神秘的它終於現出真身

撰文 | 小溪

突然襲來的新冠肺炎疫情讓人類又一次見識了「病毒」的威力。肉眼看不到的病毒作為一個物種，很可能從地球生命誕生之初就已經存在，而人類從意識到有病毒存在→看到病毒的模樣→弄清病毒的內部結構成分卻經歷了漫長的過程。

「病毒」早在19世紀末就已被科學家們證實肯定存在，但用當時最先進的光學顯微鏡卻始終找不到病毒的蹤影(相關連結)。德國的恩斯特•阿貝(Ernst Abbe)通過理論分析提出了顯微鏡的「衍射極限」(被稱為阿貝極限)概念，即顯微鏡的解析度最高只能達到光源波長的二分之一，這就意味著以可見光(波長範圍在0.38~0.78微米)為光源的光學顯微鏡無法實現小於0.2微米的解析度，由此可認定那肯定存在的「病毒」尺度一定小於0.2微米。

怎樣讓肯定存在的病毒現出真身呢？科學界一直為此在努力。

· 一個假說

進入20世紀後出現了新的希望。

1924年11月，法國的路易•德布羅意(Louisde Broglie)提出了一個物質波假說。他認為：一切物質都與光一樣具有波粒二象性，當電子以高速運動時，其行為類似光波的傳播過程，電子束可作波狀運動，但其波長要比光的波長短得多。

德布羅意可不是一般人物，他的物質波理論是在他的博士畢業論文中闡述的，這一理論被譽為劃時代的研究成果，為建立波動力學奠定了堅實基礎(僅僅5年之後的1929年，年輕的德布羅意就獲得了諾貝爾物理學獎，他是第一個以學位論文獲得諾貝爾獎的學者)。

路易•德布羅意(Louisde Broglie)(圖片來自網絡)

德布羅意的奇思妙想竟然很快就被實驗證實了。美國的柯林頓·戴維森(Clinton Davisson)和英國的喬治·湯姆遜(George Thomson)1927年通過電子衍射實驗證實了高速電子的波動性，驗證了德布羅意的物質波理論(他們因發現電子在晶體中的衍射現象獲得了1937年的諾貝爾物理學獎)。

柯林頓•戴維森(Clinton Davisson)、喬治•湯姆遜(George Thomson)

(圖片來自網絡)

· 如何成像·

德布羅意的假說十分吸引人，大膽設想一下，電子束波長約是可見光波長的1/1000，如果能用電子束作為顯微鏡的光源，依據「阿貝極限」這樣不就能大大提高顯微鏡的解析度了？

答案是：僅有電子束作光源還是不行，因為顯微鏡除了光源還需配置複雜的光學會聚與發散系統，當時並沒有人知道如何能讓電子束會聚與發散，也就是說電子束無法成像。是否可以認為：只要能找到使電子束會聚與發散的方法就可以得到放大的物像了？這個想法太有挑戰性了。

1926年時，德國的漢斯•布希(HansBusch)通過理論分析證明：軸對稱的非均勻電場和磁場應可以讓電子束折射以產生電子束的會聚與發散，最終達到成像的目的。可這個理論是否能成為現實呢？

漢斯•布希(Hans Busch)(圖片來自網絡)

1927年，德國的恩斯特·魯斯卡(Ernst Ruska)還是個沒畢業的學生，他加入了柏林高等工業學院馬克斯·克諾爾(Max Knoll)教授的研究團隊，他們當時的主要目標是研發高性能的陰極射線示波器。1929年，魯斯卡在用磁透鏡和靜電透鏡使電子束成像的實驗研究中取得了可喜的初步進展，並與克諾爾開始著手研製透射電子顯微鏡。

恩斯特•魯斯卡(Ernst Ruska)、馬克斯·克諾爾(Max Knoll)

(圖片來自網絡)

魯斯卡與克諾爾真是天作之合，僅僅用了兩年時間，1931年時他們就研製成功了具有兩個磁透鏡的透射電子顯微鏡(Transmission ElectronMicroscope，簡稱TEM)，放大倍數雖然只有16~17倍，但確實證實了使用電子束和電子透鏡可以形成與光學透鏡相同的電子像。那時，魯斯卡他們還未使用「電子顯微鏡」的稱謂。直到1932年，魯斯卡與克諾爾在《物理學雜誌(Zeitschrift für Physik)》上發表的題為《電子顯微鏡》論文中才正式提出了「電子顯微鏡」的名稱。

· 終於現出真身·

魯斯卡再接再厲，他設法進一步縮小磁場範圍，減小焦距。1933年，他用改進後的磁透鏡終於獲得了放大12000倍的電子顯微像——這可以說是現代電子顯微鏡真正的鼻祖。至1938年，魯斯卡等人製作的透射電子顯微鏡不但有聚光鏡、高性能物鏡、投影鏡，還配備了更換樣品、底片的裝置，可獲得3萬倍放大率的圖像。

