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guoping201 2006-03-05 15:34
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zpzgwd 2006-03-05 16:49電子顯微鏡的發(fā)明
普通光學(xué)顯微鏡通過(guò)提高和改善透鏡的性能，使放大率達(dá)到1000─1500倍左右，但一直末超過(guò)2000倍。這是由于普通光學(xué)顯微鏡的放大能力受光的波長(zhǎng)的限制。光學(xué)顯微鏡是利用光線來(lái)看物體，為了看到物體，物體的尺寸就必須大于光的波長(zhǎng)，否則光就會(huì) “繞”過(guò)去。理論研究結(jié)果表明，普通光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不超過(guò)0。02微米，有人采用波長(zhǎng)比可見(jiàn)光更短的紫外線，放大能力也不過(guò)再提高一倍左右。
要想看到組成物質(zhì)的最小單位──原子，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)還差3─4個(gè)量級(jí)。為了從更高的層次上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，必須另辟蹊徑，創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的顯微鏡。
有人設(shè)想用波長(zhǎng)比紫外線更短的X射線的透鏡。
20世紀(jì)20年代法國(guó)科學(xué)家德布羅意發(fā)現(xiàn)電子流也具有波動(dòng)性，其波長(zhǎng)與能量有確定關(guān)系，能量越大波長(zhǎng)越短，比如電子學(xué)1000伏特的電場(chǎng)加速后其波長(zhǎng)是0.388埃，用10萬(wàn)伏電場(chǎng)加速后波長(zhǎng)只有0.0387埃，于是科學(xué)家們就想到是否可以用電子束來(lái)代替光波？這是電子顯微鏡即將誕生的一個(gè)先兆。
用電子束來(lái)制造顯微鏡，關(guān)鍵是找到能使電子束聚焦的透鏡，光學(xué)透鏡是無(wú)法會(huì)聚電子束的。
1926年，德國(guó)科學(xué)家蒲許提出了關(guān)于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的理論。他指出： “具有軸對(duì)稱(chēng)性的磁場(chǎng)對(duì)電子束來(lái)說(shuō)起著透鏡的作用�！边@樣，蒲許就從理論上解決了電子顯微鏡的透鏡問(wèn)題，因?yàn)殡娮邮鴣?lái)說(shuō)，磁場(chǎng)顯示出透鏡的作用，所以稱(chēng)為 “磁透鏡”。
德國(guó)柏林工科大學(xué)的年輕研究員盧斯卡，1932年制作了第一臺(tái)電子顯微鏡──它是一臺(tái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的陰極射線示波器，成功地得到了銅網(wǎng)的放大像──第一次由電子束形成的圖像，加速電壓為7萬(wàn)，最初放大率僅為12倍。盡管放大率微不足道，但它卻證實(shí)了使用電子束和電子透鏡可形成與光學(xué)像相同的電子像。
經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，1933年盧斯卡制成了二級(jí)放大的電子顯微鏡，獲得了金屬箔和纖維的1萬(wàn)倍的放大像。
1937年應(yīng)西門(mén)子公司的邀請(qǐng)，盧斯理建立了超顯微鏡學(xué)實(shí)驗(yàn)室。1939年西門(mén)子公司制造出分辨本領(lǐng)達(dá)到30埃的世界上最早的實(shí)用電子顯微鏡，并投入批量生產(chǎn)。
電子顯微鏡的出現(xiàn)使人類(lèi)的洞察能力提高了好幾百倍，不僅看到了病毒，而且看見(jiàn)了一些大分子，即使經(jīng)過(guò)特殊制備的某些類(lèi)型材料樣品里的原子，也能夠被看到。
但是，受電子顯微鏡本身的設(shè)計(jì)原理和現(xiàn)代加工技術(shù)手段的限制，目前它的分辨本領(lǐng)已經(jīng)接近極限。要進(jìn)一步研究比原子尺度更小的微觀世界必須要有概念和原理上的根本突破。
