顯微鏡下

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　　培養皿中正在生長的細菌。

　　

　　雙歧類芽孢桿菌。

　　

　　雙歧類芽孢桿菌。

　　

　　雙歧類芽孢桿菌。

　　

　　螺旋類芽孢桿菌。

　　

　　雙歧類芽孢桿菌的表面發生突變的部分。

　　

　　螺旋類芽孢桿菌。

　　

　　雙歧類芽孢桿菌。[/CENTER]

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　　計算機晶元（有一點灰塵落在上面）

　　

　　房間里的灰塵

　　

　　打結的頭髮

　　

　　海鹽晶體

　　

　　流行感冒病毒

　　

　　蘿蔔種子正在發芽

　　

　　絲綢纖維

　　

　　香煙過濾嘴纖維表面的煙霧粒子

　　

　　血液凝塊構造（紅色為紅血球，蘭色為血小板，黃色為纖維蛋白）

　　

　　引起腳氣的罪魁禍首[/CENTER]

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　　大頭針和針眼

　　

　　硫磺晶體,有點抽象派

　　

　　蟑螂，它會咬人嗎？

　　

　　白蟻的頭部

　　

　　千足蟲

　　

　　像不像塑料球？其實是蝴蝶的頭部

　　

　　蝴蝶的翅膀[/CENTER]

圖說顯微鏡發展歷史

　　顯微鏡(microscope)是一種藉助物理方法產生物體放大影象的儀器。最早發明於16世紀晚期。至今(2001年)已有406年的歷史。現在，它已經成為了一種極為重要的科學儀器，廣泛地用於生物，化學，物理，冶金，釀造等各種科研活動，對人類的發展做出了巨大而卓越的貢獻。根據顯微鏡是否含有物鏡，目鏡。顯微鏡分為單式顯微鏡(只有一個透鏡)和複式顯微鏡(有物鏡和目鏡)兩類。本文將向您詳細介紹顯微科學的發展史。

　　    十六世紀的顯微科學

　　單式顯微鏡的出現:

　　在3000多年以前，歐洲腓尼基人在地中海沿岸的貝魯斯河邊第一次製成了人造玻璃。大約在4世紀，羅馬人開始把玻璃應用在門窗上。到1291年，義大利的玻璃製造技術已經非常發達。而玻璃是製造顯微鏡的基本材料。

　　早在公元前，我國人民就發展出了透鏡製造技術。當時的材料是水晶。13世紀，著名的馬可。波羅將中國的眼鏡傳入歐洲。歐洲人學會了磨製眼鏡的技術。當時，玻璃製造業已經很發達，歐洲人用廉價的玻璃來磨製眼鏡，是眼鏡成為了一種相對廉價的商品。眼鏡製造業興盛起來。

　　那時戴眼鏡的人大都是富翁，他們的年紀多半很大，所以他們需要老花鏡，也就是凸透鏡。人們很快發現，凸透鏡可以產生物體的放大影象。於是，一些人開始使用凸透鏡來觀察細小的物體，凸透鏡在科學研究中開始發揮它巨大的作用。凸透鏡因其具有放大功能而被叫做放大鏡，多透鏡的複式顯微鏡發明后又稱單式顯微鏡，意思是只有一個透鏡的顯微鏡。

　　第一個複式顯微鏡:

　　

　　詹森顯微鏡

　　單式顯微鏡有一個致命的缺點，那就是它的焦距與透鏡直徑成正比，而焦距又與放大倍數成反比。也就是說，焦距越短，放大倍數越大，而透鏡直徑又越小。如果放大倍數是100倍，透鏡的焦距為0。25毫米，透鏡直徑大約為0。33毫米!這個比大頭針頭還小的透鏡在當時根本製造不出來。因為這個緣故，當時的放大鏡的放大倍數最多不過25倍。眾所周知，體積較大的一些纖毛蟲的長度也不過0。1毫米，放大25倍后也才2。5毫米大。而它內部的細微結構就根本看不清了。因此，為了觀察更多的細微物體，人們迫切需要一種更好的放大工具。

　　1595年，荷蘭的著名磨鏡師詹森(Janssen)發明了第一個簡陋的複式顯微鏡(如圖，其真品已經遺失)。這個顯微鏡是由三個鏡筒連接而成。其中中間的鏡筒較粗，是手握的地方。另外兩個鏡筒分別插入它的兩端，可以自由伸縮，從而達到聚焦的目的。鏡頭兩個，都是凸透鏡，分別固定在鏡筒的兩端。物鏡是一個只有一個凸面的單凸透鏡。目鏡是一個有兩個凸面的雙凸透鏡。當這個顯微鏡的兩個活動鏡筒完全收攏時，它的放大倍數是3倍;當兩個活動鏡筒完全伸出時，它的放大倍數是10倍(其實這也是最早的變焦鏡頭)。

　　*關於複式顯微鏡的發明過程，一說是Janssen在他父親Hans的幫助下完成的;另一種說法較為有趣:詹森有兩個淘氣的兒子。一天，他們溜進了爸爸的作坊里摸摸動動。哥哥順手拿起了兩個鏡片放到銅管的兩端，發現通過這個銅管看書時書上的字大得顯嚇人。詹森知道后很高興。讓他們幫助他製成了世界上的第一架複式顯微鏡。