魯斯卡1933年研製的透射電子顯微鏡(圖片來自網絡)

魯斯卡(右)和克諾爾在他們研製的透射電子顯微鏡上工作(圖片來自網絡)

在那個年代，儘管魯斯卡等人為電子顯微鏡的發明專利所屬爭得沸沸揚揚，但人類探索微觀世界的第二扇門已被開啟。

1939年，魯斯卡與德國的古斯塔夫·考什(GustavKausche)、埃德加•潘庫奇(EdgarPfannkuch)一起在透射電子顯微鏡下觀察到了菸草花葉病毒(TobaccoMosaic Virus，簡稱TMV)微小的杆狀顆粒(直徑18納米、長300納米)，這是人類有史以來第一次看到病毒的「真身」。此時，距1898年貝傑林克首次證實有菸草花葉病毒的存在已過去了40多年。

透射電子顯微鏡下的菸草花葉病毒(圖片來自網絡)

(題外話：魯斯卡對電子顯微鏡技術的發展作出了傑出貢獻，可他得到的表彰來得挺晚，直到50年多後的1986年，魯斯卡與後來的掃描隧道顯微鏡發明者分享了諾貝爾物理學獎，那時他雖已是垂垂老者但畢竟還活著——長壽很重要，魯斯卡1988年5月逝世)。

· 並未止步·

透射電子顯微鏡具有很高的空間解析度(0.1-0.2納米)主要用於觀察樣品的內部結構，因其景深較小，對樣品的表面形貌並不敏感。如何解決這個問題呢？

德國的雨果·斯蒂青(Hugo Stintzing)1929年時提出過一種可用於樣品表面形貌觀察的掃描電子顯微鏡(ScanningElectron Microscopy，簡稱SEM)工作原理(利用電子束與樣品之間的相互作用來獲得樣品表面的高解析度圖像)。克諾爾也曾用實驗演示驗證過這個原理，可惜他並未研製出有實用價值的原型。

直到1937年，德國的曼弗雷德·阿登(ManfredArdenne)對此有了新思路：在透射電子顯微鏡中加上掃描線圈使電子束可聚焦成一束細微的探針用來掃描樣品。穿過樣本的電子被收集起來，在接收屏幕上顯示出不同的電子強度，最後創建出高解析度的接收圖像。阿登成功地研製出第一臺掃描透射電子顯微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope，簡稱STEM)。

曼弗雷德•阿登(Manfred Ardenne)(圖片來自網絡)

阿登研製的掃描電子顯微鏡(圖片來自網絡)

美籍俄羅斯人弗拉基米爾·茲沃裡金(VladimirZworykin)的貢獻也不能忽略，他研究的重點是如何提高電磁場改變帶電粒子運動軌跡的能力(要知道，世界上第一臺實用的電視攝像機就是他發明的)，他對原理相近的電子顯微鏡也十分感興趣。茲沃裡金領導的團隊與加拿大的詹姆斯•希利爾(James Hillier)合作，對電子顯微鏡系統進行了重大改進，使電子束對觀測樣品進行掃描的技術取得了重大進步。1940年，掃描電子顯微鏡首次實現了超過10萬倍的放大，促使生物學和醫學領域的研究發生了革命性的變化。

弗拉基米爾•茲沃裡金(Vladimir Zworykin)、詹姆斯•希利爾(James Hillier)

(圖片來自網絡)

茲沃裡金(右)與希利爾在他們研製的掃描電子顯微鏡上工作(1942年)(圖片來自網絡)

1942年，茲沃裡金等人開始研製利用反射電子束作為探測信號的掃描電子顯微鏡，只是噪聲過大並不很實用。由於第二次世界大戰的影響，相關研究停滯了一段時間。二戰結束後，英國劍橋大學的查爾斯·奧特利(Charles Oatley)和他的學生丹尼斯·麥克穆蘭(DennisMcMullan)繼續開展這方面的研究。1951年，他們研製出真正實用的掃描電子顯微鏡，第二年就實現了50納米的解析度。此後，在一系列關鍵技術問題獲得解決後，掃描電子顯微鏡的技術發展更為迅猛。

查爾斯•奧特利(Charles Oatley)、丹尼斯•麥克穆蘭(Dennis McMullan)(圖片來自網絡)

1951年投入使用的掃描電子顯微鏡(圖片來自網絡)

有了電子顯微鏡這個利器，神秘的菸草花葉病毒以及更多的病毒終於現出了真身，而科學家們卻並不滿足，他們期待能更深入地了解病毒的內部結構。

怎樣進一步提高顯微鏡的解析度？

還有沒有其它辦法來探索微觀世界的奧秘？

科學家們仍然在努力。