“ 没有解剖就没有功能 =. 1906 年诺贝尔医学奖得主卡米洛·高尔基 (Camillo Golgi) 在 XNUMX 世纪末写了这篇关于他对中枢和周围神经细胞研究的文章。 换句话说，该功能重塑了细胞的形状，因此显微镜观察对于了解其生理机制至关重要。
1715 年，安东·范·列文虎克 (Anton Van Leeuwenhoek) 第一个明白神经是由一组电缆组成，并不像血管那样代表一种内部有软物质的通道，这并非巧合。
列文虎克和显微镜
吕文霍克，荷兰配镜师和博物学家，被公认为光学显微镜的发明者； 因此，第一个敏锐而准确地观察到一些自然现象的人，例如毛细血管中红细胞的循环，男性生殖细胞的存在，第一个准确识别 镜片的层状结构, 原生动物和被称为“小动物”的细菌的发现。 显然，这不仅仅是他自己制造的当时最好的光学镜头的可用性。
列文虎克在 1692 年写给伦敦皇家学会的一封信中是这样写的，以回应他同时代的一些人的批评：
尊敬的先生们，我很清楚，我不时写给你们的报告并不总是相互一致，而且可以在其中找到矛盾； 我想再说一次，我习惯于坚持我所拥有的数据，直到我得到更好的信息或直到我的观察将我引向别处； 我永远不会以改变我的方法为耻。
这就是现代显微镜的诞生方式，即对自然界的少量研究，至今仍是现代科学研究的主要调查手段之一。 但为了更好地理解这门科学的诞生和演变，我们必须参考从古代影响这门学科发展的众多直觉和发现，到现代科学的惊人观察。
希腊和伊斯兰传统中的光
尽管显微镜是一项相对较新的发明，但对光现象的研究引起了古代许多伟大思想家的兴趣，并引起了不同思想流派之间的争论。 我们已经将其归功于亚里士多德或欧几里德等伟大的思想家，他们生活在公元前四世纪和三世纪之间，我们已经将其首次形式化，以证明视觉和光线的概念。 早在公元前 XNUMX 世纪。 C. 阿基米德著名的燃烧镜的使用在第二次布匿战争期间成名，尽管尚未得到历史证明。
罗马
在这方面记录最多的例子是那些 来自罗马世界. 事实上，古罗马人使用或多或少扁平的玻璃球来聚集太阳光线并取火的做法早已被广泛认可。 透镜技术似乎比罗马文明还要古老，克诺索斯的发现证明了这一点，该发现可追溯到公元前 3500 年至公元前 1200 年的青铜时代。 C。
庞贝
除了非常精确和规则的水晶棱镜（用于将光分解成光谱的颜色），它们还来自 古庞贝 小的圆形血管，略微凸起，能够提供清晰和放大的图像。 不幸的是，几乎没有文献资料将这些物体称为视觉工具。 它是由老普林尼 (Pliny the Elder) 传下的，当时尼禄皇帝（可能近视）过去常常通过一块抛光的大祖母绿来观看角斗士的战斗。
奥提卡和卡特里卡
回到欧几里德，我们注意到他是著名的五项几何公设的作者，其中包含点、线和面的概念； 这些基本概念汇集在 作品 Ottica e Catoptrica 在包含透视元素的地方， 平面镜和球面镜反射的研究 并且首次定义了没有物理结构的视觉射线的概念。 这使得欧几里得可以将几何论证的典型方法扩展到光现象领域。
然而，这些公理的性质很大程度上取决于视觉是由眼睛发出的光线产生的想法：光的极端理论。 要得出更先进的视觉理论，必须等到 965 世纪，阿拉伯人 Alhazen（1039-XNUMX）提出了理论。 根据阿尔哈森的说法， 除非通过光线，否则眼睛无法“感觉”到物体 它以有限的速度送你； 光线必须真实存在，因为当它非常强烈时，它会伤害眼睛并产生二次图像。
显微镜的发明
要等到巴洛克时代才能看到现代显微镜真正的前身显微镜的诞生。 1609 世纪对于许多国家来说是一个科学成果丰硕的时期，事实上，必须说它见证了培根、波义耳、哥白尼、莱布尼茨和许多其他人的真正科学革命。 然而，必须要说的是，在显微镜的历史上，没有一个杰出的日期可以与 XNUMX 年相提并论，这一年 伽利略 (1564-1642) 是用一台简陋的望远镜制作的。
布料制造商和显微镜
此外，荷兰是显微镜等仪器的发源地并非巧合，因为在 XNUMX 世纪，这个国家代表着纺织业的重要商业十字路口，同时也是陶瓷和珐琅器生产的重要商业十字路口. 从这些最后的车间，也许作为制造过程的副产品，很可能产生了熔融玻璃滴 织物生产商用作小放大镜以更好地控制质地 在生产阶段。 这是 Antoni Van Leeuwenhoek（1632-1723 年）首次使用凝固玻璃珠制成，他最初是一名织物商店经理； 后来，可能是因为他对自然科学产生了兴趣，而这正是他天生就喜欢的。
因此，范列文虎克可以被认为是第一台显微镜，因为它 专为科学研究目的而设计和优化. 毫不奇怪，他当时被认为是杰出的研究员
[…] 设计的显微镜远远超过迄今为止所见的显微镜…