　　複式顯微鏡在性能上明顯優於單式顯微鏡。一是它的放大率可以做得很高，可以把幾個放大倍數較小的凸透鏡組合起來獲得很高的放大率。二是製造工藝較簡單，不必磨製一個個極小的透鏡。。。複式顯微鏡的發明，是科學史上的里程碑，人類從此開始認識微觀世界。不過，由於技術條件不成熟，16世紀的顯微鏡放大倍數都不高，因此在16世紀人類在探索微觀世界方面並沒有什麼激動人心的發現。

　　十七世紀的顯微科學

　　A:十七世紀單顯微鏡的發展

　　十七世紀的單顯微鏡與其說是科學儀器，不如說是藝術品。似乎那時的顯微鏡製造者所追求的並不是高的性能，而是視覺上的享受。比如下面的這個顯微鏡。它製造於十七世紀晚期。很明顯，它的作用已不再是單純的放大物體以方便研究，更重要的是它那光亮美麗的黃銅色，精美的裝飾還給人以一種高貴典雅的美感。

　　結構:這個單式顯微鏡的鏡頭鑲在一個圓盤形金屬眼罩的中部。兩個金屬手柄一長一短，長的那個手柄是手握的地方。在其末端還設置了幾個突起，方便使用者握住。在這兩個手柄的中間，夾著一個有六個圓孔可以轉動的圓盤，那是它的載物台。

　　使用:在使用前，把樣品切成薄片放到載物台的圓孔上。然後拿起顯微鏡將圓孔對準光源，同時把金屬眼罩放在眼窩上以擋住周圍的光。用大拇指按壓較短的那個手柄(那相當於一個槓桿)，以此調節鏡頭與標本的距離使成像最為清晰。如果切片較多，可以依次放到每個圓孔上。在觀察時轉動載物台即可觀察到每個切片。從這個顯微鏡鏡頭的大小來看，它的放大率應該比較大。

　　在十七世紀中葉，出現了一種滑桿顯微鏡。它們的基本結構大致相同:燈塔形的鏡身，頂端是一個凸透鏡。在鏡身中部穿過一根長長的可以水平滑動的橫桿。在橫桿前端固定著一根頂端削尖，與橫桿垂直的長"針"----奇特的載物台。

　　使用時，先將針尖刺入標本，使標本固定在針尖上。然後前後移動滑桿，調節標本與透鏡的距離而使成像最清晰后，即可進行觀察。從這個顯微鏡的透鏡大小可以看出，該顯微鏡的放大率不大。

　　缺點:標本放在針形的載物台上實在不穩定，因此觀察時的實際操作很麻煩。因此，後來的顯微鏡就沒有採用這種針形載物台。

　　同時代與它同型的單式顯微鏡還有:"彈簧顯微鏡"。

　　單式顯微鏡的頂峰----列文虎克的顯微鏡

　　

　　虎克顯微鏡

　　列文虎克[AntonivanLeeuwenhoek](1632-1723)荷蘭代爾夫特人。是生物學發展史上的一位重要人物。一位僅僅受過初級教育的天才科學家和顯微鏡製造者。他手工製造的單顯微鏡質量如此之高，以至於現在都無人能夠僅憑雙手製造出比它們更好的單顯微鏡。他最先發現了細菌，從而開創了微生物學。他還正確地描述了微生物的形態有球形，桿狀和螺旋樣等。他還證實了毛細血管的真實存在而結束了有關血液循環的爭論。他首次描述了昆蟲，狗和人的精子。他還指出:在所有露天積水中都可以找到微生物。這是人類認識微生物的分佈的一次進步。他又通過事實證明了當時流行的生物自然發生論的錯誤，改變了人們的觀念。1673年，他與英國皇家學會建立了聯繫，一直持續到他1723年逝世的前一刻。

　　真正觀察活細胞的是胡克同時代的荷蘭科學家列文·虎克(AvonLeeuwenhoek，1632-1723)，他在1677年用自製的高倍放大鏡觀察池塘水中的原生動物，蛙腸內的原生動物，人類和哺乳類動物的精子;后又在鮭魚的血液中看到紅細胞的核。1683年，他又在牙垢中看到了細菌。他把觀察的現象報告給英國皇家學會，得到英國皇家學會的肯定。列文·虎克出身於布商，他最初磨製透鏡的目的是為了檢驗布的質量，但他在掌握了高水平的磨製透鏡技術后，進而利用透鏡組裝成顯微鏡，並利用自製的顯微鏡發現了前人未曾見到過的一些活細胞，這些成就是十分難能可貴的。他一生親自磨製了550個透鏡，裝配了247架顯微鏡，為人類創造了一批寶貴的財富，至今保留下來的有9架，現存於荷蘭尤特萊克特大學博物館(UniversityMuseumofUtrecht)中的一架的放大倍數為270倍。分辨力為1。4μm。在當時，這個水平是很高的，直到19世紀初所制的顯微鏡還未超過這一水平。因此，我們不能忽視他對細胞生物學的發展所做貢獻的重要性。

