显微镜的萌芽
长久以来，地球上生活着各类物种，有植物，动物和微生物等。小麦，水稻等作物源源不断地为人类提供粮食，猎犬耕牛等协助人类狩猎耕种。然而长久以来，我们都不知道微生物才是我们形影不离的最亲密伙伴，它们或帮忙酿醋制酒，或侵入人体危害健康。直到显微镜的出现，我们才意识到这个看不到的世界。
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很久以前就有人发现当透过一块中间厚边缘薄的透明水晶看东西时，眼中看到的物体图像比实际物体看起来更大，并且这种水晶可以聚焦太阳光线，点燃羊皮纸。到13世纪末期，这些透明水晶已被广泛使用，称之为透镜。当时人们只能用它来观察跳蚤或一些小的爬行动物。大约在1590年，荷兰眼镜商詹森（Zaccharias Janssen）和他的儿子汉斯（Hans）发现，当把几个透镜放到一个管子里时，放大的效果远远优于单个透镜，这就是复合显微镜和望远镜的前身。
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终于有一天，在荷兰一家杂货店里，一位学徒在店里用放大镜来数布上细线之余，偶然找到了研磨抛光大曲率微小透镜的新方法，这使他后来能够制造出放大倍数更高的显微镜，他就是列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）。当把两块透镜放在一起观察时，他惊讶地发现了一些从来没见过的“小动物”。此后，他用他的组合透镜对各种各样的生物和非生物进行了开创性的研究。
自此，显微镜有如一把出鞘的利剑，破开了层层蒙在客观世界上的面纱，也逐步地扫除了一系列神秘主义引起的封建迷信。随着一代代 “匠人”科学家的不断打磨与创新，利用不同的物理，化学和生物原理，发明了诸如光学，荧光，电子显微镜，极大地提高了显微镜的精度和应用领域，使得显微镜成为科学发展史上不可忽视的璀璨新星。
列文虎克用自制的显微镜观察细菌及原生物
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现代光学显微镜
现代普通光学显微镜通过目镜和物镜两组透镜系统来放大物体并成像，因此又称为复式显微镜。它们由机械装置和光学系统两大部分组成。机械装置包括镜座、物镜转盘、载物台、调焦螺旋等部件，是显微镜的基本组成单位，主要作用是保证光学系统的准确配置和灵活操控，在一般情况下是固定不变的。而光学系统由物镜、目镜、聚光器等组成，是显微镜的核心，直接影响着显微镜的性能。一般的显微镜都可配置多种可互换的光学组件，通过这些组件的变换可改变显微镜的功能，如明视野、暗视野、相差等。
现代光学显微镜刨面图
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暗视野显微镜
活细菌在明视野显微镜下观察是透明的，很难观察。暗视野显微镜则通过特殊的聚光器实现斜射照明，给样品照明的光不直接穿过物镜，而是由样品反射或折射后再进入物镜。因此，整个视野是暗的而只有样品是明亮的。正如我们在白天看不到的星辰却可在黑暗的夜空中清楚地显现一样，在暗视野显微镜中由于样品与背景之间的反差增大，可以清晰地观察到在明视野显微镜中不易看清的活菌体等看似透明的微小颗粒。更厉害的是，即便所观察微粒的尺寸小于显微镜的分辨率，依然可以通过它们散射的光而发现其存在。因此，暗视野法主要用于观察活细菌等的运动性。
显微镜明/暗视野示意图
沈萍. 陈向东. 微生物学. 高等教育出版社
相差显微镜
在不经过任何染色等方法处理样品的情况下，仅利用普通光学显微镜观察样品的形态和内部结构往往是十分困难的。这是因为当光线通过比较透明的标本时，光的波长（颜色）和振幅（亮度）都没有明显的变化。然而，由于细胞各部分的折射率和厚度的不同，光线通过这类标本时，直射光和衍射光的光程就会有差别。随着光程的增加或减少，加快或落后的光波的相位则会发生改变，产生相位差。相差显微镜配备有特殊的光学装置，可以利用光的干涉现象，将光的相位差转变为人眼可以察觉的振幅差（明暗差），从而使原来透明的物体表现出明显的明暗差异，对比度增强。正由于样品的这种反差是以不同部位的密度差别为基础形成的，所以相差显微镜使人们能在不染色的情况下，比较清楚地观察到在普通光学显微镜和暗视野显微镜下都看不到或看不清的活细胞及细胞内的某些细微结构。这是显微技术的一大突破，为此，其发明人泽尼克(Frits Zernike)获得了1953年的诺贝尔物理学奖。
