字，幫助自己閱讀。

大約在1300年前，意大利人開(kāi)始使用眼鏡。最初的眼鏡是用雙凸鏡制成的。它能放大物體，對(duì)老年人尤其有用。后來(lái)人們又制造出雙凹鏡，即兩個(gè)表面向里凹，邊緣厚而中央薄。通過(guò)它看物體似乎變小了。這種透鏡可以幫助人們糾正近視（即近視眼鏡片）。

自16世紀(jì)以來(lái)，眼鏡制造成了一項(xiàng)重要的行業(yè)。尤其是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明者漢斯的故鄉(xiāng)荷蘭，眼鏡制造業(yè)最為發(fā)達(dá)。他們不僅能夠制造雙凸透鏡或雙凹透鏡，還能夠制造一面凸一面凹的透鏡，手工精巧，成為了名副其實(shí)的眼鏡制造王國(guó)。

魔鏡的誕生

16世紀(jì)后半葉，荷蘭眼鏡制造商查里艾斯·詹森（1580—1683）是一位高明的玻璃透鏡專(zhuān)家。他不僅會(huì)磨透鏡，而且也善于研究使用透鏡。

圖1：詹森復(fù)式顯微鏡

1590年，他偶然將兩個(gè)不同的透鏡重疊起來(lái)，當(dāng)兩個(gè)透鏡之間的距離適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，看到實(shí)物被放大了很多。這在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是一個(gè)奇跡，人們把它稱(chēng)為“魔鏡”。詹森把兩塊透鏡裝在兩個(gè)不同口徑的鐵筒里，使一大一小的鐵筒互相套合起來(lái)，小的鐵筒可以在大鐵筒內(nèi)滑動(dòng)，以調(diào)整透鏡之間的距離，還用第三個(gè)更大的鐵筒將那兩個(gè)鐵筒套住——這就是“復(fù)式顯微鏡”的雛形。

這臺(tái)具有劃時(shí)代意義的顯微鏡，現(xiàn)在仍保存在荷蘭東蘭德省科學(xué)博物院里。

1605年，詹森又用鍍金銅片做套筒，并用生銅鑄造海豚的蹲像作為支架的裝飾，做了一臺(tái)更加精致的“魔鏡”，可以把物體放得更大一些。初期的“魔鏡”主要用來(lái)觀察昆蟲(chóng)。小小的昆蟲(chóng)在“魔鏡”下面，跳蚤的爪子竟變成像猛獸般的利爪，連細(xì)小的絨毛也變得像纜繩一樣粗。
伽利略于1610年曾用“魔鏡”研究過(guò)昆蟲(chóng)的生理解剖結(jié)構(gòu)。“魔鏡”又稱(chēng)為“光鏡”，它的年齡要比望遠(yuǎn)鏡（1610年誕生）大20來(lái)歲。但正式被命名為“顯微鏡”，是在1625年從意大利叫開(kāi)的。是什么原因令人們冷淡地看待這種儀器呢？因?yàn)樗鼏?wèn)世之后，不像望遠(yuǎn)鏡那樣很快在科學(xué)上作出重大發(fā)現(xiàn)，它的作用和功能還未被人們所知，從發(fā)明到廣泛使用，中間有一段較長(zhǎng)的時(shí)間。

有一天，一位教師使用詹森制造的顯微鏡觀看一滴污水，獲得了人類(lèi)前所未有的新發(fā)現(xiàn)。他竟然看到了水中有許多“活”的東西，正在做各種各樣的運(yùn)動(dòng)。這些東西平時(shí)用肉眼是看不見(jiàn)的。這些新發(fā)現(xiàn)的“小東西”，就是現(xiàn)在大家已經(jīng)熟悉的細(xì)菌和微生物。

后來(lái)，生物學(xué)家們證實(shí)：這些物質(zhì)對(duì)于人類(lèi)是十分重要的，如發(fā)酵、釀酒、制藥等都離不開(kāi)它們；但它們又會(huì)不斷地給人類(lèi)制造災(zāi)禍，如令食物腐爛和傳染疾病，甚至造成人畜死亡。

