引言
17世紀列文虎克第一次看到活細胞以來，顯微成像技術就成了生物學領域的重要工具。
橙色圓球就是這次的新冠病毒
從組織、細胞、細胞器再到胞內的蛋白，人類在科學的道路上求索依舊，對顯微技術的要求也越來愈高。
可惜，通過簡單地磨製鏡片製作出的光學顯微鏡已經不能滿足需求，科學家們“看到”新型冠狀病毒（後文稱COVID-19）的工具也不是光學顯微鏡。
本文將先說明光學顯微鏡的困局，再介紹兩種能看到COVID-19的顯微鏡。
光學顯微鏡
黃色的是光路
從光源出來的光“攜帶”樣品信息通過透鏡和小孔，光在這些地方會發生衍射。
比如經過小孔時，一束平行光應被視為一列密集的點光源（下圖單縫處），點光源發出的球面波相互疊加後會出現明暗交替的同心圓環（艾裡斑，下圖右上）。
這個過程類似水波經過狹小的縫隙，體現了光的波動性。
水波的雙縫衍射
如果我們想在顯微鏡下認出COVID-19，一束光不夠。至少我們要看到病毒和周圍環境的界面。
假如COVID-19和旁邊的環境分別發出一束光，經過顯微鏡光路衍射後會形成兩個艾裡斑，如果它們離太近，那麼就無法分辨病毒和環境的差異。
原則上，對於包括光學顯微鏡的任何顯微鏡，COVID-19和環境的距離小到一定程度後就無法分辨。這個距離可以用阿貝公式進行數字化說明：
想讓顯微鏡能辨識更近的兩點，就要縮小Δx。
考慮到照明光波長（λ）要處於人眼可辨範圍（400-760nm），所以要讓Δx最大，λ最小是400nm左右。
n是光路上介質的折射率，一般情況下空氣n=1。另外，α是入射光角度，理想是90°，這個對於任何顯微鏡都一樣，雖然永遠也達不到這個理想情況。帶進阿貝公式計算出，Δx最大值約為200nm。
考慮到病毒直徑在100nm左右，200nm的分辨率是肯定看不清的。
阿貝公式告訴我們，想減小Δx（增大分辨率），有兩條路，一是把病毒到透鏡間的介質折射率n減小，二是把光的波長減小。
最容易實現的就是把n減小，有一種顯微技術叫“油浸物鏡”。用折射率更大的油來作為傳光介質，可以把n提高到1.4左右，所以，普通光學顯微鏡和油浸物鏡的配合能把分辨率提到約150nm。
這個分辨率還是遠遠不夠，即便分辨率達到100nm，只能說勉強可以判斷病毒兩端的點，具體想看清病毒到底長啥樣，分辨率不到5nm估計是想都不要想。
所以，要走不同於減小折射率的另一條路：用更短波長的“光源”。
考慮到普通光學顯微鏡用的是光子，自然會想到能不能用短波長的光子來代替可見光，然後用傳感器收集光信號代替人眼觀察。
X射線波長夠小，比如Cu-Kα射線可以達到0.15個nm，直接把可見光的400nm降了三個數量級，分辨率自然大幅提升。不過，這太理想化。
實際上，X射線的光源強度往往不夠大，傳感器根本測不到足夠數據，而且X射線的光子難以聚焦，精密分析是天方夜譚。
有意思的是，從1895年倫琴用X射線拍攝各種物件開始，科學家就在絞盡腦汁想著用X射線當光源搭顯微鏡。
左：倫琴妻子的手，右：倫琴
但是，直到它的競爭對手（本文主人公，拍COVID-19病毒的）拿了諾貝爾獎，X射線顯微鏡才算真正被做出來。這還得益於同步輻射光源、高性能檢測器和Fresnel波帶片的運用。
大活人還能讓個尿給憋死了？X射線這條路走不通，當時的科學家乾脆放棄用光子當“光源”！
電子顯微鏡
既然要短波長“光源”，那麼不如用電子。短波電子很容易獲得，只需要給足夠大的加速電壓就行，動能上去後，根據德布羅意關係，波長就短了。
它們的波長甚至能達到0.1nm級別，電子顯微鏡的分辨率也可以達到幾個nm，這下有足夠分辨率觀察病毒了。
電子槍原理
