17自从列文虎克**次看到活细胞以来，显微成像技术已经成为生物学领域的重要工具。

   

   

橙色球就是这次的新冠肺炎

   

从组织、细胞、细胞器到细胞蛋白，人类在科学道路上仍在寻找，对显微技术的要求也越来越高。

   

不幸的是，光学显微镜通过简单的研磨镜片制作已经不能满足需求，科学家们看到了新型冠状病毒(以下简称COVID-19）工具不是光学显微镜。

   

本文将首先解释光学显微镜的困境，然后介绍两种可以看到的方法COVID-19的显微镜。

   

光学显微镜

   

   

光路是黄色的

   

通过透镜和小孔，光源出来的光携带样品信息会在这些地方发生 衍射。

   

比如经过小孔时，一束平行光应被视为一列密集的点光源（下图单缝处），点光源发出的球面波相互叠加后会出现明暗交替的同心圆环（ 艾里斑，下图右上）。

   

   

这个过程类似于水波通过狭窄的缝隙反映光的波动性。

   

   

双缝衍射水波

   

如果我们想在显微镜下认出它COVID-19，一束光不够。至少要看病毒和周围环境的界面。

   

假如COVID-19在显微镜光路衍射后，会形成两个艾里斑，如果它们太近，就无法区分病毒和环境之间的差异。

   

   

原则上，包括光学显微镜在内的任何显微镜，COVID-19与环境的距离小到一定程度后就无法区分了。这个距离可以用阿贝公式数字化解释:

   

   

如果你想让显微镜识别更近的两点，你要缩小它们Δx。

   

考虑照明光波长（λ）在人眼可辨范围内（400-760nm），所以要让Δx更大，λ更小是400nm左右。

   

n它是光路介质的折射率。一般来说，空气n=1。另外，α是入射光角，理想是90°，这对任何显微镜都是一样的，尽管它永远不会达到理想的情况。带入阿贝公式计算，Δx更大值约为200nm。

   

   

考虑到病毒的直径100nm左右，200nm分辨率肯定看不清楚。

   

阿贝公式告诉我们，我们想减少它Δx(增加分辨率)有两种方法，一种是将病毒转移到透镜之间的介质折射率n减是减少光的波长。

   

更容易实现的就是把n有一种显微技术叫做油浸物镜。以折射率较高的油作为传光介质，可以使用n提高到1.4因此，普通光学显微镜和油浸物镜的配合可以将分辨率提高到约150nm。

   

   

即使分辨率达到了，这个分辨率还远远不够100nm，只能说勉强能判断病毒两端的点，具体想看看病毒长什么样，分辨率不到5nm想都别想。

   

因此，我们应该走另一条不同于降低折射率的道路：使用波长较短的光源。

   

   

考虑到普通光学显微镜使用光子，自然会考虑是否可以用短波长光子代替可见光，然后用传感器收集光信号代替人眼观察。

   

X例如，射线波长足够小Cu-Kα射线可以达到0.15个nm，可见光直接使用400nm三个数量级下降，分辨率自然大大提高。然而，这太理想化了。

   

实际上，X光源强度往往不够大，传感器无法测量足够的数据，X射线光子难以聚焦，精确分析是幻想。

   

有趣的是，从 ** 5年伦琴用X射线开始拍摄各种物体，科学家们绞尽脑汁思考X当光源显示微镜时，射线。

   

   

左:伦琴妻子的手，右:伦琴

   

但是，直到它的竞争对手(本文的主角，拍摄COVID-19病毒)获得诺贝尔奖，X由于同步辐射光源、高性能检测器和高性能检测器，射线显微镜才真正制造出来。Fresnel使用波带片。

   

大活人还能憋死尿吗？X当时的科学家干脆放弃用光子作为光源！

   

   

电子显微镜

   

由于需要短波长的光源，因此更好使用电子。短波电子很容易获得，只需给出足够大的加速电压。动能上升后，根据德布罗的意义，波长较短。

   