從此，人類(lèi)開(kāi)闊了眼界，知道宇宙間除人們熟悉的日常生活的世界外，有遙遠(yuǎn)的天體世界，還有另一個(gè)微觀世界，需要人類(lèi)去認(rèn)識(shí)它，揭開(kāi)它的奧秘。

1625年，塞魯?shù)俚谝粋€(gè)發(fā)表了他用顯微鏡對(duì)各種蜜蜂所作的觀察成果。他在著作中所介紹的有關(guān)蜜蜂的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，比以前那些養(yǎng)蜂專(zhuān)家和生物學(xué)家所描述的要詳盡得多，因而引起了學(xué)術(shù)界的極大興趣，認(rèn)識(shí)到顯微鏡在科學(xué)研究中的巨大作用。

17世紀(jì)后半葉，對(duì)顯微鏡的研制得到了較快的發(fā)展，它也逐漸被應(yīng)用到生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究方面。

1665年，英國(guó)物理學(xué)家弗克（1635—1703）對(duì)顯微鏡作了改進(jìn)，用它觀察了植物的細(xì)胞和昆蟲(chóng)等，并正式出版了他的《顯微圖志》一書(shū)。他在書(shū)里匯集了對(duì)蕁麻葉片、虱子的解剖及昆蟲(chóng)的眼睛等觀察到的精細(xì)圖片。他第一次描述了軟木（櫟樹(shù)皮）和其他植物組織中存在的蜂窩狀的“小室”，稱(chēng)之為“細(xì)胞”。這是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的第一個(gè)證據(jù)。
同年，意大利解剖學(xué)家馬爾皮基研制了一臺(tái)較好的顯微鏡，用來(lái)觀察腎和脾的切片，發(fā)現(xiàn)了腎小球和脾臟的淋巴團(tuán)。

弗克制造的顯微鏡比較精細(xì)，在精巧裝飾的鏡筒兩端，裝有一個(gè)簡(jiǎn)單的物鏡和一個(gè)目鏡透鏡，照明裝置是使用蠟燭或酒精燈。這種顯微鏡的放大倍率為30—40倍，在技術(shù)上已經(jīng)顯示出一定程度的完備性。弗克對(duì)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，使生物學(xué)家知道世界上一切有生命的東西都是由細(xì)胞所組成的。于是，人們開(kāi)始探索各種細(xì)胞的構(gòu)造和功用，尋求對(duì)微觀世界奧秘的新認(rèn)識(shí)。依靠光學(xué)顯微鏡的幫助，人們逐漸找到了疾病發(fā)生的原因，知道了鼠疫、霍亂、痢疾、白喉、麻風(fēng)以至皮膚上的瘡癤等，都是由細(xì)菌的作用引起的。在找到這些殺人的兇手后，人們便致力研究對(duì)付的辦法，從而大大增強(qiáng)了人類(lèi)預(yù)防疾病和治療疾病的能力，拯救了千千萬(wàn)萬(wàn)人的寶貴生命。

光學(xué)顯微鏡還被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)和教育等各個(gè)方面，成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然和改造自然的有力工具。例如鐵和鋼的秘密，在顯微鏡下，鐵是由白色的純鐵粒子組成的，而鋼是由兩種形狀不同的鐵粒子和碳粒子組成的，即是鐵和碳的化合物?？梢?jiàn)，顯微鏡又能為人們研究金屬的構(gòu)成提供科學(xué)的手段。

列文虎克與顯微鏡

列文虎克（1632—1723）生于荷蘭德?tīng)柗蛱?。小時(shí)候，他的家境貧寒，16歲開(kāi)始當(dāng)學(xué)徒，6年后自己開(kāi)了一家小商店。他沒(méi)有受過(guò)任何正規(guī)教育，但他從小勤奮好學(xué)，善于觀察和研究事物，對(duì)大自然很感興趣。青年時(shí)代，他學(xué)會(huì)了用玻璃制造透鏡。1675年，他開(kāi)始制作顯微鏡，并用于觀察研究微觀世界。

