冷冻电镜火了，可电镜发明的曲折过程，你知道吗？

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。

　　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]

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。