顯微鏡是觀(guān)察細胞的主要工具。根據光源不同，可分為光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡兩大類(lèi)。前者以可見(jiàn)光（紫外線(xiàn)顯微鏡以紫外光）為光源，后者則以電子束為光源。

　　—、光學(xué)顯微鏡

　　（一）、普通光學(xué)顯微鏡

　　普通生物顯微鏡由3部分構成，即：①照明系統，包括光源和聚光器；②光學(xué)放大系統，由物鏡和目鏡組成，是顯微鏡的主體，為了消除球差和色差，目鏡和物鏡都由復雜的透鏡組構成；③機械裝置，用于固定材料和觀(guān)察方便（圖2-1）。

　　顯微鏡物象是否清楚不僅決定于放大倍數，還與顯微鏡的分辨力（resolution）有關(guān)，分辨力是指顯微鏡（或人的眼睛距目標25cm處）能分辨物體更小間隔的能力，分辨力的大小決定于光的波長(cháng)和鏡口率以及介質(zhì)的折射率，用公式表示為：

　　式中：n=介質(zhì)折射率；α=鏡口角（標本對物鏡鏡口的張角），N.A.=鏡口率（numeric aperture）。鏡口角總是要小于180?，所以sina/2的更大值必然小于1。

　　制作光學(xué)鏡頭所用的玻璃折射率為1.65～1.78，所用介質(zhì)的折射率越接近玻璃的越好。對于干燥物鏡來(lái)說(shuō)，介質(zhì)為空氣，鏡口率一般為0.05～0.95；油鏡頭用香柏油為介質(zhì)，鏡口率可接近1.5。

　　普通光線(xiàn)的波長(cháng)為400～700nm，因此顯微鏡分辨力數值不會(huì )小于0.2μm，人眼的分辨力是0.2mm，所以一般顯微鏡設計的更大放大倍數通常為1000X。

　　（二）、熒光顯微鏡

　　細胞中有些物質(zhì)，如葉綠素等，受紫外線(xiàn)照射后可發(fā)熒光；另有一些物質(zhì)本身雖不能發(fā)熒光，但如果用熒光染料或熒光抗體染色后，經(jīng)紫外線(xiàn)照射亦可發(fā)熒光，熒光顯微鏡（圖2-2，3，4）就是對這類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量研究的工具之一。

　　熒光顯微鏡和普通顯微鏡有以下的區別：

　　1、照明方式通常為落射式，即光源通過(guò)物鏡投射于樣品上（圖2-3）；

　　2、光源為紫外光，波長(cháng)較短，分辨力高于普通顯微鏡；

　　3、有兩個(gè)特殊的濾光片，光源前的用以濾除可見(jiàn)光，目鏡和物鏡之間的用于濾除紫外線(xiàn)，用以保護人目。

　　（三）、激光共聚焦掃描顯微鏡

　　激光共聚焦掃描顯微鏡（laser confocal scanning microscope，圖2-5、6）用激光作掃描光源，逐點(diǎn)、逐行、逐面快速掃描成像，掃描的激光與熒光收集共用一個(gè)物鏡，物鏡的焦點(diǎn)即掃描激光的聚焦點(diǎn)，也是瞬時(shí)成像的物點(diǎn)。由于激光束的波長(cháng)較短，光束很細，所以共焦激光掃描顯微鏡有較高的分辨力，大約是普通光學(xué)顯微鏡的3倍。系統經(jīng)一次調焦，掃描限制在樣品的一個(gè)平面內。調焦深度不一樣時(shí)，就可以獲得樣品不同深度層次的圖像，這些圖像信息都儲于計算機內，通過(guò)計算機分析和模擬，就能顯示細胞樣品的立體結構。

