以下文章來源于中科院高能所 ，作者小溪 。
導(dǎo)讀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類物種，很可能從地球生命誕生之初就已經(jīng)存在，而人類從意識到有病毒存在，再到看到病毒的模樣，直至最后弄清病毒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成分，經(jīng)歷了漫長的過程 。
病毒在19世紀(jì)末就已被證實(shí)肯定存在，但因“阿貝極限”使光學(xué)顯微鏡無法達(dá)到更高的分辨率，始終看不到病毒的蹤影，直至近年來這個(gè)難題被科學(xué)家解決 。
撰文 | 小 溪
20世紀(jì)30年代，電子顯微鏡的發(fā)明使神秘的病毒終于現(xiàn)出了真身，只是電子顯微鏡的原理決定了它無法用于活細(xì)胞的觀察及獲取生物活動的動態(tài)信息，而攻克致病病毒，需要深入了解病毒在活細(xì)胞內(nèi)感染、復(fù)制及釋放的動態(tài)過程 。
科學(xué)界期待著能有可獲取生物過程動態(tài)信息的、更高分辨率的光學(xué)顯微鏡 。光學(xué)顯微鏡的“阿貝極限”究竟有沒有可能被突破呢？
盡管每項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都會歷盡艱辛，只是沒想到，真正突破“阿貝極限”竟用了百余年，在此期間數(shù)項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)明起到了極為關(guān)鍵的作用！
01 相襯
“相襯”是顯微技術(shù)中的一個(gè)重大進(jìn)步 。
光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞時(shí)一般都需要染色，這是因?yàn)榧?xì)胞結(jié)構(gòu)中大部分組分都是透明的 。透明度高的物體也稱為位相物體，光波通過位相物體時(shí)不改變振幅 (光的強(qiáng)弱) 只改變位相，但人眼只能辨別出振幅的變化，因此在光學(xué)顯微鏡下難以區(qū)分不同的細(xì)胞組分 。
用有機(jī)染料對不同的細(xì)胞組分進(jìn)行選擇性染色后，可借助不同的顏色反襯來提高細(xì)胞不同組分圖像的對比度，便于更清楚地進(jìn)行觀察和研究 。但染色是一個(gè)非常困難和耗時(shí)的過程，常常會對觀察的生物樣本產(chǎn)生傷害，甚至殺死細(xì)胞 。
波的位相示意圖
有沒有辦法讓光學(xué)顯微鏡的生物樣本可以不經(jīng)染色而直接清楚地觀察到活細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？
20世紀(jì)30年代初，荷蘭的弗里茨·澤尼克 (Frits Zernike) 在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)：不可見的光相位變化可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷恼穹兓?，他根?jù)位相理論研究出了位相反襯法 (一種光學(xué)信息處理方法) ，通過某種空間濾波器將位相變化產(chǎn)生的不可見信息轉(zhuǎn)化為與之等價(jià)的可見的振幅信息，改善透明物體成像的反襯度，可大大提高透明物體的可分辨性 。
弗里茨·澤尼克(Frits Zernike)
澤尼克利用光的干涉原理，在傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡中加入相位板 (將位相差轉(zhuǎn)換成振幅差) 研制出相襯顯微鏡 (Phase Contrast Microscope，簡稱PCM) 的原型機(jī)并申請了專利，可惜當(dāng)時(shí)他的發(fā)明沒有受到重視 。
第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)影響了澤尼克的研究，但他以百折不撓的精神不斷改進(jìn)技術(shù) 。1941年，第一臺實(shí)用的相襯顯微鏡終于在蔡司公司誕生 。當(dāng)時(shí)的顯微鏡觀察細(xì)胞時(shí)都需要染色 (染色會殺死細(xì)胞) ，而相襯顯微鏡則可直接觀察到活細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。
目前，大部分高級光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡中都配置了相襯部件 。相襯顯微鏡在細(xì)菌學(xué)、病理學(xué)等方面應(yīng)用廣泛，生物學(xué)研究因此有了極大突破(澤尼克因論證相襯法及發(fā)明相襯顯微鏡的貢獻(xiàn)獲1953年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)) 。
早期的相襯顯微鏡
下排是透明樣品加上相襯技術(shù)后的顯微圖像
02 熒光
熒光的發(fā)現(xiàn)為后來超分辨率光學(xué)顯微鏡的研制打下了基礎(chǔ) 。
早在1845年，英國皇家學(xué)會的約翰·赫歇爾 (John Herschel) 在一份報(bào)告中描述了他觀察到的一種現(xiàn)象：加了硫酸奎寧 (一種藥物) 的蘇打水在太陽光照射下會發(fā)出天藍(lán)色的光 。以后，雖然也有人發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，但一直沒人能給出科學(xué)的解釋 。
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