相比匯聚光子，匯聚電子更輕鬆。類比光學的玻璃透鏡，電子顯微鏡用的“透鏡”是電磁透鏡，原理也很簡單，運動的電子會被磁場控制，磁場用通電線圈創造，大小和方向都可控。
另外，考慮到電子的粒子性強，需要在整個“光路”上保持真空環境，不然電子束流不集中。這點也比較容易實現。具體可見
最後，這些電子和樣品相互作用後會攜帶樣品信息，用傳感器採集放大信號，分析後就可以得出樣品的模樣。剛才那副打著問號的圖其實就是一臺電鏡。
短波長的電子錶現出明顯的粒子性，電子槍發出的電子經電磁透鏡匯聚後打到樣品上，這些電子和樣品作用後有兩條路：一是“原路返回”，二是“蠻橫穿過”。兩種原理分別對應著兩種電鏡。
掃描電子顯微鏡（SEM）
“原路返回”的電子主要有兩種：背散射線子和二次電子。採集放大並分析這兩種電子的信號，就是SEM的成像原理。
背散射電子是指被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，對樣品的成分敏感，比如元素的種類。
二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子，對樣品表面形貌敏感，比如病毒和環境間的差異。
這張圖是最近發佈的關於COVID-19的SEM照片，主要依靠的應該是二次電子信號，可以清晰看出病毒在背景上呼之欲出，很有立體感。
值得一提的是，這張SEM圖是被修圖後的。
據我所知，目前沒有任何一種電子顯微鏡能夠單獨拍出彩色的圖，因為傳感器檢測的主要是電子強度（數量）的信號，這就意味著只能在白和黑之間取個灰，不可能在白和黑之間取個紅黃藍綠。下圖這種才是真實的SEM圖像。
還是黑白的看著順眼嗷
透射電子顯微鏡（TEM）
除了“原路返回”的電子，還有直接透過樣品的透射電子。
考慮到有病毒的地方和沒病毒的地方物質組成不一樣，對入射電子的散射能力也各異。
比如重元素的原子核對電子散射能力強，透射電子過不去，圖像偏暗。同樣的元素，樣品越“濃”，透射電子也不易穿過。這會形成
質厚襯度。採集分析透射電子強度信號，就能實現成像。運用這種原理的電鏡是TEM。
這個也是PS後的
冠狀病毒看起來還是很可愛的
可以看出，相比採集二次電子的SEM，TEM的圖像不具有立體感，這主要是因為後者採集的是透射電子，樣品沿厚度方向被一視同仁。
無論10nm厚度處還是20nm，只要一個地方有足夠多、足夠重的原子把電子“遮住”，那這個區域在最終呈現的圖像上就是暗的，比如病毒的蛋白質外殼。
當然也有部分原因是要想讓透射電子夠多，採集到足夠的信號成像，樣品太厚的話一團黑，所以必須把樣品減薄到100nm以下，立體感在這個厚度下難以維繫。
說到制樣，不得不說SEM和TEM的制樣是一門大學問，並不是提取病毒後馬上就能拍攝的。
比如會用到等離子體，給生物樣品鍍金膜
其中的部分操作和做分子料理很像，比如都會用到液氮、真空環境啥的，下篇文章簡單聊聊，感興趣的歡迎點個關注。
結語
"It is very easy to answer many fundamental biological questions; you just look at the thing!" —— 1965年諾貝爾物理學獎得主Richard Feynman
恐懼來源於未知，沒什麼比看到敵人更安心。從目力辨識，光學顯微鏡到能直接看到COVID-19的SEM和TEM，人類的歷史是求索並創造的史詩。
對於病毒，我們已經有比前人更強大的武器，應該有充足的信心，平和而堅定地直面它們。
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