【科普】光学显微镜发展简史

在很久以前，世上还没有光学仪器的时候，一位生物学家在研究微小植物的叶脉时，遇到了困难。一个夏天的早晨，这位生物学家漫步来到树丛中观察植物在晨光照耀下的状态，看见那吐出嫩叶的生命，含苞待放的花朵，清纯的雨露和阳光，这一切都使他陶醉在绚丽多彩的绿色海洋里。突然，他被一片小小的嫩叶上面的露珠所吸引。当他透过绿叶上的露珠看叶片时，这部分的叶面被放大了，叶脉图案清晰地映入他的眼帘。他惊奇地发现，露珠有放大物象的作用。科学家根据这个宝贵的发现，进一步又做了其他试验：把透明的宝石抛光成曲面罩在字迹上，字迹可以被放大；盛了水的玻璃球，也有同样的作用。

罗马哲学家塞涅卡（前4—前65）在他的著作里记载了一个民间广为流传的故事：希腊科学家阿基米德（前287—前212）在他的家乡西西里岛被罗马舰队侵犯的时候，用了一种“燃烧玻璃”（实际上是一种透镜状的玻璃球），把太阳光聚射到敌舰船的风帆上，使风帆吸收大量的太阳光而变热燃烧起来，烧毁了罗马舰船，使罗马舰队以失败而告终。

当然，现在利用透镜取火的事例已屡见不鲜了。孩子们用爷爷奶奶的老花眼镜对着太阳聚焦，可以点燃手中的纸屑；世界各地大型运动会的火炬，也是用曲面金属或曲面玻璃镜采集火种的。但是在古代，玻璃是一种很稀罕的物质，要制造透明度很高的玻璃球，更是一件很困难的事。

1900多年以前，罗马学者普里尼在他的巨著《自然史》中，记叙了一个有趣的故事：一艘罗马帝国的船只装满了苏打（碳酸钠）。一天，船在海洋中航行时，飓风突起，船被迫在海湾里停泊，船员们走上岸去，准备架起炉灶烧火烤衣服、做饭吃。谁知在一望无际的海滩上，连一块石头也没有，全是石英砂粒。用什么来架锅做饭呢？一个水手突然想起船上有不少像石头一样的苏打块，于是，大家动手搬来放在沙滩上作为支锅的石头。饭锅架好了，点燃柴枝做饭。过了不久，饭煮熟了，衣服也烤干了，大家也吃过饭了。当休息片刻后船员们去搬苏打块回船上时，奇迹出现了：炉灰中竟有一些闪亮的小球珠——这就是世界上第一次见到的玻璃球。它是由海滩上的石英砂（二氧化硅）和苏打（碳酸钠）受热后化合而成的物质。

据考证，虽然罗马人约在2000年前就使用放大透镜，但玻璃透镜是在13世纪诞生的。

然而，古时候人类烧制的玻璃球多半不够透明，颜色深，也不太圆。在18世纪，一位法国地质学家偶然发现了一个埋藏在里维山岩洞里的墓穴，里面葬着3400多年前的一位埃及女王，墓中随葬物品很多，最值得研究的是少妇脖子上挂着的一串玻璃珠球，它呈墨绿色，形状不规则，多为椭圆形，反光不太强。

科学家们认为，由于当时烧制玻璃的温度还达不到要求，原料不够纯，杂质过多，因而无法烧出晶莹剔透、无色浑圆的玻璃珠球。在欧洲的克利岛和小亚细亚，曾出土过粗糙的透镜，它们的诞生年代，可以溯源到公元前2000年。

13世纪，英国的学者罗伯特·格罗西泰斯特（1175—1253）和他的学生罗杰·培根（1220—1292）在观察光线通过玻璃球时，不知道光发生了什么变化，只发现物体被放大了。从此，培根用透镜放大书页上的文字，帮助自己阅读。

大约在1300年前，意大利人开始使用眼镜。最初的眼镜是用双凸镜制成的。它能放大物体，对老年人尤其有用。后来人们又制造出双凹镜，即两个表面向里凹，边缘厚而中央薄。通过它看物体似乎变小了。这种透镜可以帮助人们纠正近视（即近视眼镜片）。

自16世纪以来，眼镜制造成了一项重要的行业。尤其是望远镜发明者汉斯的故乡荷兰，眼镜制造业最为发达。他们不仅能够制造双凸透镜或双凹透镜，还能够制造一面凸一面凹的透镜，手工精巧，成为了名副其实的眼镜制造王国。

