冷冻电镜火了，可电镜发明的曲折过程，你知道吗？

今年的诺贝尔化学奖授予了雅克·杜博切特、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森，以表彰他们在冷冻电子显微镜领域的贡献。

左边是普通电子显微镜的分辨率；右边是冷冻电子显微镜的分辨率(图片来源:nobelprize.org)

冷冻电子显微镜，顾名思义，是基于电子显微镜。那么，电子显微镜是如何诞生的呢？

共同祖先

冷冻电子显微镜和电子显微镜是一个家族，它们有一个共同的祖先——光学显微镜。

最早的光学显微镜(照片来源:欧洲)。wikipedia.org)

现在，让我们回忆一下中学的生物知识。如果你想用显微镜观察洋葱皮，你必须先把洋葱皮做成标本并固定在显微镜上，然后打开或调整光源，让光线通过标本进入物镜和目镜，最后出现在眼睛里。

光学显微镜的物镜和目镜是凸透镜。所以你看，放大细胞和物体的奥秘在于两个地方:第一，光和标本之间的相互作用；第二，凸透镜的成像原理。

光学显微镜的成像原理(图像来源:中国百科全书数据库)

当光穿过标本时，一部分被散射，另一部分被吸收。前者像雷达一样，可以告诉我们标本的边界和形状。后者就像医院里使用的x光机一样，一部分吸收更多的光，另一部分吸收更少的光。不同的光线通过率会显示眼睛的明暗差别。

致命缺陷

有了边界、形状和明暗，学者有能力研究微观世界。自从阿端·飞利浦·范·列文虎克发明光学显微镜以来，几百年来，光学显微镜的放大率从几十倍增加到几百倍，然后超过1000倍。然后，没有然后...

列文虎克(照片来源:EN。wikipedia.org)

问题恰恰在于凸透镜的成像原理。

凸透镜可以放大物体，但在放大物体的同时，光线会衍射形成一个直径有限的原始圆盘，被光环和暗环所包围，这就是艾里圆盘。

艾里光盘(照片来源:欧洲)。wikipedia.org)

标本由许多点组成，光线穿过每个点。换句话说，一个标本可以形成许多艾里圆盘。如果两个艾里圆盘靠得太近，彼此重叠，就看不清楚了。

因此，为了提高显微镜的分辨率，必须减少光的衍射。

僵局

现在，让我们考虑路由器。

路由器通常有两个频带，一个是2.4G，另一个是5G。我相信大多数读者和朋友都有过这样的经历:只要手机、平板电脑和路由器之间有一道门，5G信号就会下降很多。这是因为路由器G代表频率，而5G信号频率很高。相应地，波长更短，并且更倾向于“直线前进”，并且其通过衍射进入门的能力远小于2.4G..

路由器穿墙能力示意图(照片来源:sohu.com)

1873年，德国物理学家恩斯特·卡尔Abb提出了显微镜成像理论，即显微镜的分辨率与入射光的波长有关。光学显微镜使用自然光作为光源，并且还受自然光波长的影响。因此，理论上，光学显微镜只能将物体放大1600倍。如果它更大，就看不清楚了。

阿贝(照片来源:欧洲。wikipedia.org)

乍一看，这个问题似乎很容易解决——只需寻找波长较短的光源。

20世纪初，约瑟夫·埃德温·巴纳德试图使用紫外线。1912年，马克斯·冯·劳厄考虑了x光。这两种光线的波长都比可见光短，但前者只能在一定程度上提高分离率，而后者的x光穿透力太强，无法完美复制光学显微镜的成像效果。

罗斯卡(照片来源:alchetron.com)

除了与他的第六个哥哥赫尔穆特(Helmut)的亲密关系和终身和谐之外，还有另外两个人对罗斯卡产生了重要影响。

第一个是他的叔叔马克斯。马克斯在天文台工作，经常带着罗斯卡四处走动。另一个是他的父亲朱利叶斯。朱利叶斯有一台精密的光学显微镜。有时候，他会放一些标本给孩子们看，让他们看到一个很难看到的世界。在这两个人的影响下，罗斯卡对神奇的凸透镜非常感兴趣。

显像管的构成(原始资料来源:computershopper.com)

阴极射线管由三部分组成。后电子枪发射电子；中间磁场使电子偏转。电子击中前屏幕，产生一个图像。因此，在看了这两篇论文之后，罗斯卡自然地开始思考:因为微观粒子具有波粒二象性，所以当它穿过样本时，它会自然地吸收和反射；如果磁场能抑制电子流，磁场能用来制造一种特殊的透镜，像光学显微镜中的凸透镜，来放大信号吗？

1929年，罗斯卡解释了布奇的理论，认为磁场确实能抑制电子流并产生透镜效应。电子显微镜的最后一个障碍被移除了。

左，光学镜头，右，磁性镜头(照片来源:microimage.com)

结论

罗斯卡的实验手稿

从今天的角度来看，这台电子显微镜有点粗糙。然而，只要实现了从0到1的飞跃，剩下的就更容易处理了。如今，电子显微镜不仅活跃在物理、化学、医学和其他学科领域，而且在设计和制造方面也遵守罗斯卡制定的法律。

1986年，罗斯卡因对电子显微镜的贡献被授予诺贝尔物理学奖。当电子显微镜被发明时，它还很年轻。我获奖的那天，我已经是白发苍苍了。他经历了两次世界大战，看着自己的实验室被战争摧毁。他一定很久以前就意识到了——生命是短暂的，技能是长久的，他只是人类科学旅程中的一个环节。

罗斯卡(照片来源:欧洲。wikipedia.org)

现在，接力棒已经传到了冷冻电子显微镜上。下一步是什么？

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参考

康连迪主编。生物电子显微术[。中国科技大学出版社，2003。

刘伟。电子显微镜的原理和应用[。现代仪器的使用和维护，1996，1(9): 12。

[3]电子显微镜(发明)[电子束/其他]。[20175]

随后，鲁斯卡运用这一理论，制造了磁透镜（polschuh透镜），并最终，在1931年，和自己的导师一起，制作出了世界上第一台电子显微镜。

-[15]。http://what-when-how . com/inventos/electronic-micro-inventos/。

《电子显微镜和电子显微镜的发展》，[。EMSA公报，1988，18(2): 53。

[5]恩斯特罗斯卡-传记[EB/OL]。[20175]

随后，鲁斯卡运用这一理论，制造了磁透镜（polschuh透镜），并最终，在1931年，和自己的导师一起，制作出了世界上第一台电子显微镜。

-[13]。http://www . nobel prize . org/nobel _ prices/physics/laurers/1986/ruska-bio . html。