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冷冻电镜火了,可电镜发明的曲折过程,你知道吗?

来源:蝌蚪五线谱 2017-10-27     

  今年的诺贝尔化学奖,颁发给了雅克·杜波谢(Jacques Dubochet),约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson),以表彰他们在冷冻电子显微镜领域做出的贡献。

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  左侧,普通电镜的分辨率;右侧,冷冻电镜的分辨率(图片来源:nobelprize.org)

  冷冻电子显微镜,顾名思义,它建立在电子显微镜的基础上。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家人,他们有一个共同的祖先——光学显微镜。

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  最早的光学显微镜(图片来源:en. wikipedia.org)

  现在,让我们回忆一下中学的生物知识吧。要想用显微镜观察洋葱的表皮,首先必须把洋葱表皮制成标本、固定在显微镜上,然后打开或者调整光源,让光线经过标本进入物镜和目镜,最终出现在眼睛里。

  光学显微镜的物镜和目镜,都是凸透镜。所以你看,放大细胞和物体的奥秘,就藏在两个地方:第一,光线和标本的相互作用;第二,凸透镜的成像原理。

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  光学显微镜成像原理(图片来源:中国大百科全书数据库)

  光线经过标本时,一部分发生散射,另一部分被吸收。前者,就像雷达一样,可以告诉我们标本的边界和形状,后者,类似医院利用的X光机,一个部位吸收的光多、另一个部位吸收的光少,光线的通过率不同,就会在眼睛里表现出明暗之别。

  致命缺陷

  边界、形状和明暗都有了,学者们就具备了研究微观世界的能力。自列文虎克(Antonie Philips van Leeuwenhoek)发明光学显微镜起,数百年间,光学显微镜的放大倍数从几十上升到数百,接着上升到一千多。然后,就没有然后了……

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  列文虎克(图片来源:en. wikipedia.org)

  问题恰恰出在凸透镜的成像原理上。

  凸透镜可以放大物品,但在放大物品的同时,光线会发生衍射,形成一个直径有限的、被明暗光环包围的原盘,这就是Airy盘。[1]

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  Airy盘(图片来源:en. wikipedia.org)

  标本是由无数的点组成的,每一个点都会有光线通过,也就是说,一个标本可以形成无数个Airy盘。如果两个Airy盘距离太近、彼此重叠,人的眼睛就看不清了。

  所以,要想提高显微镜的分辨率,必须减少光线的衍射。

  死胡同

  现在,让我们想想路由器吧。

  路由器通常有两个频段,一个频段是2.4G,一个频段5G。相信多数读者朋友有过这样的体验:只要手机、平板和路由器之间有一道门,5G信号就会下降很多。这是因为,路由器的G表示频率,5G信号频率高,相应的,波长更短,更倾向于“直来直去”,通过衍射穿门而入的能力,大大比不上2.4G。

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  路由器穿墙能力示意图(图片来源:sohu.com)

  1873年,德国物理学家恩斯特·阿贝(Ernst Karl Abb)据此提出了显微镜成像理论,即,显微镜的分辨能力,和入射光的波长存在关联。光学显微镜以自然光为光源,也受制于自然光的波长,所以,理论上,光学显微镜的最多只能把物品放大1600倍,再大,就看不清了。[2]

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  阿贝(图片来源:en. wikipedia.org)

  乍一看,问题似乎很容易解决——只要寻找波长更短的光源,就可以了嘛。

  二十世纪初,巴纳德(Joseph Edwin Barnard)尝试用紫外线,1912年,劳埃(Max von Laue)有考虑了X射线。这两种光线的波长,都比可见光更短,但前者只是有限度地改善了分别率,后者,X射线穿透力太强,无法完美复制光学显微镜的成像效果。[3]

  拯救者

  问题似乎走进了死胡同,幸好,很快就有人来拯救世界了。

  这一次,拯救世界的,不是韦恩家的少爷,而是来自德国的帅哥。

  恩斯特·奥古斯特·弗里德里希·鲁斯卡(Ernst August Friedrich Ruska,以下简称鲁斯卡),1906年出生于海德堡的一个大家庭。

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  鲁斯卡(图片来源:alchetron.com)

