從微米到奈米: 光學顯微術的一大步
- 物理專文
- 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。
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σκοπεῖν (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。
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。