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光学显微镜简史

从中世纪的阅读石到超分辨率

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显微镜的历史始于中世纪。早在11世纪,阿拉伯世界就使用抛光绿柱石制成的平凸透镜作为阅读石来放大手稿。然而,将这些透镜发展成显微镜并非某一个人的功劳,而是众多科学家和学者共同努力的结果。

第一台放大仪器由一位眼镜制造商制作

尽管早在16世纪初就提出了用两个玻璃透镜一前一后放置来放大物体的想法,但直到一段时间后才制造出这样的仪器。荷兰眼镜制造商汉斯·詹森和他的儿子扎卡里亚斯通常被认为是这些复合显微镜的制造者。在16世纪末,他们制造了可能是第一台复合显微镜。它的放大倍数可以在3到9倍之间调整。

但其他科学家也致力于制造这些放大仪器。1609年,伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)通过将他的一个望远镜改造成显微镜。它有一个发散透镜作为目镜和一个会聚透镜作为物镜。天文学家科尼利厄斯·德雷贝尔(Cornelius Drebbel)在1620年左右展示了一台由两个会聚透镜制成的早期显微镜。然而,这显然不是德雷贝尔自己的想法,而是约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)的创意。

胡克的《显微图志》

英国博学多才的学者罗伯特·胡克(Robert Hooke)真正将相对新兴的显微科学推向了前沿。

正是英国博学家罗伯特·胡克真正使相对较前沿的显微镜学科闻名于世。1667年,他首次出版了一部关于显微镜的基础著作《显微图志》。这本书中包含的显微镜观察图让微观世界向更广大的公众开放。他展示的一些图像有50倍的放大率。

胡克的显微镜来自伦敦的仪器制造商克里斯托弗·考克(Christopher Cock)。他通过将传统的油灯照明与一只鞋匠球(一个装满水的玻璃瓶)结合起来改进了显微镜,这种装置将光线聚焦在标本上,使其照明更均匀。然而,胡克在使用两个透镜时遇到了严重的图像像差问题,这些问题随着使用透镜数量的增加而变得更加明显。

一位布商首次观察到活细胞

荷兰人安东尼·范·列文虎克(1632-1723)在相当长的一段时间内实现了显微镜的最高放大倍数。作为一名布商,显微镜最初只是他的一个爱好,他的显微镜可以将物体放大超过 200 倍。然而,与胡克使用的复合显微镜不同,他使用的是只有单个透镜的显微镜,因此避免了胡克因使用两个透镜叠加导致的像差问题。然而,只使用一个透镜的缺点是,仪器必须紧靠眼睛使用。

即使在今天,也没有人确切知道列文虎克是如何制作出几乎无表面杂质和缺陷的优质透镜,从而实现了如此高的放大效果。在1723年去世时,享年91岁,他的透镜制作知识也随之消逝。由于他显微镜的良好放大效果,列文虎克成为第一个观察到活细胞(如细菌和精子)的人。

由于显微镜最初主要被视为富人的消遣,其科学潜力并未得到认可,因此多年间没有进一步的技术突破。直到18世纪后期,消色差显微镜物镜才被制造出来,这些物镜可以防止主要的色差,从而减少透镜缺陷导致的分辨力损失。消色差物镜的发明之所以耗时较长,其中一个原因是艾萨克·牛顿的声明。。1666年,已经是著名自然科学家的牛顿错误地坚持认为消色差是不可能的。

阿贝的衍射定律和科勒照明

19世纪初,约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫通过显著提高显微镜光学玻璃的质量,进一步减少了图像像差。19世纪中期,意大利人乔瓦尼·阿米奇推进了水浸和油浸物镜的发展。最终在1873年,恩斯特·阿贝为批量生产高倍率显微镜提供了科学基础。在此之前,显微镜透镜一直是通过反复试验制造的,而不是像现在这样通过计算光学来制造的。然而,阿贝同时预测光学显微镜的最大分辨力最多只能达到200纳米。除了提供计算显微镜光学的基础外,阿贝在接下来的几年里还提出了改进的油浸物镜和优化的照明装置。仅仅几年后,奥古斯特·科勒开发了“科勒照明”,这标准化了显微镜照明,至今仍是普遍接受的照明方法。

新的对比度方法、荧光技术和共聚焦技术取得了显著进展

20世纪上半叶有许多新发现为现代显微技术奠定了基础。最重要的是,为荧光显微镜和相关技术(如双光子和多光子显微镜)建立了基本原理。另一项彻底改变显微世界的技术是弗里茨·泽尼克(Fritz Zernike)在1941年制造的第一台相位差显微镜。几年后,在20世纪下半叶初,乔治·诺马尔斯基(Georges Nomarski)发明了另一种显微对比度技术,称为微分干涉对比,这种技术与相位差一样,至今仍被广泛使用。

荧光显微镜进一步发展的一个重要步骤是绿色荧光蛋白(GFP)的发现。它来自水母Aequorea victoria,并在1961年首次由大村智(Osamu Shimomura)描述。在二十世纪九十年代,道格拉斯·普拉斯赫(Douglas Prasher)和马丁·查尔菲(Martin Chalfie)首次成功地在水母体外表达了GFP,使其可以用作其他蛋白质的标记。在接下来的几年里,开发并改进了许多荧光技术,这些技术在现代显微镜中仍然发挥着重要作用,例如FRAP(光漂白后荧光恢复)和TIRF(全内反射显微镜)。

1957年,马文·明斯基(Marvin Minsky)为共聚焦显微镜申请了第一项专利。起初,这并未受到科学界的广泛关注。然而,在激光技术改进该方法后,它最终得到了普遍接受,并成为一种非常流行的技术。

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