相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

近日,美国国家过敏和传染病研究所落基山实验室(NIAID-RML)其位于蒙大拿州的洛矶山实验室在扫描和透射电子显微镜上拍摄了新冠病毒(SARS-CoV-2)的图像。“高清彩照”下的新冠病毒长啥样?随着新冠病毒电镜图像公布,如今终于得见其真容。

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

据悉,落基山实验室(RML) 研究员 Emmie de Wit 博士在其研究中提供了病毒样本,显微镜学家伊丽莎白 · 菲舍尔(Elizabeth Fischer)制作了图像,RML 视觉医学艺术办公室对图像进行了数字着色。

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

这张图像显示了新冠病毒(SARS-CoV-2),图中的黄色部分就是导致新冠肺炎的罪魁祸首。基因测序等研究结果显示,新冠病毒与SARS冠状病毒同属冠状病毒科的β属冠状病毒。美国国家过敏与传染病研究所(NIAID)表示,从显微镜图像来看,新型冠状病毒(SARS-CoV-2)与MERS-CoV(中东呼吸综合征冠状病毒)和最初的SARS-CoV(非典,严重急性呼吸综合征冠状病毒)看起来并无太大不同。

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

相当恶心!这就是新冠病毒在电子显微镜下的真实样子

新冠病毒电镜图像公布

科学家用电子显微镜还原的恶名昭彰“COVID-19”真面目

武汉肺炎病毒在中国“避免种族歧视”的要求下,称为新型冠状病毒“COVID-19”,目前全球已经夺走1500人以上的性命,已有一万五千人以上的确诊病例。不过,这个害人不浅的病毒到底长什么样子呢?美国国家过敏和传染病研究所(NIAID)在13日发布了该病毒的新图片。

这是NIAID位于蒙大拿州汉密顿(Hamilton)洛矶山实验室(RML)于11日拍摄,并且由视觉医学艺术办公室进行数字化上色。洛矶山实验室使用专业设备,扫描和透射电子显微镜捕获这些数字化的特写镜头。

科学家用电子显微镜还原的恶名昭彰“COVID-19”真面目

图像中使用的病毒样本是从美国的一名患者的体内提取出来的,病毒上黄色,细胞表面上蓝色和粉红色。

科学家用电子显微镜还原的恶名昭彰“COVID-19”真面目

COVID-19病毒看起来与相关冠状病毒MERS和SARS的显微镜图像非常相似。

科学家用电子显微镜还原的恶名昭彰“COVID-19”真面目

NIAID表示这种现象并不奇怪,因为冠状病毒表面的凸起物让这个病毒家族拥有了拥有了“冠状”(corona)的名称(“王冠(crown)”的拉丁文)并且几乎所有的冠状病毒都会有类似的外观。”

科学家用电子显微镜还原的恶名昭彰“COVID-19”真面目

冠状病毒家族的病毒,由于只在基因组方面有着些许的差异,因此看起来似乎都长一样。不过,如果感染到人类,则症状会明显不同。

科学家用电子显微镜还原的恶名昭彰“COVID-19”真面目

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

草莓的表面

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

家里的灰尘,包括毛发、合成纤维、昆虫鳞片、花粉、植物和昆虫残骸

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

紧抓着头发的人类头虱

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

人类舌头表面的细菌

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

人体皮肤表面正在生长的眉毛

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

生锈的金属钉子表面

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

碳酸钙晶体

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

剃刀两个刀片之间的毛发和剃须泡沫

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

蚊子的脑袋

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

一种蛾子的舌头(长鼻)末端

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

已经孵化的蝴蝶卵

电子显微镜下的可怕世界,完全颠覆了你的想象力

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

虽然说之前也看到了很多十分厉害的DIY视频,但是看到这个的时候我还是瞬间就跪了……

一个名叫Ben Krasnow的工程师自己做了一个扫描电子显微镜!这可是电子显微镜啊,绝对不是摆弄几个玻璃镜片就能搞定的事情,简直是有史以来最难的DIY项目了……

要知道,在实验室里,扫描电镜也是高端大气的存在,一台就几十万甚至上百万,学生们要想用还得登记排号……而你竟然说你自己做了一个??(而且2011年就做出来了……)

下面这位就是作者,以及他自己做的电镜:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

玻璃罩子里面的是核心部件,其他那些大坨的东西是真空泵和电源,另外因为泵在工作时会过热,所以他还加了冷却。

主体部分特写:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

看起来似乎有模有样呢 (●—●)

这东西花了他大约100小时时间,制作期间所有的周末全都一心扑在做电镜上。至于花费嘛,大约是1500刀,看起来已经算是十分便宜了呢。

所以,这电镜到底是怎么做出来的?

