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光学显微镜技术有哪些新的发展

MARCUS

光学显微镜技术有哪些新的发展

光学显微镜技术有哪些新发展,它们各有哪些突出优点?为什么电子显微镜不能完全代替光学显微镜?

现在光学显微镜的一个新点就是光机电一体化,成为数码液晶显微镜,把光学的图像展示在大的屏幕上,那样大家就可以很方便的交流,观察,录像存储等,特别适用于学校的教学。

电子显微镜的生产成本很高,所以价格很高,并且电子显微镜放大的倍数很大,但是实验中,我们并不一定是需要这么大的倍数的,所以我们就会选择倍数小点的,但是价格便宜很多的光学显微镜。另外,几百倍的小倍数,用电子显微镜观察不了。所以电子显微镜不能完全代替光学显微镜。

光学显微镜技术有哪些新发展,它们显微镜不能完全各有哪些突出优点

近场光学显微镜是采用亚波长尺度的探针在距离样品表面几个纳米的近场范围进行扫描成像的技术。如利用孔径在20-90nm的近场探针在样品上进行扫描而同时得到分辨率高于衍射极限的形貌像和光学像的显微镜。

  传统光学显微镜的分辨率受到光学衍射极限影响,分辨率不超过该波长尺度范围。与传统光学显微镜不同的是,近场光学显微镜利用亚波长尺度探针,可以得到更小分辨率。

显微镜的发展史

R.虎克在17世纪中期

制做的复式显微镜

19世纪中期的显微镜

20世纪初期的显微镜

带自动照相机

的光学显微镜

装有场发射枪的

扫描电子显微镜

超高压透射电子显微镜

显微镜的发明与发展

人类很早以前就有探索微观世界奥秘的要求,但是苦于没有理想的工具和手段。1675年荷兰生物学家列文虎克用显微镜发现了十分微小的原生动物和红血球,甚至用显微镜研究动物的受精作用。列文虎克掌握了很高的磨制镜片的技艺,制成了当时世界上最精致的可以放大270倍的显微镜。以后几百年来,人们一直用光学显微镜观察微观和探索眼睛看不到的世界,但是由于光学显微镜的分辨率只能达到光波的半波长左右,这样人类的探索受到了限制。进人20世纪,光电子技术得到了长足的发展,1933年德国人制成了第一台电子显微镜后,几十年来,又有许多新型的显微镜问世,比如,扫描隧道显微镜(STM)就是一种比较先进的现代仪器。))

很早以前,人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里面就记载了能放大物体的凹面镜。至于凸透镜是什么时候发明的,可能已经无法考证。凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光,也能让你看到放大后的物体,这是因为凸透镜能够把光线偏折。你通过凸透镜看到的其实是一种幻觉,严格的说,叫做虚像。当物体发出的光通过凸透镜的时候,光线会以特定的方式偏折。当我们看到那些光线的时候,或不自觉地认为它们仍然是沿笔直的路线传播。结果,物体就会看上去比原来大。

单个凸透镜能够把物体放大几十倍,这远远不足以让我们看清某些物体的细节。公元13世纪,出现了为视力不济的人准备的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。随着笼罩欧洲一千年的黑暗消失,各种新的发明纷纷涌现出来,显微镜(microscope)就是其中的一个。大约在16世纪末,荷兰的眼镜商詹森 (Zaccharias Janssen)和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中,结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大,这就是现在的显微镜和望远镜的前身。

詹森制造的是第一台复合式显微镜。使用两个凸透镜,一个凸透镜把另外一个所成的像进一步放大,这就是复合式显微镜的基本原理。如果两个凸透镜一个能放大10倍,另一个能放大20倍,那么整个镜片组合的的放大倍数就是10*20=200倍。

1665年,英国科学家罗伯特•胡克(人们可能更熟悉他的另一个发现:胡克定律)用他的显微镜观察软木切片的时候,惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构。胡克把它们称作“细胞”。不过,詹森时代的复合式显微镜并没有真正显示出它的威力,它们的放大倍数低得可怜。荷兰人安东尼•冯•列文虎克(Anthony Von Leeuwenhoek ,1632-1723)制造的显微镜让人们大开眼界。列文虎克自幼学习磨制眼镜片的技术,热衷于制造显微镜。他制造的显微镜其实就是一片凸透镜,而不是复合式显微镜。不过,由于他的技艺精湛,磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍,超过了以往任何一种显微镜。

当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候,他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界:无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会,引起了一阵轰动。人们有时候把列文虎克称为“显微镜之父”,严格的说,这不太正确。列文虎克没有发明第一个复合式显微镜,他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。