　　激光共聚焦掃描顯微鏡既可以用于觀(guān)察細胞形態(tài)，也可以用于細胞內生化成分的定量分析、光密度統計以及細胞形態(tài)的測量。

　　（四）、暗視野顯微鏡

　　暗視野顯微鏡（dark field microscope，圖2-7）的聚光鏡中央有當光片，使照明光線(xiàn)不直接進(jìn)人物鏡，只允許被標本反射和衍射的光線(xiàn)進(jìn)入物鏡，因而視野的背景是黑的，物體的邊緣是亮的。利用這種顯微鏡能見(jiàn)到小至 4~200nm的微粒子，分辨率可比普通顯微鏡高50倍。

　　（五）、相差顯微鏡

　　相差顯微鏡（phasecontrast microscope，圖2-8、9）由P．Zernike于1932年發(fā)明，并因此獲1953年諾貝爾物理獎。這種顯微鏡更大的特點(diǎn)是可以觀(guān)察未經(jīng)染色的標本和活細胞。

　　相差顯微鏡的基本原理是，把透過(guò)標本的可見(jiàn)光的光程差變成振幅差，從而提高了各種結構間的對比度，使各種結構變得清晰可見(jiàn)。光線(xiàn)透過(guò)標本后發(fā)生折射，偏離了原來(lái)的光路，同時(shí)被延遲了1/4λ（波長(cháng)），如果再增加或減少1/4λ，則光程差變?yōu)?/2λ，兩束光合軸后干涉加強，振幅增大或減下，提高反差。在構造上，相差顯微鏡有不同于普通光學(xué)顯微鏡兩個(gè)特殊之處：

　　1、環(huán)形光闌（annular diaphragm）位于光源與聚光器之間，作用是使透過(guò)聚光器的光線(xiàn)形成空心光錐，焦聚到標本上。

　　2、相位板（annular phaseplate）在物鏡中加了涂有氟化鎂的相位板，可將直射光或衍射光的相位推遲1/4λ。分為兩種：

　　①A+相板：將直射光推遲1/4λ，兩組光波合軸后光波相加，振幅加大，標本結構比周?chē)橘|(zhì)更加變亮，形成亮反差（或稱(chēng)負反差）。

　　② B+相板：將衍射光推遲1/4λ，兩組光線(xiàn)合軸后光波相減，振幅變小，形成暗反差（或稱(chēng)正反差），結構比周?chē)橘|(zhì)更加變暗。

　　（六）、偏光顯微鏡

　　偏光顯微鏡（polarizing microscope）用于檢測具有雙折射性的物質(zhì)，如纖維絲、紡錘體、膠原、染色體等等。和普通顯微鏡不同的是：其光源前有偏振片（起偏器），使進(jìn)入顯微鏡的光線(xiàn)為偏振光，鏡筒中有檢偏器（一個(gè)偏振方向與起偏器垂直的的起偏器），這種顯微鏡的載物臺是可以旋轉的，當載物臺上放入單折射的物質(zhì)時(shí)，無(wú)論如何旋轉載物臺，由于兩個(gè)偏振片是垂直的，顯微鏡里看不到光線(xiàn)，而放入雙折射性物質(zhì)時(shí)，由于光線(xiàn)通過(guò)這類(lèi)物質(zhì)時(shí)發(fā)生偏轉，因此旋轉載物臺便能檢測到這種物體。

　　（七）、微分干涉差顯微鏡

　　1952年，Nomarski在相差顯微鏡原理的基礎上發(fā)明了微分干涉差顯微鏡（differential interference contrast microscope）。DIC顯微鏡又稱(chēng)Nomarski相差顯微鏡（Nomarki contrast microscope），其優(yōu)點(diǎn)是能顯示結構的三維立體投影影像。與相差顯微鏡相比，其標本可略厚一點(diǎn)，折射率差別更大，故影像的立體感更強。

