一个由NSF资助的团队利用光学显微镜拍摄硅藻。在过去，盖玻片、反光镜和透镜统治着显微镜的世界。如今，原子、离子和激光束成为清晰拍摄细胞、分子和纳米结构等微观世界的关键组成部分。如今的显微镜学是艺术和科学、数据和设计的融合。美国国家科学基金会（NSF）的资助确保研究人员能够继续拓宽显微镜的极限。该基金会为学术实验室提供了最先进的成像工具，支持开发全新的显微镜技术，并为该领域的年轻科学家和工程师提供培训。一个由NSF资助的团队利用光学显微镜拍摄硅藻（如图）。硅藻是一种带有玻璃状外壳的微藻，这些外壳以单个细胞或小菌落的形式生长。一队科学家在展开生物多样性研究时，在蒙古拥有150万年历史的库苏古尔湖中发现了这些硅藻。硅藻是监测水质的主要工具，它们的化石有助于解释这片区域的过往。

　　这仿佛是非常忙碌的中央车站，实际上这里是大脑的海马区，集结着树突（黄色和橙色）、轴突（绿色）、突触（红色）、星形神经胶质（浅蓝色）和小神经胶质（深棕色）。这些组成部分和通路负责神经冲动从一个细胞到另一个细胞的传递和接收。电子显微镜使用电子束作为光源，记录原始数据并予以分析，最终生成这些结构的三维图。研究人员计划从不同的大脑区域和样本中收集图像，并开发一种全新电子显微镜，它将能够窥视单个突触的最小子结构的内部工作原理。他们还将构建新型计算模型工具，以了解这些微小结构如何辅助大脑功能。

　　这看起来像孩子的玩具球，实际上它是引发蓝舌病的病毒，在过去二十年中这种病毒杀死了欧洲约200万头牛。研究人员使用低温电子显微镜以详尽的细节捕捉这种纳米级病毒的三维图。了解该病毒有助于研发抗病毒药物以及新疫苗。低温电子显微镜能够前所未有地在原子尺度上观察生命，并从根本上改变了生物学和生物化学。它让电子束穿透包含数百万种蛋白质的多层冷冻样本，最终产生图像。软件把每种蛋白质的二维图合并起来以重建三维结构。这种显微镜的发明者阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森和雅克·杜波切特因此赢得了2017年诺贝尔化学奖。弗兰克自1984年起就开始这方面的影像研究，并获得美国国家科学基金会的资助。

　　这张展现了早期大脑发育的图中，一只仅出生五天的斑马鱼的神经纤维发着红光、绿光和蓝光。这张图由FluoRender制作而成。FluoRender是一种对共聚焦显微镜数据进行可视化处理和分析的交互式软件。神经生物学家使用该软件来操纵和测量一系列生物（如，果蝇和老鼠）的结构解剖。共聚焦显微镜使用单个光点（通常是激光束）把样本扫描成一系列光学截面，再逐个像素地构建每张图片。 荧光染料通过凸显特定结构的轮廓以实现成像增强效果。

　　这个细长的结构是来自海马区的单个脑细胞。海马区是负责记忆形成、回忆和学习的大脑区域。我们可以看出细胞的轮廓和触角（丝状伪足），它们在脑细胞之间形成连接。研究人员使用超分辨率共焦显微镜和绿色荧光蛋白来捕捉这张特写。在一个年轻的、正在发育中的大脑中，一旦丝状伪足与其他神经元形成连接，它们就会瓦解。然而，当发育出现问题，丝状伪足会仍然存在。探索神经元如何成熟的研究有助于研究人员了解大脑发育疾病的原因。为了捕捉这张图片，显微镜的激光光源聚焦在含有绿色荧光蛋白的细胞上。光束激活了蛋白质，导致细胞发光。一个专门的成像检测器收集所有的发射光，最终产生超清晰的分辨率。