首先,我们会在图上看到一个钟形的玻璃罩子,这是用来隔绝空气的。电子显微镜要在真空环境下工作,因此Krasnow用这个的罩子罩住了所有的关键部件,然后接上泵给内部抽真空。

罩子里面都有什么呢?首先我们会看到一根直立的铜管,在铜管的上方,是他自己制作的“电子枪”,也就是发射电子的源头。

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

电子枪的关键部件是一个纤细的钨丝,把钨丝通电加热到高温(2800K左右),它就可以发射电子。

这些电子会替代光学显微镜的光束来进行成像,但它们还不能直接用来照射样品。现在的电子束还比较散,而扫描电镜需要非常集中的电子束。所以接下来要经过的部件是汇聚电子束的“透镜”。可以简单理解为类似光学透镜那样,但是当然原理是不同的,实际上汇聚电子束用的是磁透镜。

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

经过了透镜之后,电子束会“扫描”样品的表面。接下来,要检测的一个重要的对象是样品表面发出的“二次电子”,这些二次电子能很好地体现物体的表面结构。

在这个DIY电镜中,放样品的地方如下图所示:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

接下来,就要收集样品的信号了,在下图中指出的右边这一坨就是一个检测器。首先它需要用高电压把需要检测的电子们都吸引过来,轰击闪烁体产生闪光,并经过光导管、光电倍增管,最终变成放大的电信号。

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

二次电子检测器示意图

最终,他把这些信号显示在了示波器的荧光屏上。

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

所以,最终结果如何呢?就是下面这个样子:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

还有这样:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

(这一坨据说是个项链)

而我们平时见到的电镜照片是这样的:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

_(:з」∠)_

好吧,作者本人也承认,这个DIY电镜无论是分辨率还是放大倍数,其实都还远远不能与市面上的产品相比。他在示波器上显示的,也只是一些结构简单的图像而已。

但是说实话,他能够成功地把它做出来,还能用,这已经非常非常厉害了!现在市面上的电镜毕竟技术要成熟得多。

在他的油管频道Applied Science中,一共用了五个视频来介绍这个DIY项目(可见是多么复杂……),有兴趣可以找来看看。

顺便说,这个人平时也会用电镜(当然这回是成熟产品了)拍一些有意思的东西,比如下面这个黑胶唱片与唱针的动图就是他的作品:

自制一台扫描电子显微镜,厉害炸了!

(这是我的膝盖,别客气请拿走吧!)

参考:http://www.popsci.com/diy/article/2011-07/you-built-what-scanning-electron-microscope

原理图来源:http://www.jeol.co.jp/cn/words/semterms/sem_cn-a_z.pdf

原标题:厉害炸了!一个自制扫描电子显微镜的人

来源:酷炫科学

编辑:Dannis

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

根据国家卫健委数据,截至2月13日24时,据31个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团报告,现有确诊病例55748例(其中重症病例10204例),累计治愈出院病例6723例(湖北省核减269例),累计死亡病例1380例(湖北省因重复统计,核减108例)。

海外方面,共有24个国家出现新冠肺炎患者,累计确诊病例506例,日本和菲律宾分别有1例死亡。

已经波及25个国家的新冠病毒长什么样儿?科学家们通过显微镜让你近距离观察。

新冠病毒的“百变形象”

中国微生物组数据中心(National Microbiology Data Centre)在1月底就发布了新冠病毒在电子显微镜下的图像,而病毒是从武汉的2名患者体内提取的。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