　　列文虎克一生製造了數百個顯微鏡，它們都非常小，設計和功能也相似。他的顯微鏡的尺寸幾乎是一個常數:長2英寸，寬1英寸。鏡身大多是用黃銅製造。

　　結構:一個典型列文虎克顯微鏡是由兩個螺釘，(其中較長的一個是手柄。其長度可以調節;通過調節較短的那個螺釘可以改變標本與透鏡的距離。)幾個鉚釘，一個鏡頭，一個寬大的鏡身，一個針形載物台(連接在手柄上，通過調節手柄長度可以調節標本的高度)。鏡身的結構較為精巧:首先在兩塊同樣形狀的黃銅薄板上對稱地鑿兩個孔，然後把鏡頭放在其中一個孔上，再把另一塊黃銅板放在上面，對齊這兩塊黃銅板，使這兩個孔剛好把中間的透鏡鑲住。最後用鉚釘固定住銅板即可。

　　使用:同樣先將標本固定在針尖上。然後拿起顯微鏡對著光源，同時調節那兩個螺釘使標本的位置，影象最佳后即可進行觀察。

　　326年前發現細菌的故事:1675年9月是荷蘭秋雨連綿的一月。列文虎克想，因該趁這個機會觀察一下雨水是什麼樣子。於是他從院子里的一隻破碗里取了一點雨水，向平時一樣觀察它。"小蟲子!"它突然忘掉一切地叫起來。"極小的小蟲子，它們還在動。。。它們一定是活的，那麼小!"它盯著這些小生命足足一個多小時。它多加了一倍的小心，經過反覆觀察和深思熟慮后才決定向英國皇家學會寫信，向全世界公布他的發現。。。

　　令人稱奇的微小透鏡:列文虎克的顯微鏡的透鏡製作十分精巧，其製作方法至今尚不為人知。它們的厚度僅為一毫米，曲率半徑為0。75毫米。它們有很高的放大率和解析度。在Utrecht博物館收藏的一個列文虎克顯微鏡其放大率為275倍，解析度接近1微米。這在當時是世界一流的，而它們全出自一個業餘製造者之手，這真是個奇迹。

　　十八世紀的顯微科學

　　十八世紀是歐洲科學復甦的時期，各種新的科學理論層出不窮。但是，由於那時人們對光學的知識掌握得很少，再加上當時玻璃製造技術還存在一些缺陷，因此那時的顯微鏡都存在很大的像差和色差，成的像很模糊。因而人們寧願使用成像質量較好的單式顯微鏡，儘管它們的放大率大都比較低。由於不被人十分重視，十八世紀的複式顯微鏡發展很慢。但仍然做出了一些漂亮的顯微鏡。在外觀上，它們有一個有趣的特點:幾乎所有的顯微鏡的基座都連在一個木盒子上。盒子的作用很多:有的用來放一些常用物品;有的用來放顯微鏡上的一些零件;更有甚者，被作為顯微鏡的鏡箱。當顯微鏡不用時，把顯微鏡摺疊後放進盒子里，就可以長期保存。

　　十八世紀中使用最廣泛的顯微鏡:卡夫(Cuff)顯微鏡。

　　

　　卡夫顯微鏡

　　英國顯微鏡設計師JohnCuff在17世紀中葉設計了一種新型的顯微鏡。這種顯微鏡很快得到了人們的喜愛。在以後的很多年裡這種顯微鏡被大量地製造和使用(甚至在當時的一些解剖學著作里都可以看到對這種顯微鏡的介紹)，同時又被不斷地改造和完善。它們被統稱為Cuff顯微鏡。

　　這類顯微鏡的特色在於:

　　新式底座:底座是一個小抽屜，用橡木，桃木或果樹木製成。抽屜的內部鋪著紅色的羊毛毯。主要用來存放一些鏡頭或實驗器具。

　　獨特鏡臂結構:鏡臂由兩根金屬管互相緊靠共同構成。顯微鏡的鏡身靠一個金屬鉗固定在鏡臂上，在金屬鉗上還插有一個長螺釘。

　　當時最先進的聚光方法:Cuff顯微鏡的聚光方法有兩種:在顯微鏡黃銅載物台下方有一個凹面鏡。它的作用是為顯微鏡觀察透明樣品時提供透射光線。當遇到不透明的樣品時，就使用載物台上方的聚光鏡把光線聚焦在樣品表面以達到足夠的亮度，完成觀察。

　　使用:Cuff顯微鏡使用起來很複雜:首先要鬆開固定鏡身的夾鉗，然後沿鏡臂滑動鏡身使顯微鏡的焦點基本落在樣品上，最後再夾緊夾鉗使鏡身固定住，從而完成粗調焦。但這還不夠，使用者還要耐心地旋轉夾鉗上的那個長螺釘，使鏡身在鏡臂上小幅度地滑動從而讓顯微鏡的焦點精確地落在樣品上。這就是最考人耐心的細調焦。完成了以上兩個步驟，使用者就可以開始觀察了。

