显微镜的历史

光学显微镜的发展历程

17世纪晚期，荷兰人安东尼·范·列文虎克（Antoine van Leeuwenhoek）发明了简易单镜头显微镜。这一发明的结构与现代放大镜类似，但放大率超过200倍。通过这一新型显微镜，列文虎克发现了微生物和精子。

大约同一时期，英国人罗伯特·胡克（Robert Hooke）发明了复式显微镜，包括两个镜头，分别为物镜和目镜。胡克利用这种显微镜观察到了木栓组织，由于形似蜂窝小孔（cell），将其命名为细胞（cell）。由此，他创造“细胞”这一生物学术语。

当时，由于两个镜头之间存在像差，将镜头组合起来会影响精确度，导致复式显微镜的分辨率低于简易显微镜。

到了19世纪，人们通过各种方式大幅改善了显微镜的分辨率。像差校正技术通过采用更好的镜头或镜头组合来实现的。德国蔡司公司和徕茨公司大力支持该项技术，并对其发展做出了巨大贡献。德国人恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）为显微镜的创新发展奠定了理论和技术基础，可以说是现代光学显微镜样机的奠基人。

20世纪涌现出诸多观察方法。20世纪30年代发明的相位差显微镜和20世纪50年代发明的微分干涉对比显微镜都促进了细胞等透明样本的高放大率观察。20世纪50年代发明的共焦激光显微镜则标志着显微镜观察技术进入了高清晰时代。20世纪初，随着荧光染料的发展，荧光显微镜取得了长足进步。

尽管显微术取得了重大进步，19世纪研究者乔治·艾里（George Airy）发现，由于光自身的特性，分辨率存在上限。没过多久，恩斯特·阿贝就提出了“数值孔径”这一概念。他证明，无论镜头具有多高的性能，微小样本在可见光下的分辨率不超过200 nm。这给放大观察提出了一项新的挑战。

电子显微镜的发展

X射线和电子是在19世纪末被依次发现的，而电子镜头理论的提出则是在20世纪20年代末。到了20世纪初，随着短波长光束开始被用作光源，具有更高分辨率的显微镜得到发展。20世纪30年代初，德国人恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）发明了透射电子显微镜（TEM），并由西门子公司在1939年研制出第一台商用TEM。几乎与此同时，人们开始研发扫描电子显微镜（SEM）。随后，曼弗雷德·阿登纳（Manfred Ardenne）在20世纪30年代末研制出了扫描透射电子显微镜（STEM）。在此基础上，由弗拉基米尔·佐利金（Vladimir Zworykin）在20世纪40年代初制作了现代SEM的样机。但是，佐利金研制的SEM存在分辨率较低的缺陷。因此，剑桥大学查尔斯·奥特利（Charles Oatley）实验室在20世纪50年代继续开展SEM研发工作，并由剑桥仪器公司在1965年生产出第一台商用SEM。

电子显微镜突破了光学显微镜的局限，并大幅提高分辨率，使得原子等微小物体的观察成为可能。

除了分辨率的改进，人们仍然在提升电子显微镜的其他性能。环境扫描电子显微镜的研发便是其中一例。这种显微镜可使样本室保持处于低真空状态，以便观察含水样本。