魔镜的诞生

16世纪后半叶，荷兰眼镜制造商查里艾斯·詹森（1580—1683）是一位高明的玻璃透镜专家。他不仅会磨透镜，而且也善于研究使用透镜。

图1：詹森复式显微镜 

1590年，他偶然将两个不同的透镜重叠起来，当两个透镜之间的距离适当的时候，看到实物被放大了很多。这在当时来说，简直是一个奇迹，人们把它称为“魔镜”。詹森把两块透镜装在两个不同口径的铁筒里，使一大一小的铁筒互相套合起来，小的铁筒可以在大铁筒内滑动，以调整透镜之间的距离，还用第三个更大的铁筒将那两个铁筒套住——这就是“复式显微镜”的雏形。

这台具有划时代意义的显微镜，现在仍保存在荷兰东兰德省科学博物院里。

1605年，詹森又用镀金铜片做套筒，并用生铜铸造海豚的蹲像作为支架的装饰，做了一台更加精致的“魔镜”，可以把物体放得更大一些。初期的“魔镜”主要用来观察昆虫。小小的昆虫在“魔镜”下面，跳蚤的爪子竟变成像猛兽般的利爪，连细小的绒毛也变得像缆绳一样粗。
伽利略于1610年曾用“魔镜”研究过昆虫的生理解剖结构。“魔镜”又称为“光镜”，它的年龄要比望远镜（1610年诞生）大20来岁。但正式被命名为“显微镜”，是在1625年从意大利叫开的。是什么原因令人们冷淡地看待这种仪器呢？因为它问世之后，不像望远镜那样很快在科学上作出重大发现，它的作用和功能还未被人们所知，从发明到广泛使用，中间有一段较长的时间。

有一天，一位教师使用詹森制造的显微镜观看一滴污水，获得了人类前所未有的新发现。他竟然看到了水中有许多“活”的东西，正在做各种各样的运动。这些东西平时用肉眼是看不见的。这些新发现的“小东西”，就是现在大家已经熟悉的细菌和微生物。

后来，生物学家们证实：这些物质对于人类是十分重要的，如发酵、酿酒、制药等都离不开它们；但它们又会不断地给人类制造灾祸，如令食物腐烂和传染疾病，甚至造成人畜死亡。

从此，人类开阔了眼界，知道宇宙间除人们熟悉的日常生活的世界外，有遥远的天体世界，还有另一个微观世界，需要人类去认识它，揭开它的奥秘。

1625年，塞鲁蒂第一个发表了他用显微镜对各种蜜蜂所作的观察成果。他在著作中所介绍的有关蜜蜂的形态和结构，比以前那些养蜂专家和生物学家所描述的要详尽得多，因而引起了学术界的极大兴趣，认识到显微镜在科学研究中的巨大作用。

17世纪后半叶，对显微镜的研制得到了较快的发展，它也逐渐被应用到生物学和医学的研究方面。

1665年，英国物理学家弗克（1635—1703）对显微镜作了改进，用它观察了植物的细胞和昆虫等，并正式出版了他的《显微图志》一书。他在书里汇集了对荨麻叶片、虱子的解剖及昆虫的眼睛等观察到的精细图片。他第一次描述了软木（栎树皮）和其他植物组织中存在的蜂窝状的“小室”，称之为“细胞”。这是人类发现细胞结构的第一个证据。
同年，意大利解剖学家马尔皮基研制了一台较好的显微镜，用来观察肾和脾的切片，发现了肾小球和脾脏的淋巴团。

弗克制造的显微镜比较精细，在精巧装饰的镜筒两端，装有一个简单的物镜和一个目镜透镜，照明装置是使用蜡烛或酒精灯。这种显微镜的放大倍率为30—40倍，在技术上已经显示出一定程度的完备性。弗克对细胞的发现，使生物学家知道世界上一切有生命的东西都是由细胞所组成的。于是，人们开始探索各种细胞的构造和功用，寻求对微观世界奥秘的新认识。依靠光学显微镜的帮助，人们逐渐找到了疾病发生的原因，知道了鼠疫、霍乱、痢疾、白喉、麻风以至皮肤上的疮疖等，都是由细菌的作用引起的。在找到这些杀人的凶手后，人们便致力研究对付的办法，从而大大增强了人类预防疾病和治疗疾病的能力，拯救了千千万万人的宝贵生命。