  除了和自己的六弟赫尔穆特(Helmut)关系亲密、终生和睦以外,还有两个人对鲁斯卡产生了重要影响。

  第一个,是他的叔叔马克斯(Max)。马克斯在天文台工作,经常带领鲁斯卡参观。另一个,是他的父亲尤利乌斯(Julius Ruska)。尤利乌斯有一台精良的光学显微镜,有时,他会放置一些标本,向孩子们展示那目力难及的世界。在两人的影响下,鲁斯卡对于神奇的凸透镜,产生了浓厚的兴趣。[4]

  最后一片拼图

  1925年秋天,鲁斯卡进入了慕尼黑技术学院(Technical College in Munich)学习电子学。就在这段时间里,物理学界发生了两件大事。

  第一,德布罗意(Louis de Broglie)在爱因斯坦的基础上,进一步阐述了微观粒子的性质。为了解释光电现象,爱因斯坦假设,光具有一定的粒子性。反过来呢?德布罗意认为,一切微观粒子都像光一样,具有波粒二象性。

  第二,布奇(Hans Busch)发现,磁场可以引导电子,就像凸透镜可以聚集光线一样。

  所谓命中注定,就是说,在无意中做好了解决问题的准备。鲁斯卡在导师的指导下,开始了对高性能阴极射线管示波器的研究。阴极射线管(Cathode ray tube, CRT)又名显像管,在液晶显示器普及以前,几乎就是荧幕的代名词。

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  显像管的组成(原图来源:computershopper.com)

  阴极射线管由三部分组成。后方的电子枪,发射电子;中间的磁场,使电子发生偏转;电子撞到前方的荧光屏,就有了图像。 所以,鲁斯卡在看到那两篇论文之后,很自然就开始想:既然微观粒子具有波粒二象性,那它通过标本的时候,自然也会发生吸收和反射;如果磁场可以约束电子流,那么,可不可以用磁场制作一种特殊的透镜,像光学显微镜里的凸透镜似的,放大信号呢?

  1929年,鲁斯卡对布奇的理论进行了解释,认为,磁场的确可以约束电子流、产生透镜效应。扫除了电子显微镜的最后一个障碍。[5]

  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。

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  左,光透镜,右,磁透镜(图片来源:microimage.com)

  结语

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  鲁斯卡的实验手稿

  以今天的眼光看,这台电子显微镜稍显粗糙。但是,只要实现了从0到1的跨越,剩下的事,就好办多了。如今,电子显微镜不仅活跃在物理、化学、医学等多个学科,而且,在设计、制造等方面,仍然遵从鲁斯卡定下的法则。

  1986年,鲁斯卡被授予诺贝尔物理学奖,以表彰他在电子显微镜方面所做的贡献。发明电子显微镜时,尚是青年;领奖那天,已是白发苍苍。他经历了两次世界大战,他曾眼睁睁地看着自己的实验室毁于战火。他想必早就有了觉悟——生命短促,技艺长存,自己不过是人类科学征途中的一环而已。

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  鲁斯卡(图片来源:en. wikipedia.org)

  如今,接力棒传到了冷冻电子显微镜手里。下一个,又会是什么呢?

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  参考文献

  [2] 刘维. 电子显微镜的原理和应用[J]. 现代仪器使用与维修, 1996, 1(9): 12.

  [3] Electron microscope (Inventions)[EB/OL]. [2017-10-15]. http://what-when-how.com/inventions/electron-microscope-inventions/.

  [4] RUSKA E. The development of the electron microscope and of electron microscopy[J]. EMSA Bulletin, 1988, 18(2): 53.

  [5] Ernst Ruska - Biographical[EB/OL]. [2017-10-13]. https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/ruska-bio.html.

[责任编辑:李阳阳]

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