显微镜是一种起放大作用的科学工具，起源可以追溯到16世纪，显微镜的发明和发展是人类对微观世界的认识和探索不断深入的结果。清华大学科学博物馆在2023年年初推出线上展览“双校记：透过显微镜看哈佛与清华”，该展展示了清华大学与哈佛大学所使用、制造和收藏的众多类型的显微镜，从一个侧面折射了两所世界著名大学在科学教育、科学研究以及历史收藏等方面的成长与发展。
科博沙龙现场
为了帮助观众更好地理解这个展览，清华大学科学博物馆特别邀请清华大学医学院谢兰副教授开展一场显微镜的科普讲座，旨在介绍显微镜的基本原理、分类和发展史，并讲述显微镜在医学、生物、材料等领域中的广泛应用。以下内容根据谢兰副教授在科博沙龙上的演讲整理而成，文字已经作者本人审定。
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显微镜名字的由来
显微镜，英文叫microscope，它实际上有两个含义， Micro是微小的意思，后面scope是观察的意思，加起来就是观察微小物体的器具。中文“显微”一词中的“显”可以有两种含义，一为明显，二为显现，“微”意为小的，两者组合起来，表达了显微镜这一工具的特点和作用。
现代常用的复合显微镜，实际上就是多个透镜的组合，所以叫复合。我们在实验室通常见到的显微镜都是这样的结构，有目镜、物镜、载物台、光源等，载物台可以放置一个标本，下面是它的光源。目镜跟物镜总的放大倍数相乘表示显微镜的放大倍数，比如我们常用的目镜一般是10倍镜，物镜可能有5倍、10倍、20倍、40倍，一会我们给大家介绍的油镜，它的物镜可以达到100倍。
显微镜的成像原理，基于透镜的光学原理，首先是通过物镜可以成一个倒立的放大的实像，然后再通过目镜，成一个正立的放大的虚像。通过这样两个透镜，我们就可以肉眼观察到非常微小的一些细节。
显微镜的发明与发展
第一台显微镜的发明者是谁？业界对这个问题争论不一。大概在16世纪的时候，有好多科学家都在使用透镜来放大物体，比如眼镜制造商詹森父子也是使用了两个透镜来放大一个物体，当时的放大倍数大概是9倍。不管如何，列文虎克被公认为显微镜研究的奠基人。清华大学科学博物馆的线上展览“双校记”便展出了哈佛收藏的列文虎克型的单式显微镜。
说起17世纪的荷兰商人列文虎克（Antony van leeuwenhoek ，1632-1723），他既不是科学家，也不是眼镜制造商，而是一个布商。但他特别喜欢透镜，一生中做了几百个不同的透镜，技艺十分高超。当时他做出来的显微镜，可以把物体放大200多倍，不逊于我们现在所使用的光学显微镜。我们现在可以使用10倍的目镜，配合20倍或者40倍的物镜，放大到200-400倍。
我们在讲微生物、胚胎学等基础学科的通识课程时，通常都会说列文虎克是这个学科的奠基人。因为有了这些工具之后，他就可以去观察很多不同的物体。比如，他观察细菌，掏自己的牙齿里的牙菌斑进行观察，当时他就观察了球菌和杆菌等不同形态；他也会观察精子、皮肤细胞、植物细胞等等。所以对于现代生物学、细胞生物学来讲，他的观察结果具有非常重要的奠基作用。
很遗憾，列文虎克的技艺虽然超群，但是他没有收徒弟，所以在他去世之后，显微技术没有得到很好的传承。但是后来的科学家继续着不同类型显微镜的发明。17世纪英国的一位杰出的科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635年-1703年）发明的显微镜特别像今天的复合显微镜，下面有一个物镜，上面有一个目镜，两个放透镜的组合进一步提高了放大倍数。大概在十八、十九世纪的时候，英国、德国的显微镜制造得到了快速发展，对当时显微镜的机械性能、颜色失真等方面进行了纠正，使得复合显微镜慢慢地接近今天的水平。
显微镜的代表性分类以及在现代医学中应用
