How big is 光学显微镜可视极限?
200 奈米!
普通光学显微镜利用可见光和玻璃透镜成像，无法显示小于约 200 纳米（即 0.2 微米）的细节。纳米是十亿分之一米，微米是百万分之一米。这个极限来自光作为波的性质，是一个近似值。
大小
这个极限指的是分辨率：显微镜仍能将两个点区分开来的最短距离。距离小于这个值的两个点会模糊成一个。这个极限与放大倍数无关。超过约 1000 倍后，继续放大图像只会让它变大，却不会显示更多细节。
1873 年，显微镜学家恩斯特·阿贝发表了一个公式，说明分辨率取决于光的波长。在最理想的情况下，分辨率约为波长的一半。一种常见算法是用波长除以数值孔径的两倍；数值孔径衡量的是透镜聚光能力的大小。
最好的透镜通过一滴油观察，数值孔径可达约 1.4。用波长为 550 纳米的绿光时，它们能分辨相距约 0.2 微米的细节。用波长为 700 纳米的红光时，同样的计算方式得出的极限更粗；而用紫光时，极限则更精细。
大小比较
- 一个红细胞宽约 7.5 微米，约为这一极限的 37 倍，因此它的形状清晰可见。
- 一个拟菌病毒颗粒宽约 750 纳米，接近这一极限的 4 倍。它大到可以用光学显微镜看到，这在病毒中十分少见。
- 一个 HIV 病毒颗粒宽约 145 纳米，小于这一极限，因此光学显微镜无法显示它的形状。
- 大约 400–500 个处于这一极限大小的细节首尾相连，就能铺满一根人类头发的宽度，头发宽约 80–100 微米。
- 如果把这一极限放大到 1 毫米那么大，也就是公制直尺上最小的刻度，头发就会有 40–50 厘米宽；HIV 病毒颗粒则会变成约 0.7 毫米宽，比直尺上的一格刻度还要小。
看得见光点，看不清形状
这一极限限制的是细节，而不是能否探测到东西本身。只要一个发光分子与其他发光分子的距离超过 0.2 微米，它就能在普通显微镜下显示为一个光点。这个光点会模糊成与极限相当的大小，因此只能显示分子的位置，却看不出它的形状。
波长越短，能分辨的细节就越精细。使用近紫外光的显微镜比使用可见光的显微镜能分辨更小的细节。电子显微镜则远远超越了这一水平：它们所用的电子表现为波长约 0.005 纳米的波，远短于光的波长。
突破这一极限
在 20 世纪的大部分时间里，科学家们一直认为光学显微镜永远无法显示小于约 0.2 微米的东西。斯特凡·黑尔于 1994 年提出了一种绕开这一极限的方法，并在 2000 年证明了它切实可行。他的方法先用一束光脉冲使分子发光，再用第二束环形激光关闭除极小光斑以外所有分子的荧光。
W. E. 莫尔纳和埃里克·白兹格开发了另一种方法：每次只让少数几个分子发光，再将许多图像叠加合成。三人因“发展超分辨率荧光显微技术”共享了 2014 年诺贝尔化学奖。用负责颁奖的瑞典皇家科学院的话说，他们的工作让“显微技术变成了纳米显微技术”。
参考资料
- How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
- Resolution. Nikon MicroscopyU.
- Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
- Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
- Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
- Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
- Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.