　　功能:Cuff顯微鏡的功能在當時是最多的。它共有三種性能:透射觀察，落射觀察和活體觀察。其中，活體觀察功能是在當時複式顯微鏡中所特有的。Cuff顯微鏡的載物台是由兩塊黃銅片疊在一起構成的。每個黃銅片的中間都有一個小孔稱為通光孔。但上面的那個黃銅片的通光孔直徑較大，一個小的培養皿剛好可以被放在孔中，並由下面的那片黃銅片托住。在培養皿裡面裝上一些帶小蟲子的水樣或是一些活的小昆蟲，就可以觀察它們的生活習性，很有意思。

　　光學性能:儘管Cuff顯微鏡的功能在當時是最多的，但它的光學性能還是很糟糕。它的放大倍數不大:最低放大倍數為45倍，最高為100倍。它有很嚴重的色差和球面像差。它的解析度極低，只有10微米(現在的光學顯微鏡最低解析度也在1微米以下)。儘管如此，Cuff顯微鏡仍是當時最好的複式顯微鏡。

　　Cuff顯微鏡的改進型有:Chest顯微鏡，Cuff-顯微鏡，Wales顯微鏡等。受到Cuff顯微鏡風格影響的顯微鏡有:馬丁顯微鏡等。

　　歷史上最豪華的顯微鏡:英王GeorgeIII的銀顯微鏡:

　　1761年英國人GeorgeAdams為英王GeorgeIII製造了一台精美的銀顯微鏡。他的目的是借這個豪華的顯微鏡表現當時在顯微科學領域裡人們取得的卓越成就。由於他在這個金屬顯微鏡的表面鍍上了大量的銀，所以這個顯微鏡的造價實在高得驚人，也只有英國王室才能負擔得起，他們用它來向外國使臣炫耀英國的富有。

　　該顯微鏡既可以當作單顯微鏡來使用(此時只需要使用顯微鏡上方的那個放大鏡)，也可以當成複式顯微鏡來使用(複式顯微鏡的鏡身在顯微鏡頂端的那兩個人像後面，其物鏡有八個，都鑲在頂部人像腳下的那個圓盤上，通過旋轉該圓盤可以選擇合適的物鏡)。可以說，它的功能在當時還是較多的。

　　十九世紀的顯微科學

　　十九世紀，隨著工業革命的進行，顯微科學也同其它學科一起飛速發展起來。其主要的原因是機械的使用使透鏡的質量大大提高和光學的發展使顯微鏡的結構更加符合光學原理。在這個世紀里，人們製造出了沒有色差和像差的高質量顯微鏡以及解析度極高的暗視野顯微鏡，從而帶來了生物學和顯微科學的革命。其中有些人做出的貢獻特別大，他們是:發明消色差物鏡的vanDeijl，Amici和Lister。製造出高質量的光學玻璃的卡爾。蔡司(CarlZeiss)和Schott。設計製造了高度消色差物鏡和高解析度的阿貝物鏡的阿貝(Abbe)等等。在十九世紀中葉還出現了顯微攝影，這使得對微生物的記錄更加準確。。。在這些新技術的推動下，生物學飛速發展起來，先後出現了細胞學說，進化論。各種新的微生物被不斷發現，人類第一次見到了病原菌的樣子。。。

　　在十九世紀的顯微鏡中，比較具有代表性的顯微鏡有:

　　Aadd的學生顯微鏡:這個顯微鏡由英國人WilliamLadd在1864年製造。它採用了當時最先進的齒輪調焦裝置，這一裝置在今天仍然被大多數光學顯微鏡所使用。請注意，這個顯微鏡的鏡臂上多出了一個在前幾個世紀的顯微鏡上都看不到的東西----聚光鏡。聚光鏡的出現對顯微科學的發展起到了重要的作用。因為聚光鏡是後來的一些新型顯微鏡的重要結構之一。另外從圖中還可以看出，這個顯微鏡的大體結構與今天的顯微鏡基本相同。的確，在十九世紀的，顯微鏡的結構逐步成熟，現代的光學顯微鏡仍然沿用這種結構。所以說，十九世紀的顯微鏡是今天光學顯微鏡的雛形。

　　*較早採用齒輪調焦裝置的顯微鏡是英國的Fixed-Mirror單眼顯微鏡。

　　B:歷史上最精美的顯微鏡----Wenham的顯微鏡。

　　

　　wenham顯微鏡

　　它由英國倫敦人FrancisWenham在1882年製造。它有著當時最為精巧先進的齒輪傳動系統和齒輪調焦系統，聚光系統還有成像系統。它的物鏡和目鏡的質量在當時都是最高的。這個顯微鏡的最突出的特點是它的齒輪傳動裝置。這個顯微鏡的鏡座，鏡臂，載物台都可以旋轉。其中，鏡座和載物台的旋轉幅度較大，為360度。旋轉鏡座可以改變顯微鏡的朝向，旋轉鏡臂可以調節顯微鏡的傾斜度，旋轉載物台可以使樣品發生轉動(這一功能在今天的顯微鏡中已很少採用，取而代之的是可以作橫向和縱向運動的移動台)。總之，它是十九世紀中性能最好的顯微鏡，也是歷史上最精美的顯微鏡。