　　DIC顯微鏡的物理原理完全不同于相差顯微鏡，技術(shù)設計要復雜得多。DIC利用的是偏振光，有四個(gè)特殊的光學(xué)組件：偏振器（polarizer）、DIC棱鏡、DIC滑行器和檢偏器（analyzer）。偏振器直接裝在聚光系統的前面，使光線(xiàn)發(fā)生線(xiàn)性偏振。在聚光器中則安裝了石英Wollaston棱鏡，即DIC棱鏡，此棱鏡可將一束光分解成偏振方向不同的兩束光（x和y），二者成一小夾角。聚光器將兩束光調整成與顯微鏡光軸平行的方向。更初兩束光相位一致，在穿過(guò)標本相鄰的區域后，由于標本的厚度和折射率不同，引起了兩束光發(fā)生了光程差。在物鏡的后焦面處安裝了第二個(gè)Wollaston棱鏡，即DIC滑行器，它把兩束光波合并成一束。這時(shí)兩束光的偏振面（x和y）仍然存在。更后光束穿過(guò)第二個(gè)偏振裝置，即檢偏器。在光束形成目鏡DIC影像之前，檢偏器與偏光器的方向成直角。檢偏器將兩束垂直的光波組合成具有相同偏振面的兩束光，從而使二者發(fā)生干涉。x和y波的光程差決定著(zhù)透光的多少。光程差值為0時(shí)，沒(méi)有光穿過(guò)檢偏器；光程差值等于波長(cháng)一半時(shí)，穿過(guò)的光達到更大值。于是在灰色的背景上，標本結構呈現出亮暗差。為了使影像的反差達到更佳狀態(tài)，可通過(guò)調節DIC滑行器的縱行微調來(lái)改變光程差，光程差可改變影像的亮度。調節DIC滑行器可使標本的細微結構呈現出正或負的投影形象，通常是一側亮，而另一側暗，這便造成了標本的人為三維立體感，類(lèi)似大理石上的浮雕（圖2-10）。

　　DIC顯微鏡使細胞的結構，特別是一些較大的細胞器，如核、線(xiàn)粒體等，立體感特別強，適合于顯微操作。目前像基因注入、核移植、轉基因等的顯微操作常在這種顯微鏡下進(jìn)行。

　　（八）、倒置顯微鏡

　　組成和普通顯微鏡一樣，只不過(guò)物鏡與照明系統顛倒，前者在載物臺之下，后者在載物臺之上（圖2-11），用于觀(guān)察培養的活細胞，具有相差物鏡。

　　進(jìn)入20世紀80年代以來(lái)，光學(xué)顯微鏡的設計和制作又有了很大的發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要表現在，注重實(shí)用性和多功能方面的改進(jìn)。在裝配設計上趨于采用組合方式，集普通光鏡加相差、熒光、暗視野、DIC、攝影裝置于一體，從而操作靈活，使用方便。

　　二、電子顯微鏡

　　（一）、透射電子顯微鏡

　　1、基本原理

　　在光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清小于0.2?m的細微結構，這些結構稱(chēng)為亞顯微結構（submicroscopic structures）或超微結構（ultramicroscopic structures；ultrastructures）。要想看清這些結構，就要選擇波長(cháng)更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM），電子束的波長(cháng)要比可見(jiàn)光和紫外光短得多，并且電子束的波長(cháng)與發(fā)射電子束的電壓平方根成反比，也就是說(shuō)電壓越高波長(cháng)越短。目前TEM的分辨力可達0.2nm。

　　電子顯微鏡（圖2-12）與光學(xué)顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場(chǎng)作透鏡。另外，由于電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的標本須制成厚度約50nm左右的超薄切片。這種切片需要用超薄切片機（ultramicrotome）制作。電子顯微鏡的放大倍數更高可達近百萬(wàn)倍、由電子照明系統、電磁透鏡成像系統、真空系統、記錄系統、電源系統等5部分構成。

　　2、制樣技術(shù)

　　1）超薄切片

　　通常以鋨酸和戊二醛固定樣品，以環(huán)氧樹(shù)脂包埋，以熱膨脹或螺旋推進(jìn)的方式推進(jìn)樣品切片（圖2-13），切片厚度20~50nm，切片采用重金屬鹽染色，以增大反差（圖2-14）。

　　2）負染技術(shù)

