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显微镜的历代史

作者:硬度计服务商创诚致佳
发布时间:2020-12-25

尽管类似镜头的物体可以追溯到4000年前,并且希腊人对充满水的球体(公元前5世纪)的光学特性描述,但随后的数百年间,光学方面的著作却广为人知,最早的使用简单显微镜(放大镜)的历史可追溯至13世纪眼镜镜片中的广泛使用最早在1620年左右出现在欧洲,是复合显微镜的例子,该复合显微镜将标本附近的物镜目镜结合在一起以观看真实图像尽管多年来已经提出了许多要求,但发明人是未知的。几个围绕着荷兰的眼镜制造中心,包括声称它是Zacharias Janssen于1590年发明的(由他的儿子提出)和/或Zacharias的父亲Hans Martens,称它是由他们的眼镜制造中心发明的。邻居和眼镜制造商汉斯·利珀谢Hans Lippershey)(他于1608年申请了第一项望远镜专利)并声称它是由外籍人士 Cornelis Drebbel发明的,他在1619年在伦敦拥有一个版本。 伽利略·伽利雷(有时也被称为复合显微镜的发明者)似乎在1610年以后发现他可以将望远镜聚焦以观察小物体,并在1624年看到Drebbel建造的复合显微镜在罗马展出后,制造了自己的改进版。 乔瓦尼·法伯Giovanni Faber为伽利略(Galileo)于1625年提交给Accademia dei Lincei的复合显微镜创造了显微镜的名称(伽利略将其称为“ occhiolino ”或“小眼睛”)。

现代光学显微镜的兴起

卡尔·蔡司双目复合显微镜,1914年

直到1644年,在Giambattista Odierna的L'occhio della moscaThe Fly's Eye中首次使用显微镜对有机组织进行了微观解剖

直到1660年代和1670年代,显微镜才在很大程度上仍然是新颖的,当时意大利,荷兰和英国的自然主义者开始使用它们研究生物学。意大利科学家马塞洛·马尔皮吉Marcello Malpighi)被一些生物学史学家称为组织学之父,他开始分析肺部的生物学结构。罗伯特·胡克Robert Hooke)的显微照相》(Micrographia)于1665年出版,产生了巨大的影响,主要是因为其插图令人印象深刻。Antonie van Leeuwenhoek做出了重大贡献使用简单的单镜头显微镜,他的放大率达到300倍。他将一个非常小的玻璃球形透镜夹在两个铆接在一起的金属板的孔之间,并用可调节螺钉的针头安装样品。然后,范·吕文霍克(Van Leeuwenhoek)重新发现了红细胞(在Jan Swammerdam之后)和精子,并帮助普及了使用显微镜观察生物超微结构的方法。1676年10月9日,范·吕文霍克(van Leeuwenhoek)报告发现了微生物。

光学显微镜的性能取决于聚光镜系统的质量和正确使用,以将光聚焦在样本上,以及物镜捕获来自样本的光并形成图像。早期的仪器一直受到限制,直到19世纪末至20世纪初这一原理被充分理解和发展,直到电灯可用作光源为止。1893年8月,科勒开发了样品照明的关键原理,即科勒照明,这对于实现光学显微镜的分辨率理论极限至关重要。这种样本照明方法可产生均匀的照明,并克服了早期样本照明技术所施加的有限对比度和分辨率。在样品照明进一步的发展从发现的来到相衬通过筛板泽尼克于1953年,和微分干涉对比由照明乔治诺马斯基1955年; 两者都可以对未染色的透明样品成像。

电子显微镜

恩斯特·鲁斯卡Ernst Ruska)在1933年建造的电子显微镜

在20世纪初,人们开发了一种光学显微镜的重要替代品,该仪器使用电子而不是来生成图像。德国物理学家恩斯特·鲁斯卡Ernst Ruska)与电气工程师Max Knoll合作,于1931年开发出了第一台原型电子显微镜,即透射电子显微镜(TEM)。透射电子显微镜的工作原理与光学显微镜类似,但是使用电子代替光,使用电磁体代替玻璃透镜。使用电子而不是光可以实现更高的分辨率。

透射电子显微镜的发展问题的发展很快,随后在1935年扫描电子显微镜马克斯·诺尔尽管TEM在第二次世界大战之前就被用于研究,并在之后变得流行,但SEM直到1965年才商业化。

第二次世界大战后,透射电子显微镜开始流行西门子工作的恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)开发了第一台商用透射电子显微镜,并在1950年代召开了主要的电子显微镜科学会议。1965年,查尔斯·奥特利爵士(Sir Charles Oatley)爵士和他的研究生加里·斯图尔特(Gary Stewart )研发了第一台商用扫描电子显微镜,并由剑桥仪器公司以“ Stereoscan”的名称销售。