　　C:結構新穎的水生生物顯微鏡。

　　因為這個顯微鏡是用來觀察水族箱中的微生物的，所以它的鏡身是水平放置的。它同樣使用齒輪調焦裝置來完成調焦工作。新式的齒輪升降裝置使觀察者可以觀察到不同深度的情況。它使用的物鏡是蔡司(Zeiss)物鏡。光學性能很好。

　　卡爾。蔡司(CarlZeiss，1816-1888):著名的德國光學儀器製造者，著名的卡爾。蔡司光學儀器公司的創辦人。他花了相當大的心血去完善和發展複式顯微鏡。在1857年，他製造出了他的第一個複式顯微鏡，名字叫"Stand1"。他把複式顯微鏡的透鏡明確地分為物鏡和目鏡。按照這種理念，他不斷地研製新式顯微鏡。在1881年，他與ErnstAbbe(阿貝)和OttoSchott合作，製造出了高質量的光學玻璃。這使得他在後來製造出了高度消色差物鏡等高級透鏡，為科學發展做出了巨大貢獻。

　　二十世紀的顯微科學

　　過去的那一個世紀是一個激動人心的世紀。各種學科都得到了極大的發展，尤其是自然科學，顯微科學也不例外。由於人們在物理，數學和材料科學等領域取得了非常大的進展，顯微鏡的質量大大提高，各種新型的顯微鏡也應運而生。比如倒置顯微鏡，偏振光顯微鏡，熒光顯微鏡，相差顯微鏡，微分干涉顯微鏡，電子顯微鏡以及最先進的共焦激光掃描顯微鏡(CLSM)和掃描隧道電子顯微鏡(STM)。各種新技術也相繼出現:如免疫熒光技術，基因工程技術等。年輕數字成像技術開始了用計算機來處理傳送顯微影象的時代，使人們記錄顯微影象的方式又前進了一步。。。人們採用這些先進的技術相繼發現了細胞的各種精細結構如細胞骨架，遺傳物質RNA，DNA。。。各種病毒粒子和蛋白質分子也被人們看到。1982年，掃描隧道電子顯微鏡被發明，這種顯微鏡具有極高的解析度(0。1埃即百億分之一米)，人們用它第一次看到了原子;在1989年人們又用它拍到了清晰的DNA的照片。。。

　　二十世紀中比較具有代表性的顯微鏡有:

　　JamesSwift與Son的雙目解剖顯微鏡:在二十世紀初出現了雙目顯微鏡。這種顯微鏡比起傳統的單目顯微鏡來明顯的好處就是觀察者可以有更廣闊的視野而且也更加附和人的視覺習慣，使眼部疲勞減輕。在這種顯微鏡的鏡身內裝有一個精巧的玻璃稜鏡，它使從物鏡來的光束分為兩道並且改變方向(使光束與地面成一定的角度，而不是原來的與地面垂直的方向。)，分別進入人的兩隻眼睛。這種結構被後來的高級顯微鏡廣為採用。

　　同時代的解剖鏡還有:美國的Bausch和Lomb的解剖顯微鏡。現代解剖顯微鏡的結構都是以這個顯微鏡為模板。

　　最經典的複式顯微鏡:Zeiss實驗室顯微鏡

　　這種顯微鏡與我們今天所使用的一些普通顯微鏡一模一樣。事實上，我們現在所使用的一些普通型顯微鏡的結構都是以它為模板的。由於這種顯微鏡性能好，價格低廉(在中國都只賣400多元，而好的顯微鏡的價格都在幾千到幾萬元)，所以在一上市的時候就得到了人們的青睞，很快佔領了各大實驗室和醫院等地方。成為至今為止最暢銷的複式顯微鏡(我在學校里就是使用的這種類型的顯微鏡)，為科學的發展作出了巨大貢獻。

　　當時與這種顯微鏡結構相近的顯微鏡有:AndrewRoss的顯微鏡;W。Watson和Sons的顯微鏡和Bausch和Lomb的顯微鏡。它們都是最早具有(物鏡)轉換器的顯微鏡。轉換器的出現，使一個顯微鏡變換出更多的放大倍數。

　　1933年，德國人魯斯卡(Ruska)設計製造了第一台電子顯微鏡。其性能遠遠超過了光學顯微鏡。後來經過人們的努力，電子顯微鏡的解析度由最初的500納米(百萬分之五米)提高到現在的1埃(十億分之一米);放大率已達到幾十萬倍以上。從50年代開始，研究者們應用電子顯微鏡相繼取得了很多重要成就。可以說，電子顯微鏡的出現大大推動了人類的科學研究。

　　新型的現代光學顯微鏡

　　

　　奧林巴斯AX-70顯微鏡

　　

　　尼康顯微鏡

　　

　　尼康顯微鏡

　　

　　奧林巴斯Vanox顯微鏡

　　走進納米世界——從掃描探針顯微鏡到納米科技
　　序言

　　1. 掃描隧道顯微鏡的誕生

　　2. 掃描隧道顯微鏡家族

　　2-1. AFM

　　2-2. SNOM

　　2-3. BEEM

　　3. SPM下的奇妙世界

　　3-1. 硅111面7

　　驚美的微觀世界

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　[CENTER]生命傳奇

　　瑞典攝影家奧納特·尼爾森和美國攝影家亞歷山大·特西亞拉斯拍攝

　　

