我們的肉眼能分辨幾個(gè)微米的物體，比如蜘蛛絲、頭發(fā)絲，但是如果比這些東西更小，肉眼無(wú)法識(shí)別，又該如何認(rèn)識(shí)它們呢?
光學(xué)顯微鏡
電子顯微鏡
It’s show time!!
光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的基本工作原理有些相似，都是依靠一種媒介(光子或者電子)和樣品的相互作用(散射、反射等)，然后用探測(cè)器接收信號(hào)，最終成像。
黑白色為電子顯微鏡拍攝圖 彩色為光學(xué)顯微鏡拍攝圖
NO.1 光學(xué)顯微鏡
光學(xué)顯微鏡的肚子里有一組組的透鏡，它們組合成一個(gè)“超級(jí)放大鏡”，就可以將微米級(jí)別甚至納米級(jí)別的微生物或者細(xì)微結(jié)構(gòu)放大到肉眼可見(jiàn)。
但是僅僅看到一個(gè)細(xì)菌，一個(gè)細(xì)胞，科學(xué)家們遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿(mǎn)足。他們的目標(biāo)是觀(guān)察到更“迷你”更多彩的微觀(guān)世界，比如纖毛、胞內(nèi)蛋白、細(xì)胞骨架、生物膜結(jié)構(gòu)等。
光學(xué)顯微鏡種類(lèi)有很多，包括寬場(chǎng)熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等。它們可以識(shí)別不同的熒光，而熒光染料和熒光標(biāo)記的抗體能特異性地結(jié)合細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)，從而可以看清細(xì)胞表面的纖毛、細(xì)胞器、細(xì)胞骨架、細(xì)胞內(nèi)部游動(dòng)工作的蛋白質(zhì)……
圖為寬場(chǎng)熒光顯微鏡
圖為激光共聚焦顯微鏡
比如我們想觀(guān)察細(xì)胞核，就可以使用特定的細(xì)胞核染料，染料中的熒光素被特定波長(zhǎng)的光激發(fā)，發(fā)出熒光，熒光顯微鏡就能捕捉到它們。通過(guò)寬場(chǎng)熒光顯微鏡，你會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核的形態(tài)被熒光“勾勒”得“纖毫畢現(xiàn)”。
如果有更多的特定細(xì)胞結(jié)構(gòu)的染料，而這些染料可以被不同波長(zhǎng)的光激發(fā)，那么我們就可以在同一視野同一時(shí)間檢測(cè)到多個(gè)形態(tài)結(jié)構(gòu)了。
藍(lán)色和紅色為特殊的核染料，畫(huà)面中紅色指示凋亡的細(xì)胞
如果把寬場(chǎng)熒光顯微鏡比喻成 “胸片”，那么激光共聚焦顯微鏡就像是“CT”。
相比普通的寬場(chǎng)熒光顯微鏡，激光共聚焦顯微鏡在它們的基礎(chǔ)上增加了激光掃描設(shè)備，可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行斷層掃描，具有更高的空間分辨率及圖像對(duì)比度，在觀(guān)察到多個(gè)熒光信號(hào)的同時(shí)形成清晰的三維圖像。
左為激光共聚焦顯微鏡成像，右為寬場(chǎng)熒光顯微鏡成像，是不是左邊更清晰呢?
NO.2 電子顯微鏡
電子顯微鏡的分辨率(0.2納米)遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的分辨率(200納米)，觀(guān)察超微結(jié)構(gòu)，電子顯微鏡更勝一籌。
生物電子顯微鏡可以分為透射電鏡和掃描電鏡。
圖為透射電鏡
圖為掃描電鏡
透射電鏡工作時(shí)，電子射到樣品上，樣品上質(zhì)量密度高的地方對(duì)電子的散射角大，通過(guò)的電子較少，像的亮度較暗;在質(zhì)量密度低的區(qū)域，大角度散射電子少，透過(guò)的電子較多，像的亮度較亮。這樣，在熒光屏上就形成了一個(gè)有明暗反差對(duì)比、容易辨認(rèn)的電鏡圖像。
電子束就像一束光，“照射”厚薄不同的地方時(shí)形成明暗交替的光影，可以讓科學(xué)家們看清在熒光顯微鏡下難以辨認(rèn)的微觀(guān)圖像。
透射電鏡下可以看到小鼠精子尾巴中間的軸絲周?chē)懿贾鼗木€(xiàn)粒體，為精子的游動(dòng)提供充足的能量。
掃描電鏡工作時(shí)，電子束打在樣品上會(huì)發(fā)射二次電子，二次電子發(fā)射量隨樣品表面形貌而變化，二次電子被探頭接收轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，最終在電腦上呈現(xiàn)出反應(yīng)樣品表面形貌的二次電子像。
掃描電鏡的圖更像是“描繪顏值”，左圖中這朵50微米大小的“雪絨花”由渦蟲(chóng)皮膚表面粘液和制樣時(shí)的結(jié)晶鹽形成。右圖為單個(gè)小鼠精子。
透射電鏡觀(guān)察樣品超微結(jié)構(gòu)，要求觀(guān)察樣品非常薄，一般在10nm~100nm之間。觀(guān)察的生物樣品可以是細(xì)胞、動(dòng)植物組織、酵母、細(xì)菌等。
掃描電鏡一般觀(guān)察樣品表面形貌，對(duì)厚度沒(méi)有太大要求?？梢杂脕?lái)觀(guān)察動(dòng)植物組織、細(xì)胞爬片，但生物樣品含水量高且不具有導(dǎo)電性，觀(guān)察前需要經(jīng)過(guò)脫水和噴金處理。
真實(shí)的微觀(guān)世界，遠(yuǎn)沒(méi)有大千世界那么絢麗多彩。它樸實(shí)、無(wú)華，和你想象中的樣子也許不同，卻真實(shí)而靈動(dòng)，蘊(yùn)藏著生命的智慧。
而不論是光學(xué)顯微鏡還是電子顯微鏡，它們都是科學(xué)家們的“另”一只眼睛。
看似平平無(wú)奇，卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不在用“心”觀(guān)察生命體中每一個(gè)微小零部件的運(yùn)作規(guī)律，科學(xué)家們探索生命奧秘路上的每一步都有它們的付出。