光学显微镜还被广泛地应用到工业、农业、科学和教育等各个方面，成为人类认识自然和改造自然的有力工具。例如铁和钢的秘密，在显微镜下，铁是由白色的纯铁粒子组成的，而钢是由两种形状不同的铁粒子和碳粒子组成的，即是铁和碳的化合物。可见，显微镜又能为人们研究金属的构成提供科学的手段。

 列文虎克与显微镜

列文虎克（1632—1723）生于荷兰德尔夫特。小时候，他的家境贫寒，16岁开始当学徒，6年后自己开了一家小商店。他没有受过任何正规教育，但他从小勤奋好学，善于观察和研究事物，对大自然很感兴趣。青年时代，他学会了用玻璃制造透镜。 1675年，他开始制作显微镜，并用于观察研究微观世界。

1704年，在列文虎克72岁时，发表了他一生研制显微镜所取得成果的著作。

据统计，他一生共制造了247台显微镜和172个镜头：他为荷兰皇家学会装备了一个包括26台显微仪器的实验室，在开拓和研制显微镜方面功不可没。 

图2：列文虎克发明的单片显微镜

列文虎克对显微镜研制的贡献在于，他不仅能磨制各式各样的优质透镜，还精心研制出一种曲率很大的小型显微镜。这种显微镜由两片连接很紧的铜板或银板组成，在两块金属板的开口孔之间装有一个很小的大曲率透镜，透镜的焦距在1毫米以下。观察时把物体放在针尖上，针尖用两个螺旋调节聚焦，眼睛紧贴对光观察。它看似很简单，但放大率为240—280倍，能分辨1/700毫米的精细物体。
在17—18世纪里，其他人制造的显微镜都没有一个能够超过它。列文虎克用他的显微镜探索了许多领域，并取得了重大的突破：
1668年，他用显微镜证实了意大利马尔比基关于毛细血管的发现。
1674年，他观察了鱼、蛙、鸟类的卵形红细胞和人类及其他动物的红细胞。
1675年，他发现了青蛙内脏中寄生的原生动物，在当时的生物界引起了震动。
1677年，他描述了哈姆雷发现的动物精子，并证实了精子对胚胎发育的重要性。
1683年，他发现了细菌。他从一位老人的牙缝中取出一些牙垢，放到显微镜下面观看，发现有的细菌像火柴棍，有的像小球，有的细菌边上还长着绒毛在不停地游来游去。
他的发现引起了人们莫大的兴趣。很多人都想通过他的显微镜看一下那个细菌的新世界，以饱眼福，甚至连荷兰女王也不例外。
与列文虎克同一时代人，如意大利的马尔比基（1628—1694）、英国的格鲁（1628—1712）等，他们在研制显微镜的技术方面，也有其独到之处。
但是在列文虎克以后的100多年间，显微镜的研究却再没有取得多大进展。显微镜同望远镜一样，也同样存在色差问题。在显微镜下，本来是一个无色的薄片，却出现了各种颜色，使人们不能准确地观察那些微小的物质，甚至还会产生一些误解。
不久，瑞典物理学家克林根施蒂仑（1698—1765）研制了一种无色差的镜片，但未能达到实际应用的程度。
1757年，英国数学家多兰德（1706—1761），采用了数学家霍尔在1722年所发表的球面差计算方法，改进并纠正了显微镜上各透镜的曲度，从而制出了第一台几乎没有色差的显微镜。 

英国显微镜之父罗伯特﹒胡克
随后英国显微镜之父罗伯特﹒胡克仿制了一台与列文虎克一样的显微镜，并证实了列文虎克关于水滴中微小生物体的发现，罗伯特﹒胡克根据自己的设计将列文虎克的显微镜进行了很多改进，但罗伯特﹒胡克因为发现了弹性材料的弹性定律而更为人所知。