　　大約有3億精子可能會進入母體。

　　

　　只有一個精子可能穿過重重障礙，使卵子受精，最終製造出一個胚胎。

　　

　　卵子經過大約15厘米長的、狹窄的輸卵管向子宮遊動，它周圍的營養細胞像一串串美麗的光環圍繞著它。很快，它將與精子相遇並開始受精的過程。

　　

　　一個精子試圖進入卵子的瞬間

　　

　　此時精子的頭已經鑽進去了，我們還可以看到它的中部和尾部，它就像一個不斷旋轉的鑽頭，在尾部拍打的驅動下，努力進入卵子。

　　

　　第1周，在受精之後幾小時之內，受精卵開始分裂。1周以後，這個小圓球將自己附著在子宮壁上。

　　

　　受精后8天。胚芽完成「著陸」，微微嵌入子宮內膜。此時它分裂發育為幾百個細胞。

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

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　　打開微觀世界的大門——細胞學說

　　19 世紀德國有位有位生物學家，他們是施萊登和施旺。有一次，二人在一起吃鈑，施萊登向施旺指出細胞核在植物細胞產生中起著重要作用，這使施旺立即意識到自己研究的脊索動物細胞問題。他後來回憶道：「我剎那間領悟到，如果我能成功地證明脊索細胞的核起著與植物細胞核相同的作用，這個發現將極其重要。」是的，這兩位生物學家為人們開創了細胞學說，找到了找開微觀世界大門的鑰匙。

　　人類在探索宇宙奧秘的同時，對微觀世界也有著濃厚的探知慾望。早在細胞發現之有，有人就已嘗試對人的自身構造進行研究。公元十一二世紀，中國已有人體解剖圖譜。1543 年，比利時解剖學家維薩里發表《人體的構造》一文，開始建立解剖學。但西方解剖學研究一直遭到宗教勢力的迫害，維薩里本人就於1564 年死在流放的海島上。1604 年，英國醫生哈維生在倫敦開設了解剖學講座。1625 年，他又用實驗的方法證實了血液循環。解剖學上的成就不單是解剖學自身的發展，同時也為人類探索細胞世界打下了思想基礎。

　　早期的科學研究都是直接通過肉眼觀察進行的，眼睛是人們的信息輸入器官，通過觀察，人們不斷加深對整個世界的認識。但是人眼的分辯率只有100 微米左右，並不能看出小於100 微米的物體。而大多數細胞只有20~30 微米。因此，在顯微鏡發明之前，人們不可能知道細胞是什麼玩意。

　　人的偉大在人的創造能力，人們對細胞世界的認識正是通過自己的發明創造而實現的。17 世紀初，荷蘭一位名叫詹森的製作眼鏡的工人發現將兩片鏡片疊加之後會產生「顯微」作用，顯微鏡製作技術從此開始。

　　17 世界中葉以前，人們對細胞還一無所知。直到1665 年，英國有一位物理學家，名叫虎克。他在檢驗自己製作的放大140 倍顯微鏡時，觀察了一片很薄的軟木片，發現其中有很多類似蜂窩狀的、極小的、緊閉著的「小房間」，他把它們稱為細胞（細胞的英文名Cell，原意就是小房間的意思）。實際上，虎克所看到的僅僅是死亡植物細胞的細胞壁和空腔而已。

　　但是，這是人類對細胞的首次觀察記錄，虎克的發現具有極其重要的意義，他使人們對生物機體的觀察和研究進入一個嶄新的領域。人類第一次跨進了生物微觀世界的大門。

　　1675 年，荷蘭生物學家列文·虎克也利用自己製作的270 倍顯微鏡觀察了一滴水中的單細胞生物，這是人類第一次觀察到活細胞。

　　當時用於研究的顯微鏡都是人工磨製，耗時較長，價格昂貴，質量也不夠理想。研究人員的局限直接影響了人類在微觀領域的研究。所以，此後直至19 世紀30 年代間的一個半世紀里，有關細胞的研究幾乎沒有什麼進展，對細胞內所包含的成分也不了解。

　　當時的生物學家熱衷於生物的分類學研究，也忽視了對生物微觀方面的研究。德國詩人、生物學家歌德將植物的葉子看作是一切植物的基本單位；德國自然哲學家奧肯認為一切生物都是由一種「粘液囊泡」構成的。

　　到了19 世紀，顯微鏡的製造技術有了長足進步，分辯率有了很大的提高，為觀察生物的微觀結構創造了新的條件。1831 年，生物學家羅伯特·布朗從蘭科植物的葉表皮細胞中發現了一個「小球」——細胞核。1835 年，又有人在低等動物根足蟲和多孔蟲的細胞中發現細胞中還有細胞質。細胞的基本結構和形態開始逐漸為世人所知，為細胞學說的創立做好了準備。