1978年，一種新的物理探測(cè)系統(tǒng)── “掃描隧道顯微鏡已被德國(guó)學(xué)者賓尼格和瑞士學(xué)者羅雷爾系統(tǒng)地論證了，并于1982年制造成功。這種新型的顯微鏡，放大倍數(shù)可達(dá)3億倍，最小可分辨的兩點(diǎn)距離為原子直徑的1/10，也就是說(shuō)它的分辨率高達(dá)0.1埃。
掃描隧道顯微鏡采用了全新的工作原理，它利用一種電子隧道現(xiàn)象，將樣品本身作為一具電極，另一個(gè)電極是一根非常尖銳的探針，把探針移近樣品，并在兩者之間加上電壓，當(dāng)探針和樣品表面相距只有數(shù)十埃時(shí)，由于隧道效應(yīng)在探針與樣品表面之間就會(huì)產(chǎn)生隧穿電流，并保持不變，若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也將使穿電流發(fā)生成千上萬(wàn)倍的變化，這種攜帶原子結(jié)構(gòu)的信息，輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理即可在熒光屏上顯示出一幅物體的三維圖象。
鑒于盧斯卡發(fā)明電子顯微鏡的，賓尼格、羅雷爾設(shè)計(jì)制造掃描隧道顯微鏡的業(yè)績(jī)，瑞典皇家科學(xué)院決定，將1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予他們?nèi)恕?span style="display:none"> wQ2'%T|t
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zpzgwd 2006-03-05 16:51顯微鏡的光學(xué)原理及性能
傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡主要由光學(xué)系統(tǒng)及支撐它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡、目鏡和聚光鏡，都是由各種光學(xué)玻璃做成的復(fù)雜化了的放大鏡。物鏡將標(biāo)本放大成像，其放大倍率M物由下式?jīng)Q定：M物=Δ∕f'物 ，式中f'物是物鏡的焦距，Δ可理解為物鏡與目鏡間的距離。目鏡將物鏡所成之像再次放大，成一個(gè)虛像在人眼前250mm處供人觀察,這是多數(shù)人感覺(jué)最舒適的觀察位置，目鏡的倍率M目=250/f'目,f'目是目鏡的焦距。顯微鏡的總放大倍率是物鏡與目鏡的乘積，即M=M物*M目=Δ*250∕f'目*f;物。可見(jiàn)，減小物鏡及目鏡焦距將使總放大倍率提高，這是用顯微鏡可以看到細(xì)菌等微生物的關(guān)鍵,也是其與普通放大鏡的區(qū)別所在。
那么，是否可以設(shè)想無(wú)限制地減少f’物f’目，以便提高放大倍率，使我們能看到更加細(xì)微的物體呢?回答是否定的！這是因?yàn)橛靡猿上竦墓獗举|(zhì)是一種電磁波，因而在傳播過(guò)程中免不了產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象，就像日常所見(jiàn)水面的波紋遇到障礙時(shí)能繞行，兩列水波相遇時(shí)能互相加強(qiáng)或削弱一樣。當(dāng)從一個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光物點(diǎn)發(fā)出的光波進(jìn)入物鏡時(shí)，物鏡的邊框阻礙了光的傳播，產(chǎn)生衍射和干涉，經(jīng)物鏡后無(wú)法再會(huì)集于一點(diǎn)，而是形成有一定大小的光斑，外圍還有強(qiáng)度微弱并逐漸減弱的一系列光環(huán)，我們稱(chēng)中心亮斑為艾里斑，兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)靠近到一定距離時(shí)兩光斑就會(huì)重疊，直至無(wú)法確認(rèn)為兩個(gè)光斑。