系列编号为NPRC 2020.00002的新冠病毒图像。/中国微生物组数据中心

美国国家过敏与传染病研究所(NIAID)2月13日在网站公布了新冠病毒在电子显微镜下的一组图像。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

扫描显微镜图像:橙色的部分就是引发新冠肺炎的冠状病毒。/NIAID-RML

病毒是微小的感染性斑点,由包裹在蛋白质外壳中的DNA或RNA组成。它们太小,无法通过一般的光学显微镜看到。NIAID通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取新冠病毒的基本图像,然后机构中的视觉医学艺术办公室再对图像进行电子化上色。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

透射显微镜图像:暗黑色圆形物的为新冠病毒。/NIAID-RML

NIAID表示,新冠病毒的图像看起来和2012年暴发的MERS病毒以及2002年出现的SARS病毒很相似,这并不奇怪,因为这类病毒表面的突起物让其拥有了“冠状(corona)”的名称,是“王冠(crown)”的拉丁文,所以所有冠状病毒基本都有这样的形态特点。

美国疾病控制中心(CDC)则创造出了一个可视化新冠病毒立体模型,结合了新冠病毒在显微镜下的形态以及日食的图像。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

CDC 创建的新冠病毒立体模型。

香港大学的团队近日也公布新冠病毒图像,港大病理学临床教授约翰·尼科尔斯(John Nicholls)表示,每一个受感染的细胞都会产生数千个新的传染性病毒颗粒,这些颗粒会继续感染新的细胞。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

香港大学在推特发布的新冠病毒图像。

港大科研人员正在研究不同时间点的样本,以便更好地了解新冠病毒与其他冠状病毒的不同之处。

而澳大利亚彼得·多尔蒂传染病与免疫研究所在社交媒体平台发布了一段视频,显示了新冠病毒在细胞培养实验中的状态。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

澳大利亚发布的视频片段截图。

给致命病毒“画像”的人

据美国科技网站ScineceFriday报道,辛西娅·戈德史密斯在美国疾控中心(CDC)工作超过35年,她负责将各种病毒视觉化,协助科研人员的研究工作,而多数病毒都是致命性的。

“我不会去思考疾病本身,只关注病毒的样子,当我把病毒视觉化之后,总觉得有点对不起感染者。”辛西娅说。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

辛西娅·戈德史密斯正在处理病毒图片。/CDC

她的日常工作器具包括透射电子显微镜、实验室级微波炉以及帮助将样本嵌入树脂的烤箱,她利用黑白两种颜色创建出病毒的各种视图。

辛西娅说,病理学家通常会给我一个病毒样本,然后我通过显微镜观察,可以告诉他们这种病毒属于哪一科,帮助他们去识别疱疹病毒、痘病毒、正粘病毒等。

2003年,SARS病毒刚刚暴发时,辛西娅从CDC拿到了病毒样本,“这种病毒的表面缺少细节,看起来是一个普通的球体,通过透射电子显微镜的仔细观察,从形态上可以认定它属于冠状病毒。”这一结论帮助CDC的专家迅速展开有针对性的冠状病毒实验。

新冠病毒究竟长啥样?显微镜下的“百变形象”

黑色箭头标注的就是SARS病毒。/CDC

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

眼睛,是我们最重要的感觉器官。我们所获得的信息,有八成是来自视觉。如果形容什么东西最珍贵,总是说“像爱护自己的眼睛一样”去珍惜它。

爱护眼睛,青少年朋友首先要做到,在看书学习的时候,要把书本、纸张放在距离眼睛25厘米的地方。这个距离称为“明视距离”。老师、家长要求的“25厘米距离”是怎么来的?原来,我们的眼睛,能分辨离眼睛25厘米处相距0.1毫米(100000纳米)的两个点。在这种情况下,对眼睛来说,它们所成的视角大约是1’,所成的像恰好能落在视网膜的两个感光细胞上。两个点的距离如果小于0.1毫米,它们在视网膜上的像,就都落到一个感光细胞上,我们的视觉感受到的就只是一个点。显然,设法把这个视角放大,我们就可以看到更小的东西。