1704年，在列文虎克72歲時(shí)，發(fā)表了他一生研制顯微鏡所取得成果的著作。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，他一生共制造了247臺(tái)顯微鏡和172個(gè)鏡頭：他為荷蘭皇家學(xué)會(huì)裝備了一個(gè)包括26臺(tái)顯微儀器的實(shí)驗(yàn)室，在開(kāi)拓和研制顯微鏡方面功不可沒(méi)。

圖2：列文虎克發(fā)明的單片顯微鏡

列文虎克對(duì)顯微鏡研制的貢獻(xiàn)在于，他不僅能磨制各式各樣的優(yōu)質(zhì)透鏡，還精心研制出一種曲率很大的小型顯微鏡。這種顯微鏡由兩片連接很緊的銅板或銀板組成，在兩塊金屬板的開(kāi)口孔之間裝有一個(gè)很小的大曲率透鏡，透鏡的焦距在1毫米以下。觀察時(shí)把物體放在針尖上，針尖用兩個(gè)螺旋調(diào)節(jié)聚焦，眼睛緊貼對(duì)光觀察。它看似很簡(jiǎn)單，但放大率為240—280倍，能分辨1/700毫米的精細(xì)物體。
在17—18世紀(jì)里，其他人制造的顯微鏡都沒(méi)有一個(gè)能夠超過(guò)它。列文虎克用他的顯微鏡探索了許多領(lǐng)域，并取得了重大的突破：
1668年，他用顯微鏡證實(shí)了意大利馬爾比基關(guān)于毛細(xì)血管的發(fā)現(xiàn)。
1674年，他觀察了魚(yú)、蛙、鳥(niǎo)類(lèi)的卵形紅細(xì)胞和人類(lèi)及其他動(dòng)物的紅細(xì)胞。
1675年，他發(fā)現(xiàn)了青蛙內(nèi)臟中寄生的原生動(dòng)物，在當(dāng)時(shí)的生物界引起了震動(dòng)。
1677年，他描述了哈姆雷發(fā)現(xiàn)的動(dòng)物精子，并證實(shí)了精子對(duì)胚胎發(fā)育的重要性。
1683年，他發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌。他從一位老人的牙縫中取出一些牙垢，放到顯微鏡下面觀看，發(fā)現(xiàn)有的細(xì)菌像火柴棍，有的像小球，有的細(xì)菌邊上還長(zhǎng)著絨毛在不停地游來(lái)游去。
他的發(fā)現(xiàn)引起了人們莫大的興趣。很多人都想通過(guò)他的顯微鏡看一下那個(gè)細(xì)菌的新世界，以飽眼福，甚至連荷蘭女王也不例外。
與列文虎克同一時(shí)代人，如意大利的馬爾比基（1628—1694）、英國(guó)的格魯（1628—1712）等，他們?cè)谘兄骑@微鏡的技術(shù)方面，也有其獨(dú)到之處。
但是在列文虎克以后的100多年間，顯微鏡的研究卻再?zèng)]有取得多大進(jìn)展。顯微鏡同望遠(yuǎn)鏡一樣，也同樣存在色差問(wèn)題。在顯微鏡下，本來(lái)是一個(gè)無(wú)色的薄片，卻出現(xiàn)了各種顏色，使人們不能準(zhǔn)確地觀察那些微小的物質(zhì)，甚至還會(huì)產(chǎn)生一些誤解。
不久，瑞典物理學(xué)家克林根施蒂侖（1698—1765）研制了一種無(wú)色差的鏡片，但未能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。
1757年，英國(guó)數(shù)學(xué)家多蘭德（1706—1761），采用了數(shù)學(xué)家霍爾在1722年所發(fā)表的球面差計(jì)算方法，改進(jìn)并糾正了顯微鏡上各透鏡的曲度，從而制出了第一臺(tái)幾乎沒(méi)有色差的顯微鏡。

英國(guó)顯微鏡之父羅伯特﹒胡克
隨后英國(guó)顯微鏡之父羅伯特﹒胡克仿制了一臺(tái)與列文虎克一樣的顯微鏡，并證實(shí)了列文虎克關(guān)于水滴中微小生物體的發(fā)現(xiàn)，羅伯特﹒胡克根據(jù)自己的設(shè)計(jì)將列文虎克的顯微鏡進(jìn)行了很多改進(jìn)，但羅伯特﹒胡克因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了彈性材料的彈性定律而更為人所知。