图3：罗伯特·胡克的显微镜

 1655年罗伯特﹒胡克应化学家罗伯特﹒波义耳的邀请到牛津大学进行科学研究，并成为了波义耳的助手。罗伯特﹒胡克1665年创作了《显微镜》一书，首次对细胞(Cell)一词命名。
光本质的问题上，罗伯特﹒胡克与当时的科学巨匠牛顿产生了极大的分歧，牛顿认为光是粒子，而主张波动说的罗伯特﹒胡克认为光是波。由于牛顿在科学史上的伟大地位，罗伯特﹒胡克此后受到了打压，但罗伯特﹒胡克敢于挑战科学权威的勇气还是令人敬佩的。 蔡斯公司的兴起
攻克显微镜的色差问题，是当时光学专家的主要课题。
1816年和1824年，意大利光学专家恩米西、塞法列，分别制成了无色差的显微镜，但均由于放大率太低而没有引起人们的重视。
1838年，德国植物学家希莱登用显微镜发现了新鲜的植物细胞。第二年，德国动物学家希旺又发现了动物的新鲜细胞，从而为生物学、医学的发展打下了基础。
19世纪中期，德国耶那大学机械系的一个普通工人蔡斯，看到当时科学研究、生产部门、学校、医院等对显微镜的需求量很大，从而产生了制造显微镜的浓厚兴趣。他于1846年离开耶那大学，集资专门经营显微镜制造业，在莱比锡设立了一个小型工厂。后来，耶那大学物理教授阿贝和该校的玻璃技师肖特博士也加入进来，共同办起了蔡斯公司。
由于蔡斯本人懂点机械，物理教授懂光学，玻璃技师会磨制透镜，他们三人齐心合力，使制造显微镜的事业兴旺发达，规模也一天天大起来。从此，蔡斯公司所生产的显微镜，以质量高、效果好、功能多样而闻名遐迩，在全球打开了销路。至今它仍然是世界上有名气的光学仪器公司之一。

图4：阿贝和他的纪念碑上的分辨率极限理论。

物理学教授阿贝在蔡斯公司工作期间，对研制显微镜的透镜作出了巨大的贡献。他于1878年制成数值孔径大于1.0的第一个油浸物镜，又在1883年制成了可矫正3种色彩的复消色差物镜，使显微镜的分辨能力大大提高，促成了生物学和医学上一系列的重要发现。例如，人们通过显微镜看到了细胞分裂（无性生殖）的过程，进一步搞清楚了有性生殖是雄性细胞核与雌性细胞核的结合，认识到细胞核是遗传物质的基础等。 从1590年第一台显微镜诞生至今，已经历了400多年历史。显微镜的质量越来越好，种类也越来越多。这个家族可分为下列几大类型：单式显微镜：它的光学组合比较简单，由一个或数个简单的透镜组成，放大倍数比较低。扩大镜是最简单的显微镜，常用的有三脚式扩大镜、折叠式袖珍扩大镜、罩眼扩大镜、手持式扩大镜等。
最初，三脚和罩眼扩大镜多用在绘像和修理钟表上，折叠式和手持式扩大镜则多用于生物学、矿物学、岩石学标本的观察、看图等。
日本推出了一种安装在钢笔上的小型扩大镜，可以放大50倍，用来观察细小的物质和结构，携带方便，不易损坏。复式显微镜，就是普通光学显微镜，主要用于观察细胞、病菌、微生物结构、组织、成分等，它能将人类的活细胞放大超过200倍。
此外，还有电子显微镜、生物显微镜、全相显微镜、岩相显微镜、偏光显微镜和量度、工具显微镜等。