事实上，Leeuwenhoek 的显微镜由安装在金属支架上的单个透镜组成，该支架配有一个特殊的样品架，可通过螺旋机构调节焦距，并提供人工照明。 这些元素，除了构成，从那一刻起， 任何光学显微镜的基础，预设了一种研究具有现代风味的自然现象的方法论。
奥秘自然
列文虎克获得了官方认可，世界各地的学者和政治人物都参观了他的实验室（俄罗斯沙皇彼得大帝的著名访问）。 列文虎克去世，享年 91 岁， 26 年 1723 月 1722 日，在看过他的许多信件和报告的全集拉丁文版后，于 XNUMX 年以“Arcana Naturae”为名出版。
在接下来的几个世纪里，学者们的努力将完全致力于建造更强大的显微镜，以及对新发现的微观世界进行系统化、分类和量化。 从这个意义上说，英国人罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635-1703 年）的贡献是根本性的，他对弹性的研究比对光学显微镜的研究更为人所铭记。 胡克是一位全面的学者，他对显微镜进行了改进，为其配备了新的光学系统和新的照明系统。 这让他有了一系列的发现，比如软木塞中被墙隔开的空腔，他称之为 细胞. 在与可能是当时最伟大的科学家艾萨克·牛顿的争论中，他支持光的波动理论而不是微粒理论。
XNUMX-XNUMX世纪显微镜的演变：从光学显微镜到电子显微镜
在 XNUMX 世纪建造的复式显微镜中逐渐引入的改进基本上与机械结构有关。 尽管在这方面取得了一些进展 镜头制造技术，光学性能仍然很差。 这是由于玻璃的质量和镜头中的两个严重缺陷造成的：球面像差和色差，导致图像模糊和呈虹彩状。
此外，每项改进始终且仅在经验基础上进行，因此 它们是手工制品。. 要校正这些像差，需要耦合多个透镜，因此，直到 XNUMX 世纪中叶，此类系统才得以实现。
恩斯特·阿贝
从那一刻起，理论研究和技术进步齐头并进。 这一时期最具代表性的人物是德国人恩斯特·阿贝（1840-1905），他 将显微镜从定性仪器转变为定量仪器; 现代显微镜光学技术和一般透镜技术所依据的许多原理都归功于他； 阿贝在著名的耶拿光学车间与卡尔蔡司 (1816-1888) 合作。
他推导出以他的名字命名的表达式（阿贝数）来表征玻璃的色散能力，并将显微镜物镜的分辨率与其数值孔径相关联。 现代显微镜光学和透镜技术所依据的许多原则都归功于他。 阿贝在著名的耶拿光学车间与卡尔蔡司 (1816-1888) 合作。
奥古斯特·科勒
1900 年 August Kohler（1866-1948 年）也在耶拿工作，他从事显微摄影并完善了现在普遍采用的显微镜照明系统； XNUMX世纪末，市场上已经出现了优秀的直倒乐器。
1903 年，Richard Zsigmondy（1865-1929）发明了所谓的超显微镜，可以研究尺寸小于光波长的胶体粒子； 在随后的几十年里，步伐并没有放缓： 相差法、干涉法和反射显微镜等新技术 它们开辟了新的应用领域，同时完善了其他众所周知的技术，例如荧光、对比干涉和偏振。 辐射。
电子显微镜
早在 30 年代，随着电子等基本粒子的定义和波粒二象论的引入来解释它们的行为，时机已经成熟，因为光的波长对光学显微镜的空间分辨率施加了限制, 可以在一个全新的视角下被超越：电子显微镜. 第一台电子显微镜由德国物理学家 Ernst Ruska (1933-1906) 和 Max Knoll (1988-1897) 于 1969 年制造。 许多年后，Ruska 本人将那段时间称为学习和研究成果丰硕的时期：
他毕业后（1931 年），德国的经济形势变得非常困难，似乎不可能在大学或工业界找到满意的职位。 因此，我很高兴能够在高压研究所免费继续我的博士生活动……”。
XNUMX 世纪后期和扫描探针显微镜
它仍然是量子力学定律的渐进系统化，它提出了新的解决方案来更详细地研究微观世界，甚至揭示它的亲密本质，也就是说， 分子和原子。 与之前发生的情况不同，在 1980 年代，一些伟大的想法是在知识已经开放的环境中产生的，而且还算不错，拥有充足的人力、技术和经济资源。
乔治·加莫
1928 年，两位德国物理学家 Gerd Binnig (1947) 和 Heinrich Rohrer (1933- 2013) 于 1981 年在苏黎世的 IBM 研究实验室工作时构思出第一台扫描隧道显微镜。
这种显微镜使用细针探针来检测探针和被研究样品表面之间的微弱电流，理论上可以将其研究到小于原子和分子尺寸的分辨率。 这一发现为它的发现者赢得了 1986 年的诺贝尔物理学奖。值得注意的是，这个奖项很晚才授予 Enrst Ruska。 “因为他在电子光学方面的基础工作和第一台电子显微镜的设计”.
