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利来国际最老:世界电镜九十年之荷兰电子显微镜早期发展历史(上)
发布日期:2024-04-11 01:25:55 来源:利来资源站首页 作者:利来资源首页入口
  Woutera van Iterson,荷兰阿姆斯特丹大学阿姆斯特丹生物中心、分子生物学研究所、分子...

  Woutera van Iterson,荷兰阿姆斯特丹大学阿姆斯特丹生物中心、分子生物学研究所、分子细胞学部,摘译原文发布于1996年。

  1939年,代尔夫特只是一个有着著名历史的小镇。1584年,被称作“荷兰国父”的沉默者威廉正是在这里被暗杀。而在代尔夫特的Nieuwe Kerk依旧可以找到奥兰治王室成员的墓穴。微生物学的创始人Antoni van Leeuwenhoek也在代尔夫特通过自制的玻璃透镜研究他的“小动物”。如果不是因为代尔夫特理工大学以及它的创新产业,代尔夫特在二战前留给人们的总体印象只是一座古老的城镇。在这本回忆录中,代尔夫特产业中一个特别的部分,即荷兰的精神象征法布里克(简称“酵母工厂”)扮演了一个重要的角色。

  首先,在代尔夫特理工大学的技术环境中,酵母工厂为国家最重要的微生物研究传统的发展做出了巨大贡献。1885年,酵母工厂的总经理J.C.van Marken邀请M.J.Beyerinck加入工厂。Beyerinck于1895年成为微生物学教授,并被称为微生物学之父。1921年,A.J.Kluyver(微生物学家之父)接替了Beyerinck的工作。Kluyver将他的教授任期与酵母厂的咨询工作结合了起来。这些是如何与电子显微镜联系起来的?答案就是酵母细胞。

  彼时,Dorgelo、F.G.Waller(酵母工厂总经理)和A.J.Kluyver于1939年7月6日访问完柏林的西门子公司刚刚返回。而Kluyver很熟悉最近出版的微生物照片和电子显微镜提供的相对高放大倍数的照片。问题是,是否有可能用这样一种仪器来确定酵母细胞是否配备了一个带有染色体的真正的浓缩细胞核,或者它是否类似于细菌,是否可以在核物质和细胞质之间作出明确的区分?考虑到这个问题的实际意义,Waller、Kluyver与Dorgelo讨论后,此三人决定前往透射电子显微镜及其理论背景的圣地:战前的德国。早在1939年,西门子就根据von Borries和Ruska的设计,成功售出了第一台商业化的电子显微镜。它的放大倍数高达4万倍,分辨率比光学显微镜高得多,其价格约为80000荷兰盾(笔者注:按2022年5月汇率1荷兰盾约合3.37元人民币)。然而,该电镜与其提供的可能效果有一定出入。此外,在柏林,他们确实在电镜“高”放大率下观察到了酵母细胞,但那不过是一个“丑陋”的黑点,而在光学显微镜下,一个整齐的生物体,在细胞壁内具有原生质、液泡和各种其他结构,只有细胞核是暗黑的。

  一般说来,当时这种生物研究工具是否有用颇具争议。在整个细胞都聚焦的情况下,人们能否分辨出重要的细节?此外,电子一直被认为是粒子,直到1924年,人们通过德布罗意的工作才意识到,电子也会像波一样传播。然而,这并没有改变这样一个事实,即微粒肯定会轰击,继而破坏有机材料。最重要的是,生命的本质在于细胞中高百分比的水,而细胞在仪器的真空条件下会发生脱水。当电子显微镜的发明变得更广为人知时,在某些生物学圈内能听到这样的说法:“电子显微镜只是收集了一些人工制品。”毕竟,瑞士的Frey Wyssling和其他人已经用间接方法充分分析了细胞的总体结构。关于生物膜的结构性质,重要的论文也几乎达到了分子水平。电子显微镜线年代这一重要的知识宝库增添什么吗?这些反对意见促成了代尔夫特理工大学未来年轻科学家的冒险,也成就了他们的幸运。