圖3：羅伯特·胡克的顯微鏡

1655年羅伯特﹒胡克應(yīng)化學(xué)家羅伯特﹒波義耳的邀請(qǐng)到牛津大學(xué)進(jìn)行科學(xué)研究，并成為了波義耳的助手。羅伯特﹒胡克1665年創(chuàng)作了《顯微鏡》一書(shū)，首次對(duì)細(xì)胞(Cell)一詞命名。
光本質(zhì)的問(wèn)題上，羅伯特﹒胡克與當(dāng)時(shí)的科學(xué)巨匠牛頓產(chǎn)生了極大的分歧，牛頓認(rèn)為光是粒子，而主張波動(dòng)說(shuō)的羅伯特﹒胡克認(rèn)為光是波。由于牛頓在科學(xué)史上的偉大地位，羅伯特﹒胡克此后受到了打壓，但羅伯特﹒胡克敢于挑戰(zhàn)科學(xué)權(quán)威的勇氣還是令人敬佩的。蔡斯公司的興起
攻克顯微鏡的色差問(wèn)題，是當(dāng)時(shí)光學(xué)專(zhuān)家的主要課題。
1816年和1824年，意大利光學(xué)專(zhuān)家恩米西、塞法列，分別制成了無(wú)色差的顯微鏡，但均由于放大率太低而沒(méi)有引起人們的重視。
1838年，德國(guó)植物學(xué)家希萊登用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了新鮮的植物細(xì)胞。第二年，德國(guó)動(dòng)物學(xué)家希旺又發(fā)現(xiàn)了動(dòng)物的新鮮細(xì)胞，從而為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。
19世紀(jì)中期，德國(guó)耶那大學(xué)機(jī)械系的一個(gè)普通工人蔡斯，看到當(dāng)時(shí)科學(xué)研究、生產(chǎn)部門(mén)、學(xué)校、醫(yī)院等對(duì)顯微鏡的需求量很大，從而產(chǎn)生了制造顯微鏡的濃厚興趣。他于1846年離開(kāi)耶那大學(xué)，集資專(zhuān)門(mén)經(jīng)營(yíng)顯微鏡制造業(yè)，在萊比錫設(shè)立了一個(gè)小型工廠。后來(lái)，耶那大學(xué)物理教授阿貝和該校的玻璃技師肖特博士也加入進(jìn)來(lái)，共同辦起了蔡斯公司。
由于蔡斯本人懂點(diǎn)機(jī)械，物理教授懂光學(xué)，玻璃技師會(huì)磨制透鏡，他們?nèi)她R心合力，使制造顯微鏡的事業(yè)興旺發(fā)達(dá)，規(guī)模也一天天大起來(lái)。從此，蔡斯公司所生產(chǎn)的顯微鏡，以質(zhì)量高、效果好、功能多樣而聞名遐邇，在全球打開(kāi)了銷(xiāo)路。至今它仍然是世界上有名氣的光學(xué)儀器公司之一。

