电子显微镜的历史：从光学显微镜到冷冻电镜

你有没有想过显微镜是如何被发明的？自从几个世纪前第一个版本问世以来，显微镜已经取得了长足的进步，科学家们现在能够发现的重要成果也大为提升。特别是冷冻电子显微镜（cryo-EM）如今对于科学家而言，就如同手术刀对于外科医生一样，是行动的工具，而不仅仅是观察的工具。正如诺贝尔奖得主艾伦·芬克尔博士所说：“没有显微技术，就没有现代科学。”

人类天生充满好奇心，我们对未知的迷恋促使我们去探索一些生命中最困难的挑战。如今的先进显微镜帮助科学家以三维形式观察病毒和蛋白质的结构。科学家现在利用这些先进显微镜和新技术来研究神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿舞蹈症，以及癌症、艾滋病、疟疾、寨卡病毒等许多其他疾病。更深入地了解蛋白质和病毒的功能，有助于研究人员加快开发更有效的治疗方法和疗法。

显微技术的开端

显微镜的发展几乎是在16世纪初该仪器被发明后不久就开始了。当16世纪的科学家们在生物学和化学领域取得进展时，他们意识到自己需要看到超出肉眼所及的细节。他们的解决方案是利用玻璃来弯曲光线，从而发明了放大镜。但如果将多个镜片组合在一起会发生什么呢？在16世纪末，两位荷兰的眼镜制造商——扎卡里亚斯·詹森和他的父亲汉斯——决定亲自尝试。他们将多个镜片叠放在一个管子里，发现这些镜片组合在一起可以使物体看起来比单个放大镜放大得多。由于最大放大倍数仅为9倍，它们更像是一种新奇玩意，而非科学仪器。

安东尼·范·列文虎克，这位荷兰科学家、显微镜学的先驱之一，成为第一个为科学目的制造并使用显微镜的人。他手工制作的单镜片显微镜是通过研磨并抛光玻璃球制成曲面镜片的，他发现这种曲面使他能将物体放大到肉眼所见的270倍。相比之下，使用平面镜片的显微镜只能放大到50倍。他用新的显微镜分析昆虫，并最终发现了细菌，因此被誉为“显微镜之父”。

为了提升单镜片显微镜的能力，科学家必须找到一种方法，在保持镜片直径的同时减少显微镜的焦距。如果镜片做得太小，将难以观察，图像也可能变得模糊。解决方案是：复合显微镜。

A 复合显微镜使用两个或多个镜片将图像放大到更高的倍数。其基本结构由两个部分组成：

1. 物镜，即最靠近被观察物体的镜片
2. 目镜，即最靠近眼睛的镜片

这些新型复合显微镜的结合使用，使研究人员能够以前所未有的细节观察单细胞生物、酵母菌以及其他生命的基本组成部分，尽管由于玻璃质量较低和镜片形状不够完美，图像会有些失真。即使在今天，那些体积庞大的显微镜本质上也被认为是复合显微镜。

透射电子显微镜（TEM）是如何被发明的

1900年，光学显微镜达到了理论上的分辨率极限。物理学原理决定了光学显微镜的放大倍数只能在500倍到1,000倍之间，分辨率达到0.2微米（2,000埃）。四年后，卡尔·蔡司（Carl Zeiss）克服了这一限制，推出了第一台商用紫外光显微镜，其分辨率是光学显微镜的两倍。然而，直到将近30年后，研究人员才找到了彻底突破这些限制的方法。

1931年，两位德国科学家恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）和马克斯·克诺尔（Max Knoll）找到了一种实现比光更高分辨率的方法。他们发现可以通过样品传输电子来形成图像。这一发现促成了第一台透射电子显微镜（TEM），在该显微镜中，电子直接射向样品并穿透它以生成图像。

扫描电子显微镜（SEM）和数字成像的兴起

十年后，鲁斯卡采用了一种类似但不同的方法，使用聚焦的电子束以矩形模式扫描样品表面，以提供有关其表面形貌和成分的信息。与TEM不同，这种新型扫描电子显微镜（SEM）的图像是在显微镜收集并计数散射电子后形成的。

1986年，日本科学家推出了数字显微镜，许多人认为这彻底改变了显微技术。他们开发了一种将显微镜下的图像传输到计算机上以便即时分析的方法。如今，显微镜配备了内置高清显示器，无需外部计算机即可查看图像。

冷冻电子显微镜（cryo-EM）和三维结构分析的突破

即使到了近年，显微技术面临的主要挑战仍然是如何将模糊的二维图像重建为清晰的三维结构。在近二十年的时间里，三位研究人员——雅克·杜博歇（Jacques Dubochet）、约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson）——开发出了一种利用电子显微镜在原子层面生成蛋白质三维结构的技术。他们的技术使用玻璃化方法将样品冷却至低温，从而使生物分子在真空中保持其形状。这种方法被称为冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy，简称cryo-EM）。冷冻电子显微镜（cryo-EM）荣获2017年诺贝尔化学奖。

回顾过去，显微镜已经经历了漫长的发展历程。从单镜头放大镜到当今庞大的电子显微镜，这项技术正在改变科学。由于显微镜技术的进步，我们现在能够观察到原子级别的样本，放大倍数可达人眼的1000万倍以上。