扫描显微镜
在同一背景下，但基于表面原子对附近放置的小探针施加的电力，发明了原子力显微镜（1982 年）（与 Binning 本人合作），其创造依赖于共同贡献其他学者，包括 Calvin Quate (1923-2019) 和 Christoph Gerber (1942)。 这种显微镜使扩展应用成为可能 扫描探针显微镜适用于各种样品，包括生物样品。
由于其广泛的变体和应用，这种技术很可能是当今纳米技术领域研究表面最通用的技术。 事实上，今天，显微镜的目的是获得关于表面性质的越来越完整的信息，现代显微镜在同一台仪器中集成了不同的技术，以适应对不同性质样品的研究。
从光学的复兴到纳米显微镜
XNUMX世纪下半叶激光源的发展，代表了更经典的光学领域的新发展，实际上可以说是继X射线之后光学领域最重要的发现。激光的特性（极端相干性、高强度和单一波长）允许 避免像差和衍射现象 传统白炽灯发出的光的特征。
1955年，人工智能创始人之一马文·李·明斯基（Marvin Lee Minsky，1927-2016）在他的数学博士论文中，对共聚焦显微镜这一具有前所未有的分辨率和图像质量的光学仪器进行了理论化。 正如他自己所说：
1956 年，我为我的共聚焦显微镜申请了专利，但该专利在任何人制造第二台之前就已过期。 我们甚至懒得为屏幕或徽标申请专利，认为它们是显而易见的发明。 显而易见的似乎与专利无关。
共聚焦显微镜
共聚焦显微镜在结构上与传统荧光显微镜的不同之处在于使用激光源，但最重要的是在光路上存在一个隔膜，可以排除来自样品焦点上方和下方部分的信号，因此第一次提供图像 三维信息. 实际上，共聚焦显微镜直到 80 世纪 XNUMX 年代后期才进入实验室，当时激光和计算机技术变得相对容易获得且功能足够强大。 目前，它是生物医学科学研究中的一个基本重要工具。
共聚焦显微镜对于光学领域来说，代表的不是技术目标，而是基于激光技术的新研究技术蓬勃发展的起点和 使用新的荧光标记，如 TIRF（全内反射荧光）显微镜、活细胞成像、共聚焦光谱显微镜，使用不同的成像技术， 形态功能分析 包括 FRAP（光漂白后的荧光恢复）、FRET（荧光共振能量转移）、FLIM（荧光寿命成像）、FCS（荧光相关光谱），最后使用多光子激光器显着提高光穿透样品的功率.
STED显微镜
本世纪初的另一个标志是巧妙的新思想的发展，这些新思想将光学分辨率推到了光的本质所强加的极限之外。 事实上，我们谈论的是超分辨率，这要归功于三种主要的不同方法： lStefan Hell (1962) 开发的 STED 显微镜, 2014 年诺贝尔化学奖，结构光显微镜诞生于 Mats Gustafsson (1960-2011)。 ) 和定位显微镜，由 Xiaowei Zhuang (1972) 在哈佛实验室引入，能够以比传统光学显微镜高 10 倍的分辨率观察单个分子。
超分辨率技术的引入导致了现代光学显微镜的出现，因此可以合理地将其称为 “纳米显微镜”。 越来越多地与电子显微镜对话，以更好地整合形态分析。 如今，显微镜已成为实验室不可替代的工具，成为科学研究的标志。
显微镜的未来
显微镜无疑是科学史上最伟大的革命之一，标志着微生物学、细胞学和细胞生物学的诞生。 如果没有显微镜，医学研究在过去 100 到 150 年中取得的巨大飞跃以及随之而来的一切是不可想象的。
技术的新前沿已经看到显微镜产生的信息与人工智能的使用之间的结合。 这个新学科，叫做 深度学习，能够分析用显微镜拍摄的图像，可以从根本上改变显微镜并为新发现铺平道路。 但超分辨率之父之一的马茨·古斯塔夫森 (Mats Gustafsson) 已经意识到了这一切，他说：“一旦在显微镜和人类观察者之间添加了一台计算机，整个游戏就会改变。 那一刻， 显微镜不再是必须生成可直接解释的图像的设备。 现在它是一种记录信息的设备。”
至此，不禁要问显微镜的调查研究到底能走多远：微观世界构成了一个几乎取之不竭的信息宝库： 物质具有反映基本常数和物理定律的均匀性的印记的结构、化学和物理特性 出现在宇宙的最初时刻和可能的变体，其中大部分仍然超出我们的理解，构成了我们观察到的世界难以想象的多样性。