圖4：阿貝和他的紀(jì)念碑上的分辨率極限理論。

物理學(xué)教授阿貝在蔡斯公司工作期間，對(duì)研制顯微鏡的透鏡作出了巨大的貢獻(xiàn)。他于1878年制成數(shù)值孔徑大于1.0的第一個(gè)油浸物鏡，又在1883年制成了可矯正3種色彩的復(fù)消色差物鏡，使顯微鏡的分辨能力大大提高，促成了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上一系列的重要發(fā)現(xiàn)。例如，人們通過(guò)顯微鏡看到了細(xì)胞分裂（無(wú)性生殖）的過(guò)程，進(jìn)一步搞清楚了有性生殖是雄性細(xì)胞核與雌性細(xì)胞核的結(jié)合，認(rèn)識(shí)到細(xì)胞核是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)等。從1590年第一臺(tái)顯微鏡誕生至今，已經(jīng)歷了400多年歷史。顯微鏡的質(zhì)量越來(lái)越好，種類(lèi)也越來(lái)越多。這個(gè)家族可分為下列幾大類(lèi)型：?jiǎn)问斤@微鏡：它的光學(xué)組合比較簡(jiǎn)單，由一個(gè)或數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單的透鏡組成，放大倍數(shù)比較低。擴(kuò)大鏡是最簡(jiǎn)單的顯微鏡，常用的有三腳式擴(kuò)大鏡、折疊式袖珍擴(kuò)大鏡、罩眼擴(kuò)大鏡、手持式擴(kuò)大鏡等。
最初，三腳和罩眼擴(kuò)大鏡多用在繪像和修理鐘表上，折疊式和手持式擴(kuò)大鏡則多用于生物學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)標(biāo)本的觀察、看圖等。
日本推出了一種安裝在鋼筆上的小型擴(kuò)大鏡，可以放大50倍，用來(lái)觀察細(xì)小的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)，攜帶方便，不易損壞。復(fù)式顯微鏡，就是普通光學(xué)顯微鏡，主要用于觀察細(xì)胞、病菌、微生物結(jié)構(gòu)、組織、成分等，它能將人類(lèi)的活細(xì)胞放大超過(guò)200倍。
此外，還有電子顯微鏡、生物顯微鏡、全相顯微鏡、巖相顯微鏡、偏光顯微鏡和量度、工具顯微鏡等。

冰洲石和偏光鏡
冰島是北歐的游覽勝地。它是一個(gè)由火山熔巖構(gòu)成的小島，到處都是黑色的火山巖石。這些熔巖里有許多礦石，如人們喜愛(ài)的瑪瑙、晶瑩透明的冰洲石等。1830年的夏天，一個(gè)天氣晴朗的日子，一艘旅游船又抵達(dá)冰島了，游客們紛紛上岸游玩。一個(gè)金色頭發(fā)的男孩，看見(jiàn)地上有一塊無(wú)色透明的有點(diǎn)像玻璃的石頭，便拾了起來(lái)，拿在手上玩，但一不留神把石頭掉在地上，摔成好些碎塊。他的父母看見(jiàn)這些破碎的石頭都驚訝起來(lái)，原來(lái)這些碎塊都是同形狀的菱形體，只是大小不同罷了。他們好奇地把碎石塊拾起來(lái)放在衣袋里。傍晚他們回到住地，那位小朋友興奮地觀賞那些晶瑩透明的小碎石，當(dāng)他拿了一小塊碎石罩在報(bào)紙上看時(shí)，突然間雀躍起來(lái)，大聲地喊道：“爸爸你看，一個(gè)字變成兩個(gè)字了，真奇怪！”