相差显微镜
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对任何显微镜来说，分辨率都是决定其观察效果的最重要指标。这是因为分辨率越高，最小可分辨距离就越小，放大后的图像才越清晰。相反，如果分辨率不够，图像即使被放大也是模糊的。物理规律告诉我们，波长越短的光源所能提供的最小分辨距离越小，即分辨率越高。这是因为用于形成物像的光波须穿过样品，波长越小的光能穿越的间隙也越小，形成的物像也越清晰。相反，二个物像点的间距如果小于波长将无法被光波穿过，成像后只能形成一个模糊的点，即无法被辨析。光学显微镜即使在使用最短波长的可见光作为光源时其最大分辨率也只能达到0.18 um。因此，光学显微镜有效的最高放大倍数只能达到1000~1500倍，如果想要观察更加精细的结构，则需要分辨率更高的显微镜。
波长与分辨率的关系
沈萍. 陈向东. 微生物学. 高等教育出版社
荧光显微镜
某物质吸收某种波长的入射光能量后进入激发态，随即释放能量发出比入射光波长更长的出射光的现象称之为荧光。发荧光的物体会在黑暗的背景下表现为光亮的有色物体，荧光显微镜就是利用任何荧光生成图像的显微镜。荧光物质已广泛的用于各种化学生物研究中。其中一些荧光小分子能够结合目标生物分子，如核酸染料可以结合DNA的微小凹槽，从而标记细胞核；荧光素可以与不同的分子化学连接，从而在样品中结合并发现靶标。此外，科学家可以在靶蛋白后边融合荧光蛋白，直接跟踪蛋白质的位置。
牛肺动脉内皮细胞（蓝色），微管（绿色）肌动蛋白丝（红色）
荧光显微镜成像
https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence_microscope
透射电子显微镜
由于解析物体细节的能力受到所使用光源波长的限制，在 20 世纪初人们开始尝试用波长更短的电磁波取代可见光来放大成像，以制造分辨率更高的显微镜。电子束具有短波长电磁波的性质，其波长与运动速度成反比，速度越快，波长越短。电子束通过电磁场时会产生复杂的螺旋式运动，最终如光线通过玻璃透镜时一样，产生偏转、汇聚或发散。结合荧光屏显示或感光胶片可以将这些肉眼不可见的信息转化为肉眼可见的图像。根据该原理，1933年，德国人恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）制成了世界上第一台以电子作为“光源”的显微镜——电子显微镜。为了表彰鲁斯卡及后来发明扫描隧道显微镜的格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）在显微技术方面所做的开创性工作，1986年他们3人共同获得了诺贝尔物理学奖。
金黄色葡萄球菌透射电镜成像（50000放大）
https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜是另一类电子显微镜，通过用聚焦电子束扫描样品表面来产生图像，好比通过触觉感知传递信息的盲文。电子枪发出的电子束作为电子“探针”，在样品表面进行扫描，电子束扫到的地方就可激发样品表面放出二次电子以及一些其他信号，其中包含有关样品表面形貌和成分的信息。这些信息可被探测器收集整理，并由闪烁器转化为光信号，经光电倍增管和放大器转变为电压信号来控制荧光屏上电子束的强度。这样一来，样品上产生二次电子多的地方，在荧光屏上相应的部位就越亮，从而得到一幅放大的样品立体图像。
扫描电镜下的花粉粒
https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
结语
借助显微镜，人类发现了微生物，了解了病原菌，破除了瘟疫的迷信，极大的促进了现代医学的发展。我们解析了小小细胞的内部结构，知道了蛋白质是如何工作的，试图理解了这些小分子是如何一起协作构成这大千世界的。现在，我们正在学习和利用这些知识，模仿自然界分子的组装和组织形式，试图去改造核酸，蛋白质等分子，甚至创造自然界不存在的物质，促进人与自然的和谐相处。我们不仅善于探索世界，我们将更加擅长改造世界。路漫漫其修远兮，在这条探索生命奥秘的通幽小道上，显微镜将是是最浓墨重彩的一笔。
参考文献：
沈萍. 陈向东. 微生物学. 高等教育出版社
https://www.thoughtco.com/history-of-the-microscope-1992146
作者/阿毛
审核/鸿鹄居士
编辑/麦旋风