　　負染就是用重金屬鹽（如磷鎢酸、醋酸雙氧鈾）對鋪展在載網(wǎng)上的樣品進(jìn)行染色；吸去染料，樣品干燥后，樣品凹陷處鋪了一薄層重金屬鹽，而凸的出地方則沒(méi)有染料沉積，從而出現負染效果（圖2-15），分辨力可達1.5nm左右。

　　3）冰凍蝕刻

　　冰凍蝕刻（freeze-etching）亦稱(chēng)冰凍斷裂（freeze-fracture）。標本置于-100?C的干冰或-196?C的液氮中，進(jìn)行冰凍。然后用冷刀驟然將標本斷開(kāi)，升溫后，冰在真空條件下迅即升華，暴露出斷面結構，稱(chēng)為蝕刻（etching）。蝕刻后，向斷面以45度角噴涂一層蒸汽鉑，再以90度角噴涂一層碳，加強反差和強度。然后用次氯酸鈉溶液消化樣品，把碳和鉑的膜剝下來(lái)，此膜即為復膜（replica）。復膜顯示出了標本蝕刻面的形態(tài)，在電鏡下得到的影像即代表標本中細胞斷裂面處的結構（圖2-16）。

　　（二）、掃描電子顯微鏡

　　掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM，圖2-17、18、19）于20世紀60年代問(wèn)世，用來(lái)觀(guān)察標本的表面結構。其工作原理是用一束尤細的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說(shuō)與樣品的表面結構有關(guān)，次級電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉變?yōu)楣庑盘枺俳?jīng)光電倍增管和放大器轉變?yōu)殡娦盘杹?lái)控制熒光屏上電子束的強度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。為了使標本表面發(fā)射出次級電子，標本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級電子信號。

　　目前掃描電鏡的分辨力為6～10nm，人眼能夠區別熒光屏上兩個(gè)相距0.2mm的光點(diǎn)，則掃描電鏡的更大有效放大倍率為0.2mm/10nm=20000X。

　　（三）、掃描隧道顯微鏡

　　掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM）由Binnig等1981年發(fā)明，根據量子力學(xué)原理中的隧道效應而設計。當原子尺度的針尖在不到一個(gè)納米的高度上掃描樣品時(shí)，此處電子云重疊，外加一電壓（2mV～2V），針尖與樣品之間產(chǎn)生隧道效應而有電子逸出，形成隧道電流。電流強度和針尖與樣品間的距離有函數關(guān)系，當探針沿物質(zhì)表面按給定高度掃描時(shí)，因樣品表面原子凹凸不平，使探針與物質(zhì)表面間的距離不斷發(fā)生改變，從而引起電流不斷發(fā)生改變。將電流的這種改變圖像化即可顯示出原子水平的凹凸形態(tài)。掃描隧道顯微鏡的分辨率很高，橫向為0.1～0.2nm，縱向可達0.001nm。它的優(yōu)點(diǎn)是三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）物質(zhì)均可進(jìn)行觀(guān)察，而普通電鏡只能觀(guān)察制作好的固體標本。

　　利用掃描隧道顯微鏡直接觀(guān)察生物大分子，如DNA、RNA和蛋白質(zhì)等分子的原子布陣，和某些生物結構，如生物膜、細胞壁等的原子排列。

　　三、顯微操作技術(shù)

　　顯微操作技術(shù)（micromanipulation technique）是指在高倍復式顯微鏡下，利用顯微操作器（micromanipulator，圖2-20）進(jìn)行細胞或早期胚胎操作的一種方法。顯微操作器是用以控制顯微注射針在顯微鏡視野內移動(dòng)的機械裝置。

　　顯微操作技術(shù)包括細胞核移植、顯微注射、嵌合體技術(shù)、胚胎移植以及顯微切割等。細胞核移植技術(shù)已有幾十年的歷史，Gordon等人（1962）對非洲爪蟾進(jìn)行核移植獲得成功。我國出名學(xué)者童第周等在魚(yú)類(lèi)細胞核移植方面進(jìn)行了許多工作，并取得了豐碩成果