  鉴于所有不确定性,年轻的Jan Le Poole渴望成为一名先锋,后来证明他很幸运。Jan Le Poole建立了一台两级电子显微镜,1941年可以拍摄第一张电子显微照片。然而,40k V的加速电压被证明是非常局限的。因此,Jan Le Poole决定与飞利浦物理实验室合作建造一台150k V电子显微镜。在埃因霍温的飞利浦,A.C.van Dorsten开发了一个非常稳定的150k V的部件,同时Le Poole在H.J.de Heer的协助下正在代尔夫特研究电子光学系统。在1944年春天的代尔夫特,全新的150k V电子显微镜被研制成功。

  1943年11月1日,一个专门的电子显微镜研究所作成立,隶属于TPD,不过其预算独立。该研究所得到了代尔夫特酵母工厂、飞利浦、Van Houten、Algemene Kunstzijde Unie(AKZO)、喜力啤酒厂和TPD等工业的资助。后来,荷兰联合利华和荷兰皇家壳牌公司也提供了每年不少于3000荷兰盾的资助。该研究所由一个咨询委员会监督,技术和日常管理由Le Poole负责,而Dorgelo和Kluyver负责科学监督。

  我们来自Le Poole的小组,在荷兰从战争的苦难中解放出来之前,我们只能孤立地工作,因此几乎没有意识到电镜的设计包含了许多令人兴奋的创新。其中一项创新是在40倍放大的物镜和160倍放大的投影镜头之间增加了两个镜头。其中一个额外的镜头有一个小孔,可以使放大倍数在6400倍到80,000倍间连续变化。放大到6400倍时,电流通过所谓的衍射透镜(另一个更大孔径)。使用该衍射透镜,可以从小至3μm的样品选定区域获得衍射图案。并可以在电子图像和电子衍射间来回切换,这在代尔夫特已被发现可以用于粘土矿物的测定。选区衍射的原理先前已被H.Boersch发现,但当时Le Poole还不知道。引入中间透镜的另一个优点是电镜镜筒的高度减小,从样品到最终图像的总距离达到60cm。此外,LePoole引入了一种特殊的对焦装置,尤其在高倍率下,当荧光屏上的强度较低时,可进行精确聚焦。入射电子束通过聚光镜和样品中两组平行板间的横向电场,以50Hz的频率振动。当物镜没有完全聚焦时,这种振动会使图像模糊。这有助于聚焦,并大大提高了代尔夫特研究所拍摄电镜照片的质量。从那以后,这种“摇摆”的磁型版本成为飞利浦所有透射电镜的特征。

  早期电镜中的图像场非常大(直径18cm),并投射到锥形烧瓶的底部,并转至荧光屏(图2)。通过在屏幕上方束流横截面足够小的位置引入35毫米胶片,可以在随后的照片放大中覆盖整个图像。发射电压在50-120kV之间变化,对于生物样品,电压越高,电子束的穿透力往往越强。

  另一个有趣的发展始于1943年中期。早在1942年,由于酵母细胞体积过大,Le Poole就提议建造一个发射电压1 MeV的电镜,以提高电子对样品的穿透力。建造这种电镜,必须克服种种问题,因此最终决定在飞利浦研究实验室建造400 kV的显微镜。Le Poole设计了这个电镜的电子透镜系统,而飞利浦的Van Dorsten负责设计高压设备,Oosterkamp负责发射枪,Verhoeff负责装配。1947年,这台电镜安装在代尔夫特研究所。

  不仅是电子显微镜的研究,代尔夫特对于电镜应用的开展也比较早。在准备研制基础型150 kV电子显微镜的这些年里,旧的两级型电镜在用于检验Le Poole的新想法的同时,还用于科学研究。在这项工作的成功,很大程度上归功于Harrie de Heer引进了出色的拍摄技术。

  生物学家A.Quispel于1942年10月开始在A.J.Kluyver教授的带领下担任研究助理。他做的第一件事是在单孔样本架上准备足够的“Geisselthallack”支撑膜。Quispel的任务是研究该电镜在生物学研究中的作用,尤其是研究酵母核中的染色体。为了做到这一点,Quispel开发了一种“染色”酵母核的方法,即与其他细胞相比提高对比度。这种选择性染色需要重金属,因此,他改变了Feulgen的方法,使用银及镧盐。然而,酵母没有揭示其染色体核的秘密,染色体核仍然处于漆黑一片的状态。Quispel接着尝试用蛋白水解酶使细胞质对电子束更透明。1943年9月,Quispel离开代尔夫特时,这项工作移交给了我,最初也得到了J. M. van Brakel的协助。然而,事实证明,对太大的酵母细胞进行研究还为时过早。