刚才我们提到油镜，它通过加香柏油提高显微镜的放大倍数。如果不加油，大部分光线会被折射、反射掉，不能够进入到物镜中；如果加一点油的话，它的折射率跟玻璃非常接近，就会避免一些光线损失，得到更好的放大倍数。如果物镜可以达到100倍的放大倍数，跟目镜乘起来的话，就可以把物体放大1000倍，因而油镜在微生物领域应用比较普遍。
下面，我们来看一下不同尺度的事物。首先是毫米量级，我们肉眼可以看到一个蛙卵；百微米量级，可以看到人的卵子，人的卵在我们体内规则细胞里体积最大，与花粉等量级；再小一点，我们看到的是植物细胞或者是人的体细胞，像上皮细胞、白细胞等等；再到10微米左右，出现的是人体的红细胞；再往下到了微米的尺度，我们可以看到细菌、线粒体；再往下百纳米的尺度，出现的是病毒；10纳米左右的时候，我们看到的是一个大分子，例如蛋白，然后纳米级别以及更小量级的时候，我们看到原子。这是我们的生物世界里面从大到小的尺度分布。了解了这个尺度，可以帮助我们确认使用什么倍数的物镜。
显微镜在微生物学的应用特别地重要，如果把显微镜跟一种特殊的染色方法结合起来，就能够解决微生物领域非常重要的一个问题——细菌鉴别。通过比较有代表性的革兰氏染色法，可以把细菌基本上分成两类，一类叫革兰氏阳性菌，一类叫革兰氏阴性菌。这两类细胞的细胞壁非常地不一样，我们就是利用这种差异进行区分。第一步，用结晶紫去染它们，因为它们都有肽聚糖，可以吸附染料，它们都被染成紫色；第二步媒染，实际上是加固第一次染色；第三步脱色，我们用有机溶剂，比如乙醇可以把颜色脱掉，这个时候的两种细胞就不一样了，像阳性菌的肽聚糖非常地厚，不太容易被脱色，所以保留了紫色，但是阴性菌特别容易被脱色；第四步，差异染色，我们一般是番红染色，染完之后，革兰氏阳性菌会呈现紫色，而阴性菌就会呈现粉红色，通过简单的染色法，就能告诉医生到底可能感染了阳性菌还是阴性菌，鉴别范围就被大大地缩小了。
然后再来看立体显微镜，它的放大倍数可能没有那么高，但是载物台的操作空间非常大，我们甚至可以摆一只小老鼠进行解剖。我们可以在体视镜下面进行很多的微观操作，比如说体外受精，所以体视镜又称为操作解剖显微镜。
还有一种大部分科研实验室都会配置的倒置显微镜，它的物镜移到了样品的下方，所以叫倒置显微镜，它主要是为了观察容器的底面。随着技术的发展，我们还可以进行实时动态的连续观察，比如在台子上放一个培养腔室，腔室里可以放细胞，然后外面接好二氧化碳、氧气，给它提供一个适宜的生长环境，然后我们就可以连续观察细胞不断生长增殖的过程。
在使用过程中，普通的荧光显微镜有一个问题，比如说观察一个很厚的标本，图像就会非常地模糊。这时，我们就会使用到共聚焦显微镜，全称又叫共聚焦激光扫描显微镜。它采用一个点照明和光学共轭平面上的一个针孔来消除失焦信号，使薄的“光学切片”成为可能。我们在不同的焦平面上进行成像，再通过三维重构的技术，就能得到生物体的3D图像，这是我们现在能够达到的比较好的技术水平。
最后跟大家分享的是电子显微镜，电子既具有粒子的性质，又有波的性质，我们通过在样品上发射加速电子束来生成图像，它的分辨率可以大大地增强，达到纳米级别。光学显微镜看病毒很困难，但是使用电子显微镜就可以清晰地看到它的形态。从类别上来讲，电子显微镜又可分为扫描电镜和透射电镜。顾名思义，扫描电镜就是我们观察物体的表面时发射电子束到物体的表面进行成像，我们在成像细胞上可以看到表面各种的凸起以及细胞外基质的沉积。透射电镜则是指电子束可以穿过薄层，然后再穿过样品去成像，可以帮助我们看到细胞的内部形态，比如我们在胰腺导管癌细胞的透射电镜图像中可以看到很多的异常线粒体，科学家通过分析认为，这种异常线粒体其实是加速了癌细胞的生长。
责编｜伊墨
视觉｜翟天翊
摄影 | 孙德利
鸣谢 |清华大学医学院