在接下来的两个世纪中,复合式显微镜得到了充分的完善,例如人们发明了能够消除色差(当不同波长的光线通过透镜的时候,它们折射的方向略有不同,这导致了成像质量的下降)和其他光学误差的透镜组。与19世纪的显微镜相比,现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因很简单:光学显微镜已经达到了分辨率的极限。

如果仅仅在纸上画图,你自然能够“制造”出任意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷,任何光学仪器仍然无法完美的成像。人们花了很长时间才发现,光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说,物体上的一个点在成像的时候不会是一个点,而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑*得太近,你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显微镜,它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。

提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长,或者,用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论,运动的电子具有波动性,而且速度越快,它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高,并且汇聚它,就有可能用来放大物体。

1938年,德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜(TEM)。1952年,英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高,电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9m)。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下现出了原形。

用电子代替光,这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显微镜更激进,它完全失去了传统显微镜的概念。

很显然,你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同,它不是光滑的、滴溜乱转的削球,更不是达•芬奇绘画时候所用的模型。扫描隧道显微镜依*所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式和术语,这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描显微镜没有镜头,它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙,形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化,这股电流也会相应的改变。这样,通过测量电流我们就能知道物体表面的形状,分辨率可以达到单个原子的级别。

因为这项奇妙的发明,Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖,那就是电子显微镜的发明者Ruska。

据说,几百年前列文虎克把他制作显微镜的技术视为秘密。今天,显微镜——至少是光学显微镜——已经成了一种非常普通的工具,让我们了解这个小小的大千世界。

显微镜的发展过程

早在公元前一世纪,人们就已发现通过球形透明物体去观察微小物体时,可以使其放大成像。后来逐渐对球形玻璃表面能使物体放大成像的规律有了认识。

1590年,荷兰和意大利的眼镜制造者已经造出类似显微镜的放大仪器。

1611年

Kepler(克卜勒):提议复合式显微镜的制作方式。

1655年

Hooke(虎克):「细胞」名词的由来便由虎克利用复合式显微镜观察软木塞上某区域中的微小气孔而得来的。

1674年

Leeuwenhoek(李文赫克):发现原生动物学的报导问世,并于九年后成为首位发现「细菌」存在的人。

1833年

Brown(布朗):在显微镜下观察紫罗兰,随后发表他对细胞核的详细论述。

1838年

Schlieden and Schwann(雪莱敦及史汪):皆提倡细胞学原理,其主旨即为「有核细胞是所有动植物的组织及功能之基本元素」。

1857年

Kolliker(寇利克):发现肌肉细胞中之粒线体。

1876年

Abbe(阿比):剖析影像在显微镜中成像时所产生的绕射作用,试图设计出最理想的显微镜。

1879年

Flrmming(佛莱明):发现了当动物细胞在进行有丝分裂时,其染色体的活动是清晰可见的。

1881年

Retziue(芮祖):动物组织报告问世,此项发表在当世尚无人能凌驾逾越。然而在20年后,却有以Cajal(卡嘉尔)为首的一群组织学家发展出显微镜染色观察法,此举为日后的显微解剖学立下了基础。

1882年

Koch(寇克):利用苯安染料将微生物组织进行染色,由此他发现了霍乱及结核杆菌。往后20年间,其它的细菌学家,像是Klebs and Pasteur(克莱柏和帕斯特)则是藉由显微镜下检视染色药品而证实许多疾病的病因。

1886年

Zeiss(蔡氏):打破一般可见光理论上的极限,他的发明--阿比式及其它一系列的镜头为显微学者另辟一新的解像天地。

1898年

Golgi(高尔基):首位发现细菌中高尔基体的显微学家。他将细胞用硝酸银染色而成就了人类细胞研究上的一大步。

1924年

Lacassagne(兰卡辛):与其实验工作伙伴共同发展出放射线照相法,这项发明便是利用放射性钋元素来探查生物标本。

1930年

Lebedeff(莱比戴卫):设计并搭配第一架干涉显微镜。另外由Zernicke(卓尼柯)在1932年发明出相位差显微镜,两人将传统光学显微镜延伸发展出来的相位差观察使生物学家得以观察染色活细胞上的种种细节。

1941年

Coons(昆氏):将抗体加上萤光染剂用以侦测细胞抗原。

1952年

Nomarski(诺马斯基):发明干涉相位差光学系统。此项发明不仅享有专利权并以发明者本人命名之。

1981年

Allen and Inoue(艾伦及艾纽):将光学显微原理上的影像增强对比,发展趋于完美境界。

1988年

Confocal(共轭焦)扫瞄显微镜在市场上被广为使用。

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