　　偏光显微镜在观察甘油表面时捕捉到了迷幻的“液晶膜”。图中的液晶与智能手机和电视显示器中的液晶是同一类型。液晶改变了显示屏技术，但关于液晶如何在空间和时间上排列的全新认识让下一代无需配备机械部件就可实现对焦和变焦的相机成为可能。借助对液晶的全新知识，科学家们正在研发一种由蜘蛛状聚合物制成的材料，这种材料可以产生电力让我们通过鞋子就可为智能手机供电。偏光显微镜最初是为矿物学开发的，现在被用于检测液晶和聚合物。偏光镜把入射光引导到单一方向。当这种光线照射液晶时，它可以传输有关局部晶体取向的关键细节。

　　图中展现的是DNA，由原子力显微镜（AFM）拍摄。DNA是人类生活的基因蓝图。深粉色波浪线中的深色阴影是DNA螺旋结构的横档。它们与DNA的大沟和小沟相对应，其中的蛋白质与DNA相互作用以执行一系列生物过程，如，调控基因表达。研究连接蛋白质和未连接蛋白质的DNA结构使研究人员能够更了解人类基因组的奥秘。为了能够观察DNA结构，原子力显微镜需要实现的分辨率大约是原子大小的十倍或大约十亿分之一米，该显微镜在分子表面上轻刺一个小孔后，就可拍摄到该分子的局部解剖图。 这种显微镜也可用来测量分子的强度。

　　一次性尿布与显微镜有什么关系？ 目前，吸收尿液的聚合物成为一种新型成像仪器——扩展显微镜（expansion microscopy）的主要元件。利用这种聚合物和发光染料处理小鼠脑细胞，可帮助研究人员找出单个细胞并追踪神经通路。这一过程类似在气球上画画，然后把气球吹起来。扩展显微镜的一个重要优势是，当逐渐远离彼此，分子和分子之间的距离是均匀的。这类观测有助于研究人员绘制引发疾病的“肇事”细胞。这些绘制图接下来可成为有系统的目标细胞清单，医生可以有针对性地实施治疗方案。

　　这是个彩色甜甜圈？这张体现红细胞外膜变化的图由空间光干涉显微镜（SLIM）制作而成。随着时间的推移对外膜的不断变化展开测量，研究人员发现随着红细胞老化，外膜会变硬，从而阻碍细胞的正常功能。 从表面上看，这些细胞看起来很健康，但随着时间的推移它们的功能会慢慢减退。这一发现可为血库的工作带来积极影响。在美国，每年采集和储存的血液将近1400万单位，保存期约为42天。 SLIM成像方法可用以在患者接受血液之前对储存血液展开检测。

　　蝴蝶翅膀上有着各种图案和色彩。把它们的翅膀放大，我们可以看到错综复杂的纳米结构（图中蓝色和红色蜂窝状的柱子）。研究人员正在研究蝴蝶在发育过程中如何形成这些竖立的纳米结构，以及昆虫如何修改生长过程使翅膀上呈现缤纷的彩色。这类研究有望创造一些通过生物过程定制设计的纳米结构，并比机械或化学方法更经济适用。光学、医学等领域都可以从中获益。为了观察这些微小的结构，研究人员使用了离子显微镜。当由氦或氖离子构成的光束撞击样品，会发出电子并被探测器记录，结果就会产生细节详尽的清晰图像。

　　健康的红细胞（上排）和感染疟疾的细胞（下排）的光学特征为偏远地区提供了一种快速诊断疾病的方法。研究者使用3D打印而成的便携式全息野外显微镜拍摄了原始细胞的全息图，再从中提取出这些光学特征。在获得全息图之后，用户将数据通过互联网传输到远程计算机进行分析。为了对细胞进行分类，系统算法将样本与已知的健康细胞和病变细胞的特征进行比对。这种检测方法只需几分钟，而传统方法需要数天时间。除了现场诊断外，全息显微镜还可在医院和其他临床环境中用于分析与癌症、肝炎、心脏病等疾病相关的细胞。

　　这张胶原纤维的3D视图由热噪声成像技术制作而成。2001年该技术问世，但此后一些技术难题阻碍了它的发展。为了获得该图像，研究人员将一些纳米级珠子添加到组织样本中并向样本照射激光。珠子反射了光线，探测器通过光学显微镜以极快的速度拍摄纳米珠子。这种成像技术能够以高分辨率拍摄软质的纳米结构，这使观测胶原蛋白成为可能，有助于启发研究人员改进对人造皮肤或组织的设计。（惜辰）

文章摘自科普中国