他父親一看，也感到驚訝詫異！這位父親是個(gè)細(xì)心的人，而且具有一定的光學(xué)知識(shí)。他在白紙上面用鋼筆點(diǎn)了一個(gè)圓點(diǎn)，把透明礦石罩在這個(gè)黑點(diǎn)上，看見(jiàn)一個(gè)黑點(diǎn)變成了兩個(gè)黑點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)礦石時(shí)，一個(gè)黑點(diǎn)在原處不動(dòng)，另一個(gè)黑點(diǎn)卻繞著那個(gè)黑點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此他認(rèn)定，這種礦石在光學(xué)上很有價(jià)值。由于這種礦石是他們?cè)诒鶏u上發(fā)現(xiàn)的，故取名為冰洲石。其實(shí)，這種礦石到處都有，它的化學(xué)成分是碳酸鈣。在礦物學(xué)上，這種晶瑩透明、結(jié)晶完整的晶體叫做冰洲石，而它的通稱(chēng)則叫方解石。
冰洲石不僅晶瑩可愛(ài)，而且具有上述奇特的性能，因此在制造光學(xué)儀器上有其特殊的用途。透過(guò)它觀察紙面上的一個(gè)點(diǎn)或一條線，會(huì)變成兩個(gè)點(diǎn)或兩條線。這在光學(xué)上稱(chēng)為“雙折射”現(xiàn)象。其原因是一束光線射入晶體后，由于礦物各方向的光學(xué)性質(zhì)不同，故分解成不同性質(zhì)的兩條光線。利用冰洲石的雙折射和偏光性能，可以制造偏光顯微鏡、旋光測(cè)糖計(jì)、光度計(jì)、電影機(jī)中偏光棱鏡、大屏幕顯示儀、化學(xué)分析比色計(jì)以及天文望遠(yuǎn)鏡等。
1841年，英國(guó)物理學(xué)家尼柯?tīng)枺?/span>1768—1851）用冰洲石做了一個(gè)有名的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。他把冰洲石切割成長(zhǎng)方形，然后沿對(duì)角線再剖開(kāi)，并把剖開(kāi)的面磨成很平很平的平面，再用樹(shù)膠把剖開(kāi)的兩塊黏合起來(lái)，用一束光射入這個(gè)經(jīng)切割又黏合的晶體內(nèi)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光射入晶體時(shí)，產(chǎn)生了兩束光（雙折射），當(dāng)兩條光線經(jīng)過(guò)樹(shù)膠時(shí)，其中有一條光線通過(guò)去了，另一條光就通不過(guò)而發(fā)生折射。通過(guò)去的那條光也改變了原來(lái)的性質(zhì)，變成了偏光。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)很重要，是制造偏光顯微鏡的理論基礎(chǔ)。后來(lái)，尼柯?tīng)柛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，把冰洲石制成顯微鏡上的棱鏡，人們稱(chēng)它為尼柯?tīng)柪忡R，也就是現(xiàn)在的偏光鏡。偏光顯微鏡，就是在普通顯微鏡的基礎(chǔ)上，再裝入上、下兩個(gè)偏光鏡而制成的。即在載物臺(tái)的下方裝入一個(gè)下偏光鏡，在鏡筒上裝入一個(gè)上偏光鏡，再加上聚光鏡，就成為偏光顯微鏡。偏光顯微鏡，通常用來(lái)觀察礦物和巖石。地質(zhì)科學(xué)家們把礦物、巖石標(biāo)本磨成很薄很?。s厚0.03毫米）的薄片，當(dāng)光通過(guò)薄片時(shí)，就能分辨出它的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征。
偏光顯微鏡的類(lèi)型很多，但基本構(gòu)造相似。國(guó)產(chǎn)的有蘇州光學(xué)儀器廠出產(chǎn)的XPA型偏光顯微鏡。世界上歷史悠久、光學(xué)性能良好的偏光顯微鏡，要數(shù)德國(guó)的萊茲型偏光顯微鏡。