光学显微镜的诞生

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

显微镜的问世,要从400年前说起。1590年前后,眼镜工匠詹森把两个凸透镜前后放置,发现物体的细节变得十分清楚。光学显微镜就是这样偶然发明的。但是,谈到显微镜,荷兰人列文虎克的名气比詹森大得多。列文虎克的贡献,不仅是自制出放大倍数达到300的显微镜,而且致力于显微镜的实际应用。这使他成为显微镜发展史上的杰出人物。

阅读关于列文虎克的记载文字,给我们留下最难忘印象的,就是他那不可遏制的强烈的好奇心。他本是个卖亚麻制品的商人,却以制作玻璃与金属制品为乐事。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

他把磨制镜片、组装显微镜作为业余的消遣。做商人,那是为了生计;做实验,那是他的游戏。列文虎克用自制的显微镜发现了一个微观的世界,一个人们从未见过的世界。这使他异常兴奋。我们见惯了大自然的美,有了显微镜才发现,那个微观的自然世界也很动人、也很美!列文虎克怀着极大的兴趣观察了许许多多东西的“细节”。唾液、尿液、叶片、牛粪等,都成了他的观察对象。他破天荒第一次利用显微镜观察到细菌,打破了数百年来人们的迷信猜测,开辟了征服传染病的新纪元。

显微镜的历史,就是不断提高分辨率的历史:使越来越小的样本细节,能够在眼睛上形成1’以上的视角。科学家渐渐认识到,光学显微镜的分辨率与照明辐射的波长成正比。照明辐射的波长越短,显微镜的分辨率越高。可见光的波长为400纳米~760纳米。现代光学显微镜的最大有效放大倍数可以达到2000,能够分辨200纳米的物体,可以看到最小的细菌。多数病毒比细菌小得多,使用光学显微镜就无法观察了。

电子显微镜的诞生

人们对光的认识也在不断深化。1864年,麦克斯韦把全部电磁现象归结为一组数学方程,推论出自然界存在电磁波,指出光只是波长在一个很小范围内的特殊的电磁波。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

1878年人们认识到,光学显微镜的分辨率在理论上是有限度的。科学家知道,为了提高分辨率,必须采用波长更短的“辐射”来照射样品。1905年,26岁的爱因斯坦发表了题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文,首次揭示了光子的波粒二象性。1921年,爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖,就是因为这篇论文的成就。1923年夏天,32岁的德布罗意提出,一切实物粒子都具有波动性;1924年,他给出物质波波长的计算公式,实物粒子动量越大,它的波长就越短。德布罗意获得1929年诺贝尔物理学奖。

物理学的这些革命性事件,引起了显微镜科学技术的革命。德国科学家鲁斯卡和克诺尔想到,既然“一切实物粒子都具有波动性”,那可以用电子束代替光作为显微镜的“光源”。电子与光子一样,也具有波粒二象性,而电子的波长比光的波长短得多,利用电子束照射样品,就能分辨样品更微小的细节。1932年,他们研制出第一台电子显微镜,放大倍数达到12000,超过了光学显微镜。这一年鲁斯卡年仅26岁。1939年,在鲁斯卡主持下,西门子公司制造出世界上第一台实用的电子显微镜。如今,电子显微镜的工作电压高达100万伏,有效放大倍数高达100万倍。电子显微镜完成了显微技术的一次革命,因此鲁斯卡获得1986年诺贝尔物理学奖金的一半,另一半由研制出扫描隧道显微镜的宾尼希和罗雷尔分享。获诺贝尔物理学奖时,鲁斯卡已经是80岁的耄耋老人了,离他去世仅仅两年。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

电子显微镜的革命性在于,它用电子束代替了光学照明。在受到50~100千伏电压的加速后,电子的波长为0.53~0.37纳米,大致等于光波长的l/1000。根据两者波长的关系,大家可以推测,电子显微镜的分辨率会比光学显微镜高得多。现代电子显微镜可以分辨物体上距离0.2纳米的两个点,是光学显微镜的1/1000。借助电子显微镜,人们能够观察金属的晶体结构、蛋白质分子、细胞和病毒的结构。电子显微镜的发明,推动了生物学的研究。

