明场光学显微镜 vs 透射电子显微镜

明场光学显微镜，也就是我们在学校里经常见到的普通生物显微镜，是观察生物染色切片和水体浮游生物等标本的重要工具。明场光学显微镜高速发展的时期是19到20世纪。在20世纪30年代后，为了提高显微观察的放大倍率和分辨能力，电子显微镜逐步发展起来。其中，透射电子显微镜秉承了明场光镜的制样和观察套路，使生物样品观察的放大倍率又提升了上千倍。明场光镜和透射电镜都采用了透射成像的方式，都能观察生物标本的内部结构。

不少研究组在开展电镜观察实验之前，会有学生来咨询。最有趣的一类情况，莫过于学生带着一张封有染色切片的光学玻片，甚至带着一只活的小鼠，期望用电镜观察一下“超微结构”。遇到这类咨询，要想一两句话把事情解释清楚实属不易。因此，为了让大家直观、快速了解明场光镜和透射电镜的区别，为后续生物制样技术的理解做好铺垫，本文简单地科普一下二者的区别。

1 光镜和电镜用来放大成像的射线不同

光镜观察物象，需要用光线透过薄层标本。也就是说，光子束是光镜成像依赖的射线。几百年来，都是通过玻璃透镜折光来改变光线路径。所以，用玻璃透镜组使穿透标本后的光线偏折，从而实现物象放大，是光镜的成像原理。

电镜，顾名思义，使用的射线为电子束。20世纪初，在阴极射线管的研发基础上，垂直式电子枪成了电镜的标准射线源。电子通过磁场时，会在磁场作用下发生偏转。电镜就利用了这个原理，使穿透标本的电子束在强磁场的作用下改变前进路线，从而实现物象放大（图1）。可见，电镜放大物象的套路和光镜是类似的，只不过将玻璃透镜换成了电磁透镜。

2 光镜和电镜标本的制备要求不同

光镜采用的光子束，可透过最大厚度300多微米的标本。当今的石蜡制片、冷冻制片、滑行切片甚至振动切片方法，都能轻松将切片厚度做到几十微米甚至更薄。这给不熟悉光镜制样历史的人一个错觉：光镜观察几乎没有限制。如果不了解电子的特点，这一错觉常常迁移到电镜上，认为电镜放大倍率高多了，无所不能，而忽略了电子的穿透力很弱这一现实。

电子不同于光子，在常规80千伏加速电压下，顶多能穿透200多纳米厚的生物标本。电子束的穿透力还不到光束的千分之一。常规光镜石蜡切片的厚度大约4微米，已经相当于电子束穿透极限的约20倍。光镜制片中最精细的石蜡制片技术，能稳定切出的最小厚度，一般为1微米。可见，光镜制片的方法是不能胜任电镜观察的。电镜标本不光要在取材和固定的环节，把细微结构保存到最佳（光镜的甲醛固定液满足不了这个要求），还要改换包埋方法，形成远高于石蜡的支撑硬度；然后用比钢刀坚硬得多的金刚石刀刃进行切片。这样，切片的厚度才能降到200纳米以下。

3 光镜和透射电镜的标本载体不同

用明场光镜观察的切片，基本上都用载玻片裱贴（图2）。玻璃虽然透明，但那是对光束而言的。电子束无论如何也透不过载玻片。构成玻片的密集的硅、氧原子，对电子束来说，简直就是不可突破的铜墙铁壁，全部会被挡回来。既要扛得住电子束轰击产生的高温，又要保证电子束透过，镂空的金属载网是最佳的选择。直径约3 mm的铜网是最常用的载体。用于透射电镜观察的超薄切片裱贴在铜网上，再用尖头镊子小心转移（图2），是电镜工作者每天都要做的操作。

4 光镜和电镜的机身结构迥异

我们已经知道，明场光镜和透射电镜采用了不同的射线源，对标本厚度和制样技术的要求不同，切片载体也差异巨大。所以，镜体的结构当然就很不一样了（图3）。

明场光镜的光源是卤素灯泡或LED灯，一般放置在镜座部分。光束向上穿过载物台上的通光孔，带着标本的物象被物镜收集、放大。透射电镜的射线源是高压电子枪，位于机身的顶端，向下发射电子，穿过伸入镜筒中的样品杆上的铜网，带着物象信息继续通过下面的磁透镜而被放大。

由于电子穿透力极弱，空气中任何气体分子都会将其弹开，所以电镜的镜筒内部必须保持接近真空的状态。电镜主机的旁边，总会有几个附属机器在不断运转。这些机器就是维持镜筒内真空状态的机械泵、油泵（或分子泵）和空气压缩机等。此外，以电磁原理工作的器械，必然大量发热，所以电镜镜体还连接着水循环设备，随时保持镜筒的恒温状态。所以，电镜室总是被噪音笼罩。光镜可不需要这些装置，安安静静坐下，就可以观察标本啦。

人眼可以感受可见光。所以，光镜放大后的物象，我们只需要凑到目镜前，观察里面的影像就可以了。必要时，可接一个相机到目镜或专门预留的照相镜头上拍照。电镜采用电子束成像，不能用眼睛看，那样不仅看不见，还会被灼伤。电镜成像是通过荧光屏实现的。带有物象信息的电子束投射到荧光屏上，使屏幕出现明暗影像；人眼通过观察荧光屏的显像，就能看到电镜的物象。把荧光屏转换成胶片或感光器件，就能实现电镜拍照。目前，不少实验室已经采用电脑屏幕来控制光镜采图和电镜