顯微鏡在20世紀(jì)早期的發(fā)展
1903年奧地利籍匈牙利裔化學(xué)家里夏德﹒阿道夫﹒席格蒙迪(Richard Adolf Zsigmondy)發(fā)明了超顯微鏡，超顯微鏡是基于光散射而非反射，用來(lái)觀察氣體或膠體中的粒子。席格蒙迪命名為超級(jí)，因?yàn)樗梢匝芯砍叨仍诓ㄩL(zhǎng)以下的物體，超的意思就是超出了波長(zhǎng)的限制，而不是超級(jí)的意思，并于1925年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。席格蒙迪1897年加入了由Abbe與肖特(Schott Glaswerke AG)成立的肖特玻璃制造廠，在該廠工作期間，席格蒙迪對(duì)茶色玻璃進(jìn)來(lái)了研究，還發(fā)明了一種玻璃，命名為“Jenaer Milchglas”。1890年席格蒙迪辭職，與蔡司合作研制了狹縫超顯微鏡，席格蒙迪可以測(cè)出玻璃中4納米的顆粒。1907年他進(jìn)入格丁根大學(xué)，成為有機(jī)化學(xué)教授，直至1929年2月退休，席格蒙迪一生的主要成就在于確立了現(xiàn)代膠體化學(xué)的基礎(chǔ)。
1932年弗里茨﹒塞爾尼克(FritsZernike)發(fā)明了相位差顯微鏡來(lái)研究無(wú)色和透明的生物樣品，這樣細(xì)胞不再需要染色，塞爾尼克因此獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而在相位差顯微鏡剛被發(fā)明時(shí)并沒(méi)有得到足夠多的重視，塞爾尼克與蔡司公司討論過(guò)合作的可能性，但蔡司當(dāng)時(shí)不敢興趣。直到二次世界大戰(zhàn)時(shí)塞爾尼克被納粹黨逮捕，媒體的報(bào)道將塞爾尼克再次推倒前臺(tái)，相位差顯微鏡才得到重視。
極化/偏振顯微鏡(polarization microscopy)也是一種非標(biāo)記技術(shù)，由德國(guó)物理學(xué)家馬克﹒貝雷克(Mark Berek)在二次世界大戰(zhàn)前發(fā)明，具體年月不詳。雖然當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)開(kāi)始使用熒光顯微鏡，但因?yàn)闊晒怙@微鏡的樣品需要固定染色，所以熒光顯微鏡觀察到的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)存在很大爭(zhēng)議，很多人認(rèn)為那是染料造成的假象，非標(biāo)記顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu)更容易獲得認(rèn)可。W.J.Schmid在1937年觀察到了紡錘體的纖維狀結(jié)構(gòu)，但圖像有些模糊不清。1953年Shinya Inoué用自制的改進(jìn)型偏振顯微鏡證實(shí)了Schmid的發(fā)現(xiàn)，通過(guò)與熒光顯微鏡的結(jié)果比較，二者結(jié)果相似，這也在一定程度上推動(dòng)了熒光顯微鏡的發(fā)展。
20世紀(jì)50年喬治﹒諾馬爾斯基(Georges Nomarski)發(fā)明了微分干涉相襯顯微鏡(differentialinterference contrast)，微分干涉相襯顯微鏡可以用來(lái)研究非染色的活生物樣品。微分干涉相襯顯微鏡要求透明樣品的折射率與樣品所處的介質(zhì)環(huán)境相同，而且不能研究厚的或者有色素的樣品，但微分干涉相襯顯微鏡的分辨率在合適的條件下可以比相位差顯微鏡更高。Allen1981年將攝像機(jī)(video camera)技術(shù)與微分干涉相襯顯微鏡整合成視頻增強(qiáng)對(duì)比微分干涉相襯顯微鏡(Video-enhanced Contrast, Differential Interference Contrast(AVEC-DIC) microscopy)，當(dāng)然攝像機(jī)也可以與偏振顯微鏡整合成視頻增強(qiáng)對(duì)比偏振顯微鏡(Video-enhancedContrast Polarization Microscopy)。
1940年西奧多﹒弗斯特(Theodor Fster)發(fā)現(xiàn)了熒光共振能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象(fluorescence resonance envergy transfer, FRET)，弗斯特證實(shí)電子激發(fā)能量能夠從熒光供體(donor fluorescence)轉(zhuǎn)到熒光受體(acceptorchromophore),轉(zhuǎn)移的效率與分子距離的六次方的倒數(shù)相關(guān)。FRET顯微鏡可以用來(lái)研究蛋白在體內(nèi)的相互作用，1996年韓國(guó)學(xué)者Taekjip Ha首次實(shí)現(xiàn)了單分子FRET，目前單分子FRET可以在體外實(shí)時(shí)研究分子相互作用和分子動(dòng)態(tài)變化。