　　隨著顯微鏡分辯率的不斷提高，細胞及其所含物質更加清晰地展現在人們的眼睛中。德國植物學家萊登徹底摒棄了當時植物學研究中流行的抽象推論方法，而在仔細觀察的基礎上進行嚴格的歸納。1838 年，他發表了《植物發生論》一文，指出所有植物都是由細胞構成的。細胞本身就是一種獨立的生命，並且作為植物體生命的一部分維持著整個植物體的生命。

　　與此同時，德國動物學家施旺對施萊登的研究非常注意，他對動物細胞展開了認真細緻的觀察與研究工作。1839 年，施旺發表了題為《動、植物結構和生長的相似性的顯微研究》的論文，不僅證實了施萊登的觀點，還提出了所有動物也是由細胞構成的觀點，並第一個描述了動物細胞與植物細胞相類似的情況，明確了動、植物之間的統一性。這兩人在已有研究基礎之上，提出了著名的細胞學說：所有生物體，從簡單的單細胞生物到複雜的高等動、植物都是由細胞構成的，細胞是生命有機體結構和功能的基本單位。它們按照一定的法則排列在植物和動物體內。

　　現在我們知道，細胞由細胞核、細胞質和細胞膜三部分，細胞膜之內的細胞核和細胞質被稱為原生質。活細胞大約90%的化學成分是水，其餘為蛋白質、核酸、脂類、糖類以及少量無機物質。細胞繁殖以分裂方式進行，它作為一個獨立生命單位，從生長繁殖到衰老死亡，細胞衰老是生命

　　有機體衰老的基礎。在多細胞生物的機體發育過程中，細胞通常分化成各種構造和功能不同的細胞，並結合成一系列的組織器官與系統，維持著整個生命的生存。從低等細菌到高等生物以及人類，最基本的結構和功能單位就是細胞。細胞是生命活動的基本單元。千變萬化而且複雜的生命活動都是在細胞中進行。一些低等單細胞生物如細菌和變形蟲，單個細胞就是一個個體。動、植物卻是由各種各產的細胞組成的多細胞生物。組成多細胞生物的細胞通過細胞分化，按著一定規律形成組織、器官和系統，各有分工，形成嚴整的有機體。小小細胞構成了地球上豐富多彩、千姿百態的生物世界。

　　細胞學說的建立，在當時有著巨大的哲學意義，它使人類的世界觀與宇宙觀產生了翻天覆地的變化。細胞的發現使人們從無限多樣的生物世界中找到了統一性。人們終於明白，世界萬物都是由細胞組成的，並不是由上帝創造的。這是當時的科學對生物統一性及其進化觀所能提出的最有力的唯物主義證據之一。因此，恩格斯將細胞學說與能量守恆和轉換定律、進化論一起稱譽為19 世紀自然科學的三大發現。

　　細胞學說的創立，也是生物科學發展的一個新的里程碑。它確定了一切多細胞有機體的構造和發育原則之間的統一性，消除了動物與植物之間的鴻溝。生物學由此從單純的觀察描述演變成實驗性科學，並派生出眾多的分支學科。1870 年，人們發明了切片機，能把一個組織的細胞群體切成幾微米的薄片以供顯微鏡觀察；工業染藝又能使細胞有效地染上顏色，使顯微鏡下的觀察更加清晰。不斷改良的光學顯微鏡成為研究細胞結構的重要教學手段。1932 年以後，人們又用電子顯微鏡代替光學顯微鏡，同時利用立體顯微鏡原理，能夠觀察分子與細胞之間的關係，使人們對細胞和生命的起源過程有了更進一步的了解。

　　細胞學說幫助人類觀察一個肉眼看不到微觀王國，並提示出其中許許多多的神奇奧秘。這在人類日常生活中有著重要的作用，比如，細胞學檢查是臨床診斷的重要手段之一，它可以幫助人們儘早發現貧血、腫瘤等病症。從20 世紀70 年代開始，在細胞學說的基礎之上出現了細胞工程，使

　　人們可以利用動、植物細胞大規模生產干擾素、激素、疫苗等貴重藥品以及各種酶製劑、天然色素等產品，在農牧業、食品、化工和醫藥等領域有著深遠的應用前景。後來，人們又發現了細胞的全能性，即任何細胞都有發育成完整個體的潛在能力，克隆技術由此亦方興未艾。

　　引自葉君、李靜《科學發現之謎》2002

　　納米級「磁性半導體」圖像

　　

　　來自美國愛荷華大學、伊利諾伊大學香檳分校和普林斯頓大學的科學家們首次成功直接拍攝到半導體晶元中兩個相距不足一納米的磁性原子間的磁相互作用圖像。

　　這項研究成果計劃刊登在《自然》期刊7月27日版的首頁。該研究成果使科學家們更進一步接近實現製造尖端半導體計算機晶元的目標。據伊利諾伊大學自由藝術和科學系物理學和天文學教授與伊利諾伊大學研究小組領頭人邁克爾?夫拉提稱，此類晶元主要基於電子的「旋轉」特性及相關的「電子自旋學」技術。夫拉提說，「使用電子自旋學技術后，我們可以在一個計算機晶元上進行數據處理和長期儲存，而不用像現在一樣分別使用中央處理器和硬碟來完成以上操作。數據處理將變得更快和更加節能。採用此類晶元的計算機尺寸將會更小，耗能也會更少。」他補充到，在約20年前，美國國際商用機器公司的研究人員就發現通過引入少量磁原子，一種普通的銦砷化物半導體材料可以令磁保持低溫狀態。他們所添加的磁原子就是錳，很快他們又發現了許多其它類型的「磁性半導體」。鎵砷化物是一種用於手機高性能元件的半導體材料，當添加入猛后鎵砷化物就變得具有磁性，但是前提條件是溫度必須在零下88攝氏度(零下126華氏攝氏度)。為了能在未來計算機晶元中使用這種材料，像鎵猛砷化合物之類的磁性半導體必須在更高的溫度下保持磁性，同時還要「更加清潔」或者很少產生流阻。