扫描隧道显微镜的诞生

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

电子显微镜观察的物体要放在真空中,要接受脱水处理,而且要接受高速电子的打击。因此,能放进电子显微镜观察的试样受到限制,观察结果也受到影响。科学技术的发展,需要基于新原理的显微镜;而显微镜要在理论上有所突破,必须依赖基础科学的革命性的进展。1958年,日本科学家江崎玲於奈在研究重掺杂PN结时发现了隧道效应,揭示了固体中电子隧道效应的物理原理。江崎玲於奈与贾埃弗、约瑟夫森分享1973年诺贝尔物理学奖。

1978年,一种新型显微镜的灵感,在一次谈话中产生了。一天,IBM公司苏黎世实验室的科学家罗雷尔向德国研究生宾尼希介绍他们实验室的表面物理研究计划。31岁的宾尼希提出,可以用隧道效应来研究表面现象啊!罗雷尔对他的想法很有兴趣。于是,1978年底,罗雷尔就邀请宾尼希来到苏黎世,一起研制利用隧道效应的显微镜。宾尼希和罗雷尔克服了重重困难,终于在1981年研制出扫描隧道显微镜。它是显微技术的又一个革命性的进展,放大倍数达到数千万倍。这种新型显微镜的革命性表现在,它是借助隧道效应研究材料表面。因此,它不使用透镜,对样品无破坏性,而且可以获得三维图像。

扫描隧道显微镜的研制成功,展示的是综合性成果之和谐美。最早利用隧道效应来研究表面现象的不是宾尼希和罗雷尔,而是美国物理学家贾埃弗。我们可以想见,观察样品表面原子尺度,必定要求仪器具有极高的稳定性。贾埃弗未能克服这个巨大的障碍。宾尼希和罗雷尔却在3年时间里,实现了理论上、实验技术上和机械工艺上三大方面的突破,解决了仪器的稳定性难题,取得了最后的成功。没有机械工艺上的突破,扫描隧道显微镜是无法成功的。

扫描隧道显微镜分辨率极高,水平方向达到0.2纳米,垂直方向更达到0.001纳米,可以给出样品表面原子尺度的信息。我们知道,一个原子的典型线度是0.3纳米。对于单个原子成像来说,这样的分辨率已经是足够了。扫描隧道显微镜的发明,促进了生物科学、表面物理、半导体材料和工艺、化学作用的研究。扫描隧道显微镜技术还在继续发展。例如,为了弥补扫描隧道显微镜只能对导体和半导体进行成像和加工这个缺陷,研制出能在纳米尺度对绝缘体进行成像和加工的原子力显微镜。

在上世纪30年代,还出现了一种借助电子来显示物体表面结构的显微镜,那就是场一发射显微镜。1937年,缪勒发明了场一发射显微镜,直接把发射体表面的图像投射到荧光屏上。因为是“直接投射”,这种显微镜的放大倍数,大约等于荧光屏半径除以发射体半径,可以达到100万。场一发射显微镜和场一离子显微镜,是迄今最得力的显微镜之一。场一发射显微镜的分辨率可以达到2纳米。场一离子显微镜的分辨率更高,可以达到0.2纳米。0.2纳米的分辨率是什么意思呢?就是说,荧光屏上能够显示出样品(针尖)表面上的单个原子。在场一离子显微镜中,样品尖端要承受强大的电场力作用。因此,场一离子显微镜仅用于研究金属材料,无法进行生物分子的研究。

显微镜的“编年史”它的发明对于人类意味着什么?

从光学显微镜、电子显微镜到扫描隧道显微镜,显微术与近现代科学结伴同行,走过了400多年的历程。显微镜陪伴伽利略、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦一路走来。显微镜发展的历史,是科学革命的历史,是技术创新的历史,是制造技术发展的历史。显微镜是人类科学、技术、工程活动的和谐产物。像科学史一样,显微镜发展史是一面镜子,给我们许多深刻的启发。

显微镜帮助我们看清物体微观尺度的面貌。有了显微镜,人类不仅可以研究微观结构,发现新的规律,而且在更小的尺度下,发现了另类的赏心悦目的美。显微镜既是真善美融合统一的产物,又是真善美融合统一的“证人”。