  当时我们深受战争的压迫,但我们年轻,对这项工作充满热情。我们急切地研究了酵母细胞、噬细胞菌、疗养院医生用的结核菌、各种其他细菌以及土壤样品中的粘土矿物、颜料、金属和在35mm胶片上拍摄的各种其他物品。

  1944年,150 kV电子显微镜及其所有改进装置投入使用,但仅使用了几个星期。随着1944—1945年饥荒的来临,国家的形势变得非常危急。盟军已经解放了荷兰的南部,但是盟军在大河附近被拦截。在那个冬天,在河流以北的我们食物配给量减少到每周800卡路里。大家在解决温饱与绝望中挣扎。没有电,客运列车也没有运行,我们只有木制轮胎的自行车用于运输。为了保全电镜的透镜等核心部件,大家不得不做好随时拆除电镜的准备。值得一提的是,飞利浦电镜高压发电机中的冷却油无意间为大家解决了一些生存难题,这些冷却油被分配给研究所的工人作为燃料,大家在家里用它来照明等。我们也积极参与地下活动,试图抵抗危险的压迫环境。曾经,德军试图逮捕所有18至40岁的男性在德国从事强迫劳动,大家不得不躲起来试图逃避。

  在加拿大军队解放的平息下来之后,代尔夫特电镜被重新组装起来。但此时,自己也开始怀疑,在与世隔绝的环境下使用代尔夫特电镜开展相关研究,是否对促进电子显微学的发展具有意义。来自盟军国家参观者的反应给我们的印象是, Le Poole电镜或将是一种意义重大的仪器设备,但我们不能依赖这种仅有的“大家的印象”,何况,在埃因霍温的飞利浦根本不准备开始在商业基础上生产电子显微镜,因为该公司主要对销售数千台以上的产品感兴趣。有没有办法提高同事们的希望?答案是有的。首先,我写了一篇关于美国在电子显微镜领域活动的综述。之所以能够做到这一点,是因为1944年9月荷兰南部解放后不久,荷兰国家矿业图书馆(DSM)就有了专门的美国科学期刊。虽然很明显,美国科学家的工作是广泛的和令人印象深刻的,但这篇综述让代尔夫特的物理学家相信,他们的成就并没有白费。此外,我还与我的父亲讨论了他们的担忧。父亲既是一名科学家,也是荷兰国家矿业公司董事会成员,能够理解新仪器的重要性以及飞利浦的工业观点。飞利浦的总裁Anton Philips博士刚刚从英国回来,他在那里度过了战争的岁月。我陪父亲去了埃因霍温,在那里我们在总裁家里吃了午饭。Philips先生仔细地听着,因为他还没有听说过代尔夫特电子显微镜的构造,以及他的公司已经如此密切地参与其中。1946年1月,Jan Le Poole有机会访问英国,并参加了英国电子显微镜集团的一次会议。在那里,他最后的一丝怀疑消失了:代尔夫特电镜确实是一种创新。他在英国遇到了Van Dorsten,他们讨论了对商用飞利浦电子显微镜的要求。1946年1月,飞利浦董事会似乎改变了观点,开始准备推动电子显微镜样机的开发,商业生产电镜有了基础。该电镜在某种程度上可以在X射线设备业务部开发,但样机是在飞利浦物理实验室(后称为飞利浦研究实验室)制造的。后来,一个特殊的电子显微镜部门成为科学和工业下医疗系统集团(一个主要的工业业务集团)的一部分。回想起来,这是早期所有努力的线年,飞利浦公司制造的电镜原样机在牛津的一次大会上展出,虽然当时这台“顽固”的电镜现场未能展示有用的电镜图片,但同样受到了人们的赞赏。(大会结束后,有人发现一个孔盘在运输过程中滑出了立柱,从而阻挡了电子束。)下一步,飞利浦决定建立一系列的四台电子显微镜原型。