关于使用电子显微镜的最新发现之一是能够识别病毒。由于此显微镜可产生可见的清晰的小细胞器图像,因此在电子显微镜中无需试剂即可看到病毒或有害细胞,从而可以更有效地检测病原体。

扫描探针显微镜

从1981年至1983年格尔德·宾宁海因里希·罗雷尔供职于IBM苏黎世瑞士研究量子隧穿现象。他们创造了一种实用的仪器,即基于量子隧道理论扫描探针显微镜,可读取探针与样品表面之间交换的很小的力。探针非常靠近表面,因此电子可以在探针和样品之间连续流动,从而在表面和探针之间产生电流。由于基础理论解释的复杂性质,最初并未很好地使用显微镜。1984年,杰里·泰索夫(Jerry Tersoff)和DR Hamann在新泽西州Murray Hill的AT&T贝尔实验室工作时开始发表将理论与仪器获得的实验结果联系起来的文章。紧随其后的是在1985年使用了功能良好的商业仪器,并在1986年由Gerd Binnig,Quate和Gerber发明了原子力显微镜,然后是Binnig和Rohrer的诺贝尔物理学奖获得了SPM。

随着加工超细探针和尖端的能力不断提高,新型扫描探针显微镜也得到了不断发展。

荧光显微镜

荧光显微镜,在物镜上方装有滤光片转塔,并配有摄像头。

光学显微镜的最新发展主要集中生物学荧光显微镜的兴起在20世纪的最后几十年,特别是在后基因组时代,开发了许多细胞结构进行荧光染色技术主要技术类别涉及特定细胞结构的靶向化学染色,例如,用于标记DNA的化合物DAPI,使用与荧光报道分子偶联的抗体,参见 免疫荧光和荧光蛋白(例如绿色荧光蛋白)这些技术使用这些不同的荧光团在活样品和固定样品中以分子水平分析细胞结构。

荧光显微镜的兴起推动了主要的现代显微镜设计-共聚焦显微镜的发展尽管激光技术限制了该技术的实际应用,但该原理于1957年由Marvin Minsky申请了专利直到1978年,托马斯(Thomas)克里斯托弗·克雷默Christoph Cremer)发明了第一台实用的共聚焦激光扫描显微镜,该技术在1980年代迅速普及。

超分辨率显微镜

当前(21世纪初)有关光学显微镜技术的许多研究都集中在荧光标记样品超分辨率分析的开发上结构化照明可以将分辨率提高大约2到4倍,并且像激发发射耗尽(STED)显微镜这样的技术正在接近电子显微镜的分辨率。 之所以发生这种情况,是因为衍射极限是由光或激发引起的,这使得分辨率必须加倍才能变得超饱和。Stefan Hell凭借STED技术的发展而获得2014年诺贝尔化学奖,以及将荧光显微镜用于单分子可视化的Eric Betzig和William Moerner。

X射线显微镜

X射线显微镜是通常使用软X射线带中的电磁辐射对物体成像的仪器。1970年代初X射线透镜光学技术的进步使该仪器成为可行的成像选择。它们通常用于断层扫描(请参阅微型计算机断层扫描)中,以产生物体的三维图像,包括尚未化学固定的生物材料。当前,正在进行研究以改进具有更大穿透力的硬X射线的光学器件。

种类

显微镜的光束路径原理说明了显微镜的类型
通过光学,透射(TEM)和像差校正电子显微镜(ACTEM)实现的空间分辨率的演变。[25]

显微镜可以分为几个不同的类别。一种分组是基于与样品相互作用以生成图像的,即光子(光学显微镜),电子(电子显微镜)或探针(扫描探针显微镜)。或者,可以根据显微镜是通过扫描点分析样品(共焦光学显微镜,扫描电子显微镜和扫描探针显微镜)还是一次分析所有样品(广角光学显微镜和透射电子显微镜)对显微镜进行分类。

广角光学显微镜和透射电子显微镜都使用透镜理论(光学显微镜的光学器件电子显微镜的电磁透镜),以便放大通过样品或被样品反射波的通过所产生的图像使用的波是电磁波(在光学显微镜中)或电子束(在电子显微镜中)。这些显微镜的分辨率受到用于对样品成像的辐射波长的限制,其中较短的波长允许更高的分辨率。

扫描光学和电子显微镜,例如共聚焦显微镜和扫描电子显微镜,使用透镜将光点或电子点聚焦到样品上,然后分析由光束与样品相互作用产生的信号。然后在样品上扫描该点以分析矩形区域。通过在相对较大的屏幕上扫描物理上较小的样本区域显示数据来实现图像的放大。这些显微镜与广角光学,探针和电子显微镜具有相同的分辨率极限。

扫描探针显微镜还分析样品中的单个点,然后在矩形样品区域上扫描探针以建立图像。由于这些显微镜不使用电磁或电子辐射进行成像,因此它们不受与上述光学和电子显微镜相同的分辨率限制。