電子顯微鏡的誕生與發(fā)展
早在1874年，德國(guó)光學(xué)專(zhuān)家阿貝（1840—1905）提出了光學(xué)顯微鏡分辨能力極限的問(wèn)題。他指出，想通過(guò)光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察比0.2微米還小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，顯然是徒勞的。光學(xué)顯微鏡的最高放大倍率為5000倍。它雖然開(kāi)闊了人們的眼界，在某些領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，但由于它的分辨能力的限制，以至于仍然未能深入到神秘的微觀世界中去。
提高顯微鏡分辨率的途徑之一是設(shè)法減小光的波長(zhǎng)，或者用電子束來(lái)代替光。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運(yùn)動(dòng)的電子具有波動(dòng)性，而且速度越快，“波長(zhǎng)”就越短。如果能把電子的速度加到足夠高，用磁場(chǎng)聚焦電子束，就有可能用電子束來(lái)放大物體。
1931年，德國(guó)的克諾爾和魯斯卡，用冷陰極放電電子源和三個(gè)電子透鏡改裝了一臺(tái)高壓示波器，獲得了放大十幾倍的圖像，證實(shí)了電子顯微鏡放大成像的可能性。
1932年，經(jīng)過(guò)魯斯卡的改進(jìn)，電子顯微鏡的分辨能力達(dá)到了50納米，大概是當(dāng)時(shí)光學(xué)顯微鏡分辨率的十倍，于是電子顯微鏡開(kāi)始受到人們的重視。
二十世紀(jì)40年代，美國(guó)人希爾用消像散器克服了電子透鏡旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱(chēng)性的負(fù)面影響，使電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)有了新的突破，逐步達(dá)到了現(xiàn)代電子顯微鏡的水平。
電子顯微鏡發(fā)展初期正是新中國(guó)建設(shè)百?gòu)U待興的年代，我們國(guó)家的科研工作者高瞻遠(yuǎn)矚緊跟世界科研潮流，在1958年成功研制出透射式電子顯微鏡，分辨本領(lǐng)為3納米，1979年又制成分辨本領(lǐng)為0.3納米的大型透射電子顯微鏡。
由于分辨率太低而且電子束對(duì)樣品損傷嚴(yán)重，此時(shí)的電子顯微鏡并不適合去觀測(cè)單個(gè)分子。隨著上世紀(jì)80年代掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的問(wèn)世，在表面上檢測(cè)單個(gè)原子或分子終于成為可能。
1952年，英國(guó)工程師CharlesOatley制造出了第一臺(tái)掃描電子顯微鏡(SEM)，電子顯微鏡被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。很多在可見(jiàn)光下看不見(jiàn)的物體——例如病毒——在電子顯微鏡下都現(xiàn)出了原形。
用電子代替光，這或許是一個(gè)反常規(guī)的主意，但是還有更令人吃驚的發(fā)明。
1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)。這種顯微鏡比電子顯微鏡更加激進(jìn)，它完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。掃描隧道顯微鏡的工作原理是“隧道效應(yīng)”。隧道掃描顯微鏡沒(méi)有鏡頭，它使用一根探針。探針和物體之間加上電壓，如果探針距離物體表面很近—大約在納米級(jí)的距離上—隧道效應(yīng)就會(huì)起作用。電子會(huì)穿過(guò)物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，這股電流也會(huì)相應(yīng)的改變。這樣，通過(guò)測(cè)量電流我們就能知道物體表面的形狀，分辨率可以達(dá)到單個(gè)原子的級(jí)別。因?yàn)檫@項(xiàng)奇妙的發(fā)明，Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，電子顯微鏡的發(fā)明者Ruska在同一年與他們共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
電子顯微鏡在細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)用奠定了現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)，很多細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)都是在電子顯微鏡的幫助下實(shí)現(xiàn)的。
20世紀(jì)后半段是電子顯微鏡發(fā)展的黃金期，比如羅馬尼亞出生的美國(guó)細(xì)胞生物學(xué)家喬治﹒埃米爾﹒帕拉德(George Emil Palade)借助電子顯微鏡的幫助在1995年發(fā)現(xiàn)了核糖體，核糖體是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)翻譯的工廠，核糖體的發(fā)現(xiàn)對(duì)我們認(rèn)識(shí)細(xì)胞功能邁出了重大的一步，因此帕拉德于1974年被授予諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。工欲善其事必先利其器，帕拉德的貢獻(xiàn)就是拜電子顯微鏡所賜。
雖然電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)早已遠(yuǎn)勝光學(xué)顯微鏡，但因?yàn)殡娮语@微鏡要在真空條件下工作，所以很難觀察活生物，而且電子束照射會(huì)使生物樣品受到輻照損傷。
由于電子顯微鏡的明顯劣勢(shì)，即使電子顯微鏡分辨率更高，但它仍然不能替代光學(xué)顯微鏡，光學(xué)顯微鏡的發(fā)展仍然在默默進(jìn)行著。

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