课堂 | 光学显微镜简史

图：一台17世纪的复合显微镜（© Golub Collection-加州大学伯克利分校/Steven Ruzin，馆长）

显微镜的历史可追溯至中世纪。早在11世纪，阿拉伯人便将抛光的绿宝石制成的平凸透镜作为阅读石来放大手稿。从这些镜片到首个显微镜，这个发展过程包含无数人的努力。许多科学家和学者的想法和设计共同奠定了高倍数放大仪器的基础。

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第一个由眼镜制造商制造的放大仪器

尽管早在16世纪初便产生了用两个玻璃镜片一前一后放大物体的想法，但这种仪器的诞生却在很久之后。人们通常认为荷兰眼镜制造商Hans Janssen和他的儿子Zacharias发明了复合显微镜。两人在16世纪的最后十年制造了可能是第一台复合显微镜，放大率在3到9倍之间。

其他科学家也曾制作过放大仪器。1609年，伽利略-伽利莱将自己的一部望远镜改造为显微镜。这台显微镜以凹透镜为目镜、凸透镜为物镜。1620年左右，天文学家Cornelius Drebbel制作了一台由两个凸透镜组成的早期显微镜。这显然不是Drebbel自己的想法，而是约翰内斯-开普勒的想法。

图1：荷兰眼镜制造商Hans Janssen和他的儿子Zacharias可能在16世纪的最后十年发明了第一台复合显微镜。

图2：1609年，伽利略-伽利莱将自己的一部望远镜改造为显微镜。

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胡克的显微图谱

真正掀起近代显微镜科学热潮的是英国多才多艺的科学家罗伯特-胡克。

1667年，他首先发表了“显微图谱”主题的基础性著作。书中包含他用显微镜观察的画面的绘图，让更多的公众知道了微观世界。他所展示的一些图片是在50倍放大率下观察到的画面。

胡克使用的显微镜来自于伦敦的仪器制造商克里斯托弗-科克。他通过将传统的油灯与鞋匠使用的玻璃球（一个装满水的玻璃烧瓶）对显微镜进行了改进，玻璃球可以将光线集中在样本上，形成更均匀的照明。然而，胡克遇到了图像畸变的严重问题，而且使用两个镜片时，畸变变得更加严重。

图3：1667年，罗伯特-胡克发表了首个关于显微镜的基础著作“显微图谱”。

图4：伦敦的仪器制造商克里斯托弗-科克为罗伯特-胡克提供了显微镜。

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一名布商首次观察到活细胞

在相当长的一段时间里，显微镜的最大放大率是由荷兰人安东尼·范·列文虎克（1632年-1723年）实现的。最初，显微镜只是这位布商的一个爱好，他用自己的显微镜将物体放大200倍以上。他没有像胡克那样使用复式显微镜，而是使用只有一个单镜片的显微镜。这样，他便避免了胡克所遇到的两个镜片的像差叠加问题。但一个镜片的缺点之一是，使用者必须将眼睛贴近仪器。

即使在今天，也没有人知道列文虎克是如何制造出如此高质量的镜片，这些镜片几乎没有表面杂质和缺陷，而且能够实现如此高的放大率。当他在1723年以91岁高龄去世时，他的镜片制作知识也随他而去。由于他的显微镜具有极高的放大率，列文虎克是第一个观察到细菌和精子等活体和运动细胞的人。

当时显微镜主要被认为是一种富人的消遣，它潜在的科学价值尚未得到世人的认同，因此在之后的几十年中，显微镜并没有进一步的开创性技术改进。直到18世纪晚期才产生消色差透镜，它可以防止主要的色差，减少镜片缺陷造成的分辨率损失。艾萨克-牛顿的一个观点是导致消色差透镜很晚才被发明的原因之一。当时牛顿已是一位成名的自然科学家，1666年，他错误地声称色差是无法消除的。

图5：在相当长的一段时间里，显微镜的最大放大率是由荷兰人安东尼·范·列文虎克实现的。

图6：他的这一论断影响了显微镜学的发展历史。艾萨克-牛顿曾在1666年错误地声称色差是无法消除的。

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阿贝衍射定律和科勒照明

19世纪初，约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫（Joseph von Fraunhofer）通过大幅提升显微镜光学玻璃的质量，进一步减少了图像畸变。19世纪中期，意大利人乔瓦尼·阿米奇(Giovanni Amici)开发了水浸和油浸物镜。1873年，恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）为制作高放大倍数显微镜提供了科学依据。在此之前，显微镜镜片的制作一直是基于试错原理，而非现在的计算光学。与此同时，阿贝预言，光学显微镜的最大分辨率最多只能达到200纳米。除了计算显微镜光学的基础之外，阿贝还在接下来的几年里改进了油浸式物镜和照明装置。仅仅几年后，奥古斯特·科勒（August Koehler）开发了“科勒照明”，它使显微镜照明实现了标准化，而且直到今天仍然是一个普遍接受的照明方式。

图7：1873年，恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）为制作高放大倍数显微镜提供了科学依据。

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新的对比、荧光和共聚焦技术取得巨大进展

20世纪上半叶，许多新发现为现代显微镜技术奠定了基础，最重要的是，为荧光显微镜和相关技术（如双光子和多光子显微镜）建立了基本原理。1941年，弗里茨·泽尼克(Frits Zernike)发明了第一台相衬显微镜，彻底改变了显微镜世界。几年后，在20世纪下半叶之初，乔治﹒诺马尔斯基(Georges Nomarski)发明了微分干涉相衬显微镜，它与相衬显微镜一样，至今仍在广泛使用。

图8：1941年，弗里茨·泽尼克(Frits Zernike)发明了第一台相衬显微镜，彻底改变了显微镜世界。

图9：乔治﹒诺马尔斯基(Georges Nomarski)发明了微分干涉相衬显微镜。

荧光显微镜的一个重要发展是绿色荧光蛋白（GFP）的发现。村修(Osamu Shimomura)于1961年率先从名为Aequorea victoria的水母中分离出GFP。19世纪90年代，道格拉斯·普鲁切(Douglas Prasher)和马丁・查非(Martin Chalfie)首次成功在水母体外表达了GFP，这使它可以作为其他蛋白质的标记物。随后的几年中，许多荧光技术得到开发和改进，这些技术在现代显微镜中仍然发挥着重要作用，如漂白后荧光恢复（FRAP）和全内反射荧光（TIRF）。

1957年，马文・明斯基（Marvin Minsky）申请了第一个共聚焦显微镜的专利。最初，这一发明并未得到科学界的重视。但经过激光技术的改进后，它获得了广泛的认可，并成为了一项大受欢迎的技术。

图10：马文・明斯基（Marvin Minsky）在1957年申请了第一个共焦显微镜的专利。最初，它并未得到科学界的重视，但后来被普遍接受，成为一种流行的技术。

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