　　夫拉提說，「目視觀測到納米級的磁相互作用可能會幫助科學家製造出更好的磁半導體材料，也會使磁半導體材料在電子產業得到更好的應用。」夫拉提和伊利諾伊大學助理研究員江明唐一同預測掃描隧道顯微鏡可能能拍攝到磁相互作用圖像。夫拉提說，「一個電子錶現出好像它攜帶了一個小型磁體圍繞著它。這個特性我們稱之為『旋轉』，目前在計算機晶元領域還沒有利用電子的這種特性。如果材料足夠好，使用非常少的能量驅動新型計算機晶元就會成為可能。甚至利用原子世界中奇異的量子現象來進行計算的『量子計算機』問世也會成為可能。」

　　夫拉提和唐預言磁相互作用將主要依賴於原子所處的半導體晶體格子。一些結構的相互作用非常強烈，而另一些卻非常微弱。他說，「我們認為能夠看到這種作用將是一件非常幸運的事。通常，當錳位於鎵砷化物中時，它會進入許多不同位置的格子當中。拋開其它錳原子，只對兩個相距一納米以內的錳原子進行觀測，這從統計學上來講是幾乎不可能的事情。」

　　夫拉提寫到，研究小組採用了一個完全不同的方法來觀測磁相互作用。他們放棄了靠運氣尋找一個原子排列的想法，他們將錳原子一次性地放入一張新的和乾淨的鎵砷化物片上。普林斯頓大學物理學教授阿利?雅茲達尼是此項研究的參與者之一，他說，「使用掃描隧道顯微鏡的尖端，我們可以從基礎材料中取出一個單一原子，然後使用一種單一金屬原子來取代它的位置，以使半導體具備磁的特性。通過努力，科學家們首次獲得了半導體原子級結構的控制度數。研究小組使用這個特有的成就以一次製造一個原子的方式製造了一個半導體磁。具備製造原子級的半導體就像是握有電子學的聖杯，這種方法可能正是我們所需要的。」

　　戴爾·克勤是雅茲達尼實驗室的一名研究員，他在使用掃描隧道顯微鏡這種探測複雜材料的高技術工具時偶然間發現解決方法。掃描隧道顯微鏡是一種非常不同於台式光學顯微鏡的設備。掃描隧道顯微鏡具有精確敏銳的電子探測能力，它可以滑過表面探測弱電場的變化。然而，研究小組卻發現掃描隧道顯微鏡的尖端還可以把一個單一鎵砷化物原子從表面彈射出來，並且使用鄰近的錳原子取代鎵砷化物原子的位置。

　　通過將錳原子混入鎵砷化物半導體的方式，研究小組製造一個原子級的實驗室以展現研究人員追尋了幾十年的東西：晶元材料中原子和電子之間的精確相互作用。研究小組利用這項技術發現了一種提高鎵錳砷化物磁性的最佳錳原子排列。這些排列與夫拉提和唐的預測完全吻合。夫拉提說，「預測一種材料將如何表現，然後在這個實驗中戲劇性地證實了這種預測的存在，這是我最愉悅的研究經歷。」

　　夫拉提警告說，為了取得進一步的研究發展，我們現在就將這項新研究成果轉化為新的晶元技術，使用掃描隧道顯微鏡來製造大塊高質量鎵錳砷化物可能還不切實際。但是他同時也表示，從最佳半導體磁原子排列中學到的經驗將轉化為其它半導體開發技術以及其它磁半導體材料開發技術。

　　文章來源：中國科技信息網

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長見識

非常歡迎這種圖文並茂的科普文章和科技史資料上網。
感謝樓長的辛勤工作！謝謝了。
同時希望本網能夠開闢科技欄目

[QUOTE=冰雪風情]非常歡迎這種圖文並茂的科普文章和科技史資料上網。
感謝樓長的辛勤工作！謝謝了。
同時希望本網能夠開闢科技欄目[/QUOTE]
同感，希望大家看看這個帖子－－
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不錯 謝謝

好精彩啊

顯微鏡下的雪花

　　

　　

　　

　　

　　

了解

灰塵這麼漂亮哪？？！！

增加學術氣氛，學習科學知識！

呵呵，其實電子顯微鏡看到的是黑白的東西（只有對比度）。有些東西上了顏色才好看，呵呵。共聚焦和原子力可以看到三維圖象，現在最熱。那個隧道顯微鏡放大倍數最厲害吧