瑞利提出了一個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為當(dāng)兩光斑中心相距等于艾里斑半徑時(shí)，兩光斑是能分辨的，經(jīng)計(jì)算，這時(shí)候兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)間的距離e=0.61入∕n.sinA=0.61入∕N.A，式中，入為光波波長(zhǎng)，人眼可接收的光波波長(zhǎng)約為0.4—0.7um，n為發(fā)光點(diǎn)所處介質(zhì)的折射率，如處在空氣中，n≈1，處在水中，n≈1.33，而A為發(fā)光點(diǎn)對(duì)物鏡邊框張角之半，N.A稱(chēng)為物鏡的數(shù)值孔徑。從上式可見(jiàn)，物鏡能分辨的兩點(diǎn)間的距離受到了光的波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑的限制，由于人眼視覺(jué)最敏銳的波長(zhǎng)約為0.5um，而A角不可能超過(guò)90度，sinA總小于1，對(duì)于可用的透光介質(zhì)最大折射率約為1.5，故 e值始終大于0.2um，這是光學(xué)顯微鏡能分辨的最小極限距離。通過(guò)顯微鏡放大成像，若想將能被具有某些N.A值的物鏡分辨率的物點(diǎn)間距e放大到足以被人眼分辨，則需M.e≥0.15mm，此處0.15mm為實(shí)驗(yàn)得出的人眼能分辨的置于眼前250mm處兩微物間的最小距離，故M≥（0.15∕0.61入）N.A≈500N.A ，為使觀察不致太費(fèi)力，M擴(kuò)大一倍便足夠了，即500N.A≤M≤1000N.A，是顯微鏡總倍率的合理選取范圍，再大的總放大倍率是沒(méi)有意義的，因?yàn)槲镧R數(shù)值孔徑已經(jīng)限制了最小可分辨距離，提高放大倍率已不可能分辨出更小的物體細(xì)節(jié)了。
成像襯度是光學(xué)顯微鏡的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，所謂襯度，即是像面上相鄰部份間的黑白對(duì)比度或顏色差，人眼對(duì)于0.02以下的亮度差別是很難判定的，對(duì)顏色差別則稍微敏感一些。有些顯微鏡觀察對(duì)象，如生物標(biāo)本，其細(xì)節(jié)間亮度差別甚小，加之顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造誤差使其成像襯度進(jìn)一步降低而難于分辨，此時(shí)，看不清物體細(xì)節(jié)，不是總放大倍率過(guò)低，也不是物鏡數(shù)值孔徑太小，而是由于像面襯度太低的緣故。
多少年來(lái)，人們?yōu)樘岣唢@微鏡的分辨能力和成像襯度付出了艱辛的勞動(dòng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工具的不斷進(jìn)步，光學(xué)設(shè)計(jì)的理論和方法也在不斷改進(jìn)，加上原材料性能的提高，工藝和檢測(cè)手段的不斷完善，觀察方法的創(chuàng)新，使光學(xué)顯微鏡的成像質(zhì)量已經(jīng)接近衍射極限的完善程度，人們將用標(biāo)本染色、暗場(chǎng)、相襯、熒光、干涉、偏光等觀察技術(shù)，使得光學(xué)顯微鏡已能適應(yīng)形形色色標(biāo)本的研究，雖然近年來(lái)電子顯微鏡，超聲顯微鏡等放大成像儀器先后問(wèn)世，在某些方面具有優(yōu)勢(shì)的性能，但在廉價(jià)、方便、直觀、特別是適合生物活體的研究等方面仍無(wú)法與光學(xué)顯微鏡匹敵，光學(xué)顯微鏡仍然牢固地占據(jù)著自己的陣地。另一方面，與激光、計(jì)算機(jī)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，古老的光學(xué)顯微鏡正煥發(fā)青春，顯示了旺盛的生命力，數(shù)碼顯微鏡、激光共焦掃描顯微鏡、近場(chǎng)掃描顯微鏡、雙光子顯微鏡及具有各種新的功能或能適應(yīng)各種新的環(huán)境條件的儀器層出不窮，更加擴(kuò)大了光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域，作為最新的例子。從火星探測(cè)車(chē)上傳回的巖層顯微圖片是多么令人振奮！我們完全可以相信，光學(xué)顯微鏡將會(huì)以更新的姿態(tài)，造福人類(lèi)。
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