光学的

光学显微镜(也是最早发明的)是最普通的显微镜这是一种光学 仪器,包含一个或多个透镜,这些透镜会产生放置在焦平面上的样本的放大图像。光学显微镜具有折射玻璃(有时是塑料或石英),可将光聚焦在眼睛上或其他光探测器上。基于镜子的光学显微镜以相同的方式工作。假设可见光范围,光学显微镜的典型放大倍数可达1250倍,理论分辨率极限约为0.250 微米或250 纳米这将实际放大倍数限制为〜1500x。专门技术(例如,扫描共聚焦显微镜Vertico SMI)可能会超过此放大倍率,但分辨率受到衍射限制。与诸如近场扫描光学显微镜之类的设备一样,使用较短波长的光(诸如紫外线)是提高光学显微镜的空间分辨率的一种方法

Sarfus是一种最新的光学技术,它将标准光学显微镜的灵敏度提高到可以直接可视化纳米薄膜(低至0.3纳米)和孤立的纳米物体(低至2 nm直径)的程度。该技术基于使用非反射基板进行交叉偏振反射光显微镜检查。

紫外线可以分辨微观特征以及对眼睛透明的样品进行成像。由于硅在该波长范围内是透明的,因此近红外光可用于可视化嵌入在键合硅器件中的电路。

荧光显微镜中,可以使用从紫外线到可见光的许多波长的光来使样品发出荧光,从而可以用肉眼或特别敏感的相机进行观察。

与典型的相差显微镜(右)相比,典型明场(左)观察到的未染色细胞。

相差显微镜是一种光学显微镜照明技术,其中穿过透明样本的光中的相移会转换为图像中的振幅对比度变化。使用相衬不需要染色即可查看幻灯片。这种显微镜技术使研究活细胞细胞周期成为可能

传统的光学显微镜最近已发展成为数字显微镜除了通过目镜直接查看对象之外,或代替通过目镜直接查看对象,一种类似于数字相机中使用的传感器的类型的传感器用于获取图像,然后将其显示在计算机监视器上。根据应用,这些传感器可以使用CMOS电荷耦合器件(CCD)技术。

可使用灵敏的光子计数数码相机提供非常低的光照水平的数字显微镜,以避免损坏易受伤害的生物样品已经证明,提供成对纠缠的光子的光源可以使损坏对最光敏感的样品的风险最小化。鬼影成像在光子稀疏显微镜中的这种应用中,用红外光子照射样品,红外光子在空间上与可见带中纠缠的伙伴在空间上相关联,以通过光子计数相机进行有效成像。

现代透射电子显微镜

电子

电子显微镜的两种主要类型是透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)。它们都有一系列电磁和静电透镜,可将高能电子束聚焦在样品上。在TEM中,电子通过样品,类似于基本光学显微镜这需要仔细的样品准备,因为电子会被大多数材料强烈散射。样品还必须非常薄(100 nm以下),以使电子能够通过。用with和重金属染色的细胞的横截面显示出清晰的细胞器膜和蛋白质,如核糖体。分辨率为0.1 nm时,可以获得病毒(20 – 300 nm)和DNA链(宽度2 nm)的详细视图。相反,SEM具有光栅线圈,可以用细电子束扫描散装物体的表面。因此,样品不一定需要切片,但非导电样品可能需要用纳米金属或碳层涂覆。SEM可以对样品进行快速表面成像,可能在稀薄的水蒸气中以防止干燥。

扫描探针

扫描探针显微镜的不同类型是由小型探针被扫描并与标本相互作用时发生的许多不同类型的相互作用引起的。这些相互作用或模式可以根据表面上的位置进行记录或映射,以形成特征图。扫描探针显微镜的三种最常见类型是原子力显微镜(AFM),近场扫描光学显微镜(MSOM或SNOM,扫描近场光学显微镜)和扫描隧道显微镜(STM)。原子力显微镜具有一个细探针,通常由硅或氮化硅制成,并与悬臂相连。在样品表面上扫描探针,并测量和绘制引起探针与样品表面之间相互作用的力。近场扫描光学显微镜与AFM相似,但其探头由光纤中的光源组成,该光纤覆盖有尖端,该尖端通常具有使光通过的孔径。显微镜可以捕获透射光或反射光,以测量通常是生物样本的表面的非常局部的光学特性。扫描隧道显微镜的金属尖端带有单个顶原子。尖端连接到电流流过的管子上。在导电样品的表面上扫描尖端,直到流过隧道电流为止。通过尖端的计算机运动使电流保持恒定,并且通过记录的尖端的运动形成图像。

扫描电子显微镜观察的叶片表面。

其他种类

扫描声学显微镜使用声波来测量声阻抗的变化。从原理上讲,它们Sonar相似,用于检测材料的次表面中的缺陷,包括集成电路中的缺陷。2013年2月4日,澳大利亚工程师制造了“量子显微镜”,可提供无与伦比的精度。


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