 冰洲石和偏光镜
冰岛是北欧的游览胜地。它是一个由火山熔岩构成的小岛，到处都是黑色的火山岩石。这些熔岩里有许多矿石，如人们喜爱的玛瑙、晶莹透明的冰洲石等。1830年的夏天，一个天气晴朗的日子，一艘旅游船又抵达冰岛了，游客们纷纷上岸游玩。一个金色头发的男孩，看见地上有一块无色透明的有点像玻璃的石头，便拾了起来，拿在手上玩，但一不留神把石头掉在地上，摔成好些碎块。他的父母看见这些破碎的石头都惊讶起来，原来这些碎块都是同形状的菱形体，只是大小不同罢了。他们好奇地把碎石块拾起来放在衣袋里。傍晚他们回到住地，那位小朋友兴奋地观赏那些晶莹透明的小碎石，当他拿了一小块碎石罩在报纸上看时，突然间雀跃起来，大声地喊道：“爸爸你看，一个字变成两个字了，真奇怪！”
他父亲一看，也感到惊讶诧异！这位父亲是个细心的人，而且具有一定的光学知识。他在白纸上面用钢笔点了一个圆点，把透明矿石罩在这个黑点上，看见一个黑点变成了两个黑点，转动矿石时，一个黑点在原处不动，另一个黑点却绕着那个黑点转动。因此他认定，这种矿石在光学上很有价值。由于这种矿石是他们在冰岛上发现的，故取名为冰洲石。其实，这种矿石到处都有，它的化学成分是碳酸钙。在矿物学上，这种晶莹透明、结晶完整的晶体叫做冰洲石，而它的通称则叫方解石。
冰洲石不仅晶莹可爱，而且具有上述奇特的性能，因此在制造光学仪器上有其特殊的用途。透过它观察纸面上的一个点或一条线，会变成两个点或两条线。这在光学上称为“双折射”现象。其原因是一束光线射入晶体后，由于矿物各方向的光学性质不同，故分解成不同性质的两条光线。利用冰洲石的双折射和偏光性能，可以制造偏光显微镜、旋光测糖计、光度计、电影机中偏光棱镜、大屏幕显示仪、化学分析比色计以及天文望远镜等。
1841年，英国物理学家尼柯尔（1768—1851）用冰洲石做了一个有名的光学实验。他把冰洲石切割成长方形，然后沿对角线再剖开，并把剖开的面磨成很平很平的平面，再用树胶把剖开的两块黏合起来，用一束光射入这个经切割又黏合的晶体内。结果发现：当光射入晶体时，产生了两束光（双折射），当两条光线经过树胶时，其中有一条光线通过去了，另一条光就通不过而发生折射。通过去的那条光也改变了原来的性质，变成了偏光。
这个实验很重要，是制造偏光显微镜的理论基础。后来，尼柯尔根据实验的结果，把冰洲石制成显微镜上的棱镜，人们称它为尼柯尔棱镜，也就是现在的偏光镜。偏光显微镜，就是在普通显微镜的基础上，再装入上、下两个偏光镜而制成的。即在载物台的下方装入一个下偏光镜，在镜筒上装入一个上偏光镜，再加上聚光镜，就成为偏光显微镜。偏光显微镜，通常用来观察矿物和岩石。地质科学家们把矿物、岩石标本磨成很薄很薄（约厚0.03毫米）的薄片，当光通过薄片时，就能分辨出它的物质组成和结构特征。
偏光显微镜的类型很多，但基本构造相似。国产的有苏州光学仪器厂出产的XPA型偏光显微镜。世界上历史悠久、光学性能良好的偏光显微镜，要数德国的莱兹型偏光显微镜。

 显微镜在20世纪早期的发展
1903年奥地利籍匈牙利裔化学家里夏德﹒阿道夫﹒席格蒙迪(Richard Adolf Zsigmondy)发明了超显微镜，超显微镜是基于光散射而非反射，用来观察气体或胶体中的粒子。席格蒙迪命名为超级，因为它可以研究尺度在波长以下的物体，超的意思就是超出了波长的限制，而不是超级的意思，并于1925年获得了诺贝尔化学奖。席格蒙迪1897年加入了由Abbe与肖特(Schott Glaswerke AG)成立的肖特玻璃制造厂，在该厂工作期间，席格蒙迪对茶色玻璃进来了研究，还发明了一种玻璃，命名为“Jenaer Milchglas”。1890年席格蒙迪辞职，与蔡司合作研制了狭缝超显微镜，席格蒙迪可以测出玻璃中4纳米的颗粒。1907年他进入格丁根大学，成为有机化学教授，直至1929年2月退休，席格蒙迪一生的主要成就在于确立了现代胶体化学的基础。
1932年弗里茨﹒塞尔尼克(FritsZernike)发明了相位差显微镜来研究无色和透明的生物样品，这样细胞不再需要染色，塞尔尼克因此获得了1953年诺贝尔物理学奖。然而在相位差显微镜刚被发明时并没有得到足够多的重视，塞尔尼克与蔡司公司讨论过合作的可能性，但蔡司当时不敢兴趣。直到二次世界大战时塞尔尼克被纳粹党逮捕，媒体的报道将塞尔尼克再次推倒前台，相位差显微镜才得到重视。
极化/偏振显微镜(polarization microscopy)也是一种非标记技术，由德国物理学家马克﹒贝雷克(Mark Berek)在二次世界大战前发明，具体年月不详。虽然当时人们已经开始使用荧光显微镜，但因为荧光显微镜的样品需要固定染色，所以荧光显微镜观察到的亚细胞结构存在很大争议，很多人认为那是染料造成的假象，非标记显微镜观察到的结构更容易获得认可。W.J.Schmid在1937年观察到了纺锤体的纤维状结构，但图像有些模糊不清。1953年Shinya Inoué用自制的改进型偏振显微镜证实了Schmid的发现，通过与荧光显微镜的结果比较，二者结果相似，这也在一定程度上推动了荧光显微镜的发展。
20世纪50年乔治﹒诺马尔斯基(Georges Nomarski)发明了微分干涉相衬显微镜(differentialinterference contrast)，微分干涉相衬显微镜可以用来研究非染色的活生物样品。微分干涉相衬显微镜要求透明样品的折射率与样品所处的介质环境相同，而且不能研究厚的或者有色素的样品，但微分干涉相衬显微镜的分辨率在合适的条件下可以比相位差显微镜更高。Allen1981年将摄像机(video camera)技术与微分干涉相衬显微镜整合成视频增强对比微分干涉相衬显微镜(Video-enhanced Contrast, Differential Interference Contrast(AVEC-DIC) microscopy)，当然摄像机也可以与偏振显微镜整合成视频增强对比偏振显微镜(Video-enhancedContrast Polarization Microscopy)。
1940年西奥多﹒弗斯特(Theodor Fster)发现了荧光共振能量转移现象(fluorescence resonance envergy transfer, FRET)，弗斯特证实电子激发能量能够从荧光供体(donor fluorescence)转到荧光受体(acceptorchromophore),转移的效率与分子距离的六次方的倒数相关。FRET显微镜可以用来研究蛋白在体内的相互作用，1996年韩国学者Taekjip Ha首次实现了单分子FRET，目前单分子FRET可以在体外实时研究分子相互作用和分子动态变化。 

