中子解开了安东尼·范·列文虎克显微镜的秘密

在17世纪晚期，一位荷兰布匠兼自学成才的科学家名叫安东尼·范·列文虎克在这个仪器刚刚开始为科学探究带来革命性变革的时代，他制造了一些现有的最好的显微镜。他很少透露他的透镜制作方法，然而，导致了几个世纪的猜测，他是如何做到如此卓越的放大。

现在,中子断层扫描使荷兰代尔夫特理工大学的科学家们首次能够窥见列文虎克的显微镜内部。一个新发表的论文在《科学进展》杂志上，范·列文虎克指出，他并不需要自己的秘密镜头制作方法，他是一个手工家，通过打磨和完善他那个时代的典型镜头制作方法，他获得了非凡的放大率。

目前还不清楚是谁发明了第一个真正的显微镜，但这一说法的竞争者包括一位16世纪晚期的荷兰眼镜制造商撒迦利亚詹森该公司名为汉斯Lipperhey，以及一位名叫Cornelis德雷贝尔。1610年后的某个时候，伽利略注意到了这一基本原理，并于1624年在罗马看到德雷贝尔的一种仪器后，建造了自己的复合显微镜。他称之为“occhiolino”或“小眼睛。”

英国科学家罗伯特胡克是最早对基本设计进行重大改进的公司之一。他是一名熟练的镜头磨光师，这使得他拥有更好的放大率，而他早期作为一名绘图员的训练使他能够把他在显微镜下看到的东西描绘成精美的细节。他出版了他的代表作，字体过小他在1665年1月出版了58幅令人惊叹的版画，其中包括他著名的放大跳蚤描绘。

范·列文虎克对镜片制作的兴趣源于他想更清楚地看到他在布面生意中使用的线的质量，当他了解到显微镜的奇妙之处时，他是胡克的忠实崇拜者字体过小他开始进行自己的改进。在他的一生中，他建造了500多台显微镜，尽管只有少数幸存下来。一个透镜被安装在组成仪器主体的黄铜板上的一个小洞里，标本被安装在它前面的一个尖上。位置和焦点可以通过转动两个螺丝来调整。整个乐器只有3到4英寸长。

范·列文虎克用他的显微镜研究了池塘水中的原生动物、动植物组织、矿物晶体和化石。他发现了线虫和血细胞等微观生物，并且是第一个看到活精子细胞的动物。到1683年，他已经用仪器研究了自己牙齿间的牙菌斑，还观察到两位老人的口腔中有大量的细菌，这是有记录以来第一次观察到活细菌。他甚至用鳕鱼卵和蜻蜓的眼角膜作为生物衍生透镜进行实验，成功地用后者生成了蜡烛火焰的清晰图像。

他的显微镜比手持放大镜强不了多少，但他们仍然被认为是他那个时代最好的。他用一个透镜将样本放大270倍，得到的图像比他的任何同事都要清晰明亮。

范·列文虎克当然擅长打磨和抛光镜片，而且很可能他的很多仪器中都含有这种研磨过的镜片。在他职业生涯的早期，他还尝试过球形镜片，包括在针尖上融化和收集玻璃。然而，范列文虎克写道，由于玻璃受到污染，他很快就放弃了这种方法。但是他也暗示他已经发明了自己先进的吹制玻璃的方法，“用这种方法可以制造出非球面透镜”——这句话在过去的几个世纪里引发了关于一种“秘密技术”的大量猜测，这种技术已经丢失给了子孙后代。

十一范列文虎克的显微镜有幸存了下来,但因为他包裹他的镜头在两个金属板与铆钉固定,只有一个小孔直径约半毫米,1将需要显微镜镜头和没有博物馆为了访问会考虑以这种方式破坏这种无价的工件。代尔夫特理工大学的科学家们提出了使用一种叫做中子断层扫描的非侵入性成像技术，在概念上类似于x射线断层扫描．

这使得成像透镜的整个形状成为可能，因为中子在金属板和内部玻璃之间产生了更高的对比。物体在中子束中旋转180度，摄像机拍摄多张照片，得到的2D图像可以用来在电脑上构建物体的3D图像。

布尔哈夫国立博物馆收藏的一台显微镜的3D图像显示，这个中等功率的仪器含有一个扁豆状的透镜，符合当时的标准研磨和抛光方法。作者在他们的论文中指出，这些数据还显示出范列文虎克在制作他的仪器时所付出的极大的细心和精度。他们写道:“从保存的复制品来看，凡·列文虎克制作的每一个显微镜的透镜都有明显的曲率和放大倍数。”“x光片显示的镜头的紧密配合表明，黄铜板是专门用来容纳这一特定的镜头的。”

代尔夫特理工大学的研究小组还拍摄了现存最高倍数的显微镜，收藏于乌得勒支大学博物馆。这表明乌得勒支显微镜没有扁豆状的地面透镜;相反，它拥有一个球状的透镜，与一根微小的玻璃线相连——这种透镜是用吹制玻璃的方法制造的。最有趣的是,透镜的形状符合玻璃熔化镜头胡克在1678年发表的“配方”,其中包括将薄玻璃的线程变成一个球形状,融化在火焰,用剩下的干细胞作为处理镜头。

这是胡克早先描述过的一种技术的变体字体过小这比列文虎克的仪器还要早，所以这位布匠应该对其基本原理很熟悉。胡克的方法还生产出了没有污染的球形镜片，范列文虎克说，他实验过的玻璃吹制方法存在缺陷。奇怪的是，他总是对胡克的镜片制作方法保持沉默。

“我们现在可以假设列文虎克的沉默是他故意的选择，”作者写道。范·列文虎克出版后不久就采用了虎克的制作镜片的方法，并取得了巨大的成功，但从未告诉过任何人。这很讽刺，因为胡克一直想找出范·列文虎克隐形眼镜的秘密，但却始终未能如愿。”

总的来说，这项研究“提供了确凿的视觉证据，证明列文虎克在他的开创性发现中并没有局限于单一的镜头类型，而是采用了当时流传的不同的镜头制作程序，并将它们整合到他的显微镜中，”作者写道。范·列文虎克远非人们常说的那种孤立的学者;更确切地说，他对自己镜片的保密是为了试图掩盖他对胡克的恩惠。”

他们的发现也证明了他在多年建造数百台显微镜的基础上，将现有的方法和设计充分发挥其潜力的能力。“工艺和精心的光圈控制起到了作用，”作者总结道。“范·列文虎克似乎完全掌握了这些研磨和框架技术，将它们与适当的光圈结合起来，并使它们达到完美，从而产生了他的标志性显微镜的优势，在他的显微镜中，所有的注意力和努力都被引导到它们的一个重要组成部分:镜头。”

科学进步，2021年。10.1126 / sciadv.abf2402（对必须)．