專業 物理

從微米到奈米: 光學顯微術的一大步

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撰文者:林再順、羅健榮
發文日期:2015-02-25
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  • 光學顯微術是人類超越自我感官極限的一個挑戰。透過對於物理光學原理的了解與各種光學元件的發展,我們從毫米進步到微米的解析度。然而,由於光學繞射極限的限制,我們一直無法突破光學解析度到更小的尺度。2014 年諾貝爾化學獎頒給突破這一個光學繞射極限的兩種螢光顯微術。由於這一些新的技術,光學顯微術的解析度從微米進步到奈米。這一個獎項需要生物、物理、化學的共通努力才能達到。

    現在,超高解析螢光顯微鏡已經成為前緣生物實驗的重要利器。

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13 顯微鏡的發明

      顯微鏡的發明和演進與科學的發展有許多強烈且重要的相關性,例如微生物的發現、細胞構造的發現、液晶的發現等。顯微鏡的第一位發明者無法確切的考據。但根據一名荷蘭外交官Willan Borel 信件中,複式顯微鏡最早的出現時間可以追朔到1595 年。一位荷蘭的眼鏡製造商Hans Janssen跟他兒子Zacharias,他們將兩片透鏡放置於套管中,藉由不同透鏡組合使光線折射,可以使物體的像放大[1],但是沒有具體的觀察結果記錄下來。而第一位將顯微鏡應用於科學用途的科學家是伽利略(Galileo),在1610 年他開始觀測昆蟲的肢體,並在1624 年將他的顯微鏡展示給不同的人,隔年1625 年伽利略把觀測的昆蟲畫成圖發表,成為了目前文獻上第一個利用顯微鏡觀測發表的文件,當時的義大利學術院士Giovanni Faber 為這樣的儀器命名為「顯微鏡(microscope)」,是根據希臘字μικρόν (micron) 微小的意思,與σκοπεν (skopein) 察看的意思而命名。

      在17 世紀初期,顯微鏡實際上被拿來應用的例子不多,直到1665 年,

    虎克(Robert Hooke) 出版了「微物圖解」(Micrographia) 一書,在書中他詳細的描繪出他設計的顯微鏡以及所看到的影像( 圖一),記錄了令人驚艷的手繪圖解。其中有一份是他觀測軟木塞的薄片,看到了整齊排列像盒子形狀的組織,他覺得這就像是一間間的小房間,於是將這樣排列的單體稱為了細胞(cells),成為了第一個發現「細胞」的人,但他看到的其實是已經死亡的植物細胞壁,並非真正的活體生物。


    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13從微米到奈米:光學顯微術的一大步

     事實上,虎克設計的顯微鏡,已經是現代顯微鏡的雛形,含有支架,鏡片組與光源。他設計了雙凸透鏡的組合來放大物體,但由於當時的鏡片,光在折射時會有嚴重的色散與球面像差,為了解決這個問題,虎克在顯微鏡中加入了小光圈,遮蔽外圍色散的光線,增加影像的銳利程度。但是因為光圈遮擋住了許多的光線,使得亮度下降而觀察變得困難。因此虎克在樣品前放置了一個裝滿水的玻璃球,將玻璃球後面油燈的光線聚集來照明,以降低了小光圈的影響。

     

    閱讀全文(物理雙月刊 37卷1期, 2015/02)

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