从原始人类第一次抬头仰望天空开始，与生俱来的好奇心就从未停止驱使人类去深入探索头顶上那片浩瀚的空间。从尺度上来说，人类的观察总是朝着两个极端发展——无限大和无限小。前者表现在人类对天文学、宇宙学的研究，后者表现在对显微技术的探索。可是长期以来由于技术限制，人类的观察总在肉眼层面上进行，纵使目眦尽裂也无法看得更清楚。
在微观方向上，从17世纪中叶英国博物学家、发明家罗伯特·胡克发明第一台光学显微镜以来，显微镜已经发展成了一个庞大的家族。显微镜按成像原理主要分为光学显微镜和电子显微镜两大类。光学显微镜又可以根据不同的样品处理技术、不同的显示原理、不同的成像位置等分为暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜和共聚焦显微镜等多个子类。电子显微镜也可分为透射电子显微镜和扫描电子显微镜两大类。
不同显微技术的极限分辨率从肉眼的0.2毫米，到光学显微镜的0.2微米，再到电子显微镜的0.2纳米，每一个台阶的跨越都是科学家艰苦卓绝努力的结果。其中最让人着迷的要数放大能力最强的电子显微镜了！
透射电子显微镜：每天拍摄3000张照片。（图片来源：人民网）
电子显微镜
根据光学原理，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一，而可见光的波长在400~700纳米之间，所以光学显微镜的极限分辨率为0.2微米。再往下要寻求更短的波长只能根据德布罗意提出的物质波原理，使用不易产生衍射的电子的物质波来成像了。
电子显微镜主要分为透射电子显微镜和扫描电子显微镜，二者都是利用与样品相互作用的电子来成像的，但二者的成像原理差异不小。
透射电子显微镜，顾名思义，其原理就是利用电子束穿透样品，再用电子透镜成像放大以获得样品的显微结构。它的光路与光学显微镜很相似。因为电子束要透过样品才能成像，所以样品必须非常薄，这正是限制其使用范围的重要因素之一。
扫描电子显微镜与前者不同，它是利用电子束轰击样品表面，从而使样本表面原子的电子被激发后从原子里逃出来，成为次级电子。根据次级电子在显像管的荧光屏上的成像来推知样品的表面结构。
显微镜下的新型哥布林蜘蛛。（图片来源：人民网）
放大极致微小，探索生命奥秘
电子显微镜依靠其强大的放大能力，在生物学界，尤其是结构生物学界常常是必不可少、“呼风唤雨”的主角。
我们知道，人类生命活动的物质基础最终的落脚点在于细胞中许许多多的微观分子。工欲善其事，必先利其器，要探究生命的本源就必须了解这些分子的结构和功能，而这，就需要电子显微镜的帮助。
生物学中的大分子常常需要一种特殊的扫描电子显微镜来研究——冷冻电镜。它的特殊之处在于使用了快速冷冻技术。这项技术可使水在快速低温处理下呈玻璃态，减少冰晶的产生，防止对样品本身结构的影响。这是因为生物大分子一般需要保存在水中，而水中的大分子会移动，因此利用快速冷冻技术可以用玻璃态的水来保护生物大分子，同时还可以限制它的运动范围。
2015年8月，清华大学的施一公教授在国际顶级期刊《科学》上发表了两篇原创文章，文章中就使用了冷冻电镜来解构一种非常重要的蛋白分子。这种蛋白分子是所有真核细胞基因表达所必须的，其生物学意义非常重大！在探索生命终极奥秘的旅途上，人类因此又迈出了重要一步，这就是电子显微镜在生命科学领域带来的跨时代进步！
（图片来源：人民网）
局限与发展
众所周知，越是精密的仪器，操作越严格，使用条件越苛刻，电子显微镜也是如此。除了购买和维护的价格都非常高之外，还有很多技术上的限制。
电子显微镜的样品必须放在真空环境中观察，因为设备内部的气体会把电子束散射，影响显微效果。透射电镜的样本必须非常薄，否则电子束无法穿透，这对样品处理操作提出了很高的要求。这种处理方式常常会损伤样本，因此得出的物质结构可能与实际环境中不同。
电子显微镜的不足之处有很多，但是在科学家的不懈努力下，也有很多可喜的进步，像以前无法用透射电镜观察的活样本现在也可以逐渐使用扫描电镜来观察了。总之，随着技术的进步，电子显微技术的局限会逐步缩小，使用范围会越来越大，探寻的领域也会越来越宽。
（王懂）
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