可以将物体放大200万倍，能观察到蛋白质结构，电子显微镜的工作原理是什么？

　　17世纪60年代，一位荷兰商人安东尼·范·列文虎克磨了500多片玻璃，成功改进了显微镜，让它的放大倍数达到500倍。

　　在伽利略时代，显微镜只能看虫子，而列文虎克时代的显微镜，已经可以看清楚单细胞生物了，而他也被誉为近代生物学之父。

　　可是，现代生物学光靠光学显微镜是远远不够的。

　　1953年沃森和克里克使用X光衍射，发现了DNA的双螺旋结构，这是分子生物学的开端。但是再往下，蛋白质的内部结构只靠X光衍射就行不通了，光学显微镜更观察不了，必须上电子显微镜，它的放大倍数能达到200万倍，甚至可以看清金箔表面的原子排布。这是怎么做到的？

　　这是一台透射电子显微镜，它的结构并不复杂，有点像你家里仓库拐角落灰的黑白电视机。在显微镜的最上方有一个电子发射枪，其核心是一根钨合金针，加热这根针丝，会有电子溢出。这时在钨针上下加一个强电场，方向朝上，电子会被这个强电场给提取出来，穿过一个小孔进而形成电子束。

　　初始的电子束太分散了，而且能量也不足，需要经过多组电磁透镜来让这根电子束变细，加快电子运动的速度。

　　电磁透镜主要用线圈来制作，电场来给电子加速，而线圈通电后的磁场来精准约束电子的轨迹。就这样，电子束越来越细、能量越来越高，到达要观察的物体时，电子速度已经接近70%光速。

　　整个电子束约束和加速的过程，必须要在真空环境下进行，否则电子容易被空气中的氮氧碳等元素散射，最终无法成像。

　　看到这里，不知道你有没有恍然大悟，这不就是阴极射线管吗？没错，但是阴极射线管里的电子速度不够快，也不够细。透射电子显微镜里的线圈产生磁场和电场强度，要比黑白电视机上的大多了。

　　在透射电子显微镜中，穿透极薄样品的电子可直接撞击荧光屏发出可见光，或由高灵敏度的CCD相机捕获转化为数字信号。在扫描电子显微镜中，聚焦极细的电子束在样品表面逐点扫描，激发出的二次电子或散射电子信号被专门探测器接收，其强度变化被转换为屏幕上的像素亮度，构建出样品表面的立体形貌图。

　　在此期间需要对二次电子进行反向操作，同样用磁场和电场把照射完的电子束给放大，一般是5万倍，这样探测器才能接收到，进而绘制出图片。

　　为什么要用电子呢？

　　传统显微镜利用可见光的衍射来观察物体，但是可见光有一个波长范围。人眼可观察到的可见光范围是380～750纳米，这意味着，它能清楚观察到的事物尺寸不能小于380纳米。就好比一个尺子，最小刻度是1毫米，你不能拿它来量0.1毫米的物体，这是量不准的。

　　X光的波长就比较短了，只有0.01～10纳米，因此它的穿透性很强，可以用它来制造精确度更高的显微镜。

　　高能电子的波长比X光还要短，电子虽然是一种粒子，但是它足够小，运动足够快，在微观世界它的波粒二象性非常明显。根据德布罗意物质波理论，高速运动的电子波长会很短，在10万伏特电压加速下，电子波长仅为约0.004纳米，这比X光还要精准，如果速度再增加，精准度还会提高。

　　太精准了也有麻烦，被观察物体要是有微小的运动，那最终的成像也是不清晰的。为什么会动呢？放一段线粒体里的DNA序列，它又没有生命，怎么动？

　　这就要从温度上解释了，温度的微观意义是粒子的不规则运动，这种运动对透射电子显微镜的观察是有影响的。因此温度越低，观测样品内部的分子运动幅度就越小，透射电子显微镜成像就越清晰。

　　近些年生物学的大发展，主要就靠冷冻电镜，它的原理是把生物样品冷冻到接近绝对零度，然后再用透射电子线显微镜去观察，这样就看的更加准了。

　　从1931年鲁斯卡研制出首台原型镜至今，电子显微镜已走过近百年辉煌历程。它不仅仅是复杂仪器的集合，更是人类对微观世界无尽好奇与不懈探索的结晶。每一次电子束穿透样品或掠过表面，都在无声地诉说着物质内在的秩序与美。它拓展了认知疆界，架起了从宏观世界通往原子宇宙的坚实桥梁。