电子显微镜的诞生与发展
早在1874年，德国光学专家阿贝（1840—1905）提出了光学显微镜分辨能力极限的问题。他指出，想通过光学显微镜来观察比0.2微米还小的物质结构，显然是徒劳的。光学显微镜的最高放大倍率为5000倍。它虽然开阔了人们的眼界，在某些领域发挥了巨大的作用，但由于它的分辨能力的限制，以至于仍然未能深入到神秘的微观世界中去。
提高显微镜分辨率的途径之一是设法减小光的波长，或者用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，用磁场聚焦电子束，就有可能用电子束来放大物体。
1931年，德国的克诺尔和鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，获得了放大十几倍的图像，证实了电子显微镜放大成像的可能性。
1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米，大概是当时光学显微镜分辨率的十倍，于是电子显微镜开始受到人们的重视。
二十世纪40年代，美国人希尔用消像散器克服了电子透镜旋转不对称性的负面影响，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代电子显微镜的水平。
电子显微镜发展初期正是新中国建设百废待兴的年代，我们国家的科研工作者高瞻远瞩紧跟世界科研潮流，在1958年成功研制出透射式电子显微镜，分辨本领为3纳米，1979年又制成分辨本领为0.3纳米的大型透射电子显微镜。
由于分辨率太低而且电子束对样品损伤严重，此时的电子显微镜并不适合去观测单个分子。随着上世纪80年代扫描隧道显微镜和原子力显微镜的问世，在表面上检测单个原子或分子终于成为可能。
1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)，电子显微镜被认为是20世纪最重要的发明之一。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下都现出了原形。
用电子代替光，这或许是一个反常规的主意，但是还有更令人吃惊的发明。
1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显微镜更加激进，它完全失去了传统显微镜的概念。扫描隧道显微镜的工作原理是“隧道效应”。隧道扫描显微镜没有镜头，它使用一根探针。探针和物体之间加上电压，如果探针距离物体表面很近—大约在纳米级的距离上—隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。因为这项奇妙的发明，Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理学奖，电子显微镜的发明者Ruska在同一年与他们共享了诺贝尔物理学奖。
电子显微镜在细胞生物学中的应用奠定了现代细胞生物学的基础，很多细胞的超微结构都是在电子显微镜的帮助下实现的。
20世纪后半段是电子显微镜发展的黄金期，比如罗马尼亚出生的美国细胞生物学家乔治﹒埃米尔﹒帕拉德(George Emil Palade)借助电子显微镜的帮助在1995年发现了核糖体，核糖体是细胞内蛋白质翻译的工厂，核糖体的发现对我们认识细胞功能迈出了重大的一步，因此帕拉德于1974年被授予诺贝尔医学奖。工欲善其事必先利其器，帕拉德的贡献就是拜电子显微镜所赐。
虽然电子显微镜的分辨本领早已远胜光学显微镜，但因为电子显微镜要在真空条件下工作，所以很难观察活生物，而且电子束照射会使生物样品受到辐照损伤。
由于电子显微镜的明显劣势，即使电子显微镜分辨率更高，但它仍然不能替代光学显微镜，光学显微镜的发展仍然在默默进行着。

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