它们的波长甚至可以达到0.1nm电子显微镜的分辨率也可以达到几个水平nm，有足够的分辨率观察病毒。

   

   

电子枪原理

   

与聚光子相比，聚电子更容易。与光学玻璃镜头相比，电子显微镜使用的镜头是电磁镜头，其原理也非常简单。移动电子将由磁场控制，磁场由电线圈创建，大小和方向可控。

   

此外，考虑到电子粒子性强，需要在整个光路上保持真空环境，否则电子束流不集中。这也更容易实现。具体来说，人造真空的科学：从浴室拔罐到芯片光刻机

   

   

更后，这些电子产品与样品相互作用后，会携带样品信息，用传感器收集放大信号，分析后就可以得到样品的外观。刚才的问号图其实是电镜。

   

   

短波长电子显示出明显的粒子性。电子枪发出的电子通过电磁透镜聚集在一起，然后击中样品。这些电子和样品有两种方式：一种是原路返回，另一种是傲慢的穿越。这两个原理对应于两个电镜。

   

扫描电子显微镜（SEM）

   

主要有两种电子：背散射线和二次电子。收集和放大这两种电子信号，即SEM成像原理。

   

   

背散射电子是指固体样品原子反射的部分入射电子，对样品成分敏感，如元素类型。

   

二 二级电子是指被入射电子轰击的核外电子，对病毒与环境的差异等样品表面形状敏感。

   

   

这张图是关于更近发布的COVID-19的SEM照片主要依靠二次电子信号，可以清楚地看到病毒在背景上呼之欲出，具有立体感。

   

值得一提的是，这张SEM图纸修复后。

   

据我所知，目前还没有电子显微镜可以单独拍摄彩色图片，因为传感器主要检测 电子强度（数量）信号，这意味着只能在白色和黑色之间取灰色，不能在白色和黑色之间取红色、黄色、蓝色和绿色。下图是真的SEM图像。

   

   

还是黑白看着顺眼？

   

透射电子显微镜（TEM）

   

除了原路返回子外，还有直接通过样品的透射电子。

   

   

考虑到有病毒的地方和没有病毒的地方的物质组成不同，入射电子的散射能力也不同。

   

例如，重元素的原子具有较强的电子散射能力，透射电子无法通过，图像较暗。同样的元素，样品越厚，透射电子就越难通过。这将形成 厚的衬里。

   

通过收集和分析透射电子强度信号，可以实现成像。使用此原理的电镜是TEM。

   

   

这个也是PS后的

   

   

冠状病毒看起来仍然很可爱

   

可以看出，相比采集二次电子的SEM，TEM图像没有立体感，主要是因为后者采集透射电子，样品沿厚度方向平等。

   

无论10nm厚度处还是20nm，只要一个地方有足够多、足够重的原子覆盖电子，这个区域更终呈现的图像就是黑暗的，比如病毒的蛋白质外壳。

   

当然，部分原因是为了让透射电子获得足够的信号成像，如果样品太厚，就会变黑，所以样品要减少到100nm在这个厚度下，立体感很难维持。

   

说到制样，不得不说SEM和TEM样品是一个大学问题，提取病毒后不能立即拍摄。

   

   

例如，等离子体将被用来镀金生物样品

   

部分操作与分子烹饪非常相似，如液氮、真空环境等，下一篇文章简要讨论，感兴趣欢迎关注。

   

结语

   

"It is very easy to answer ** ny fundamental biological questions; you just look at the thing!" Richard Feyn ** n

   

恐惧来自未知，没有什么比看到敌人更放心了。从视觉识别、光学显微镜到直接看到COVID-19的SEM和TEM，人类的历史是求索并创造的史诗。

   

对病毒，我们已经有了比前人更强大的武器，应该有足够的信心，平和而坚定地面对它们。