# 显微镜技术与细胞测量

> CIE A-Level 生物学 · 9700
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-microscopy-and-cell-measurement/

本基础主题涵盖显微镜核心原理、常见显微镜类型的比较、目镜测微尺标定，以及实际尺寸、图像尺寸和放大倍数的计算，在CIE的理论和实践试卷中均会考查。

**先修:** [真核细胞基本结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-eukaryotic-cell-structure/)

## 学习目标

- 区分放大倍数和分辨率
- 比较光学显微镜、透射电子显微镜和扫描电子显微镜的核心特点
- 使用镜台测微尺标定目镜测微尺
- 计算放大倍数、图像尺寸和细胞实际尺寸

## 核心原理：放大倍数 vs 分辨率

**放大倍数** — 图像相比于标本实际尺寸的放大倍数

*记法:* $M$

*例:* ×100的放大倍数意味着图像比真实标本大100倍

**分辨率** — 区分两个相邻独立点为不同物体的能力

*例:* 分辨率为1 nm意味着两个相距1 nm的点可以被分别观察到，但距离更近的点则无法区分

这两个术语经常被混淆，但二者对于评估显微镜性能都至关重要。一台显微镜可以有高放大倍数但低分辨率：进一步放大图像只会让它更模糊，而无法显示新的细节。

**例题:** 一名学生声称，由于他们的光学显微镜最高放大倍数可达×1500，因此他们可以观察到直径为25 nm的核糖体。评价该说法。

1. 1. 记住，微小结构能否被观察到取决于分辨率，而非仅取决于放大倍数：
2. 2. 光学显微镜的最大分辨率约为200 nm。任何小于200 nm的结构都无法与背景区分开，无论放大倍数是多少。
3. 3. 25 nm的核糖体远小于200 nm的分辨率极限，因此该学生的说法错误。

> **考试提示:** 在比较类题目中，CIE几乎总是会为放大倍数和分辨率的定义分别分配分数

## 常见显微镜类型的比较

在CIE考试中，你需要比较光学显微镜（LM）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）的核心特点：

| 特点 | 光学显微镜 | 透射电子显微镜 | 扫描电子显微镜 |
| --- | --- | --- | --- |
| 辐射源 | 可见光 | 电子 | 电子 |
| 最大分辨率 | ~200 nm | ~0.1 nm | ~0.1 nm |
| 最大放大倍数 | ~×1500 | ~×1,000,000 | ~×500,000 |
| 标本 | 活的或死的 | 仅死标本 | 仅死标本 |
| 图像类型 | 二维、彩色 | 二维、单色 | 三维、单色 |
| 需要真空 | 否 | 是 | 是 |

**例题:** 说出你会使用哪种显微镜观察花粉粒的三维表面，并给出一个选择理由。

1. 1. 扫描电子显微镜（SEM）可生成标本表面的三维图像
2. 2. SEM有足够的分辨率，可以观察到光学显微镜无法看到的花粉粒表面精细结构
3. 答案：扫描电子显微镜，因为它可以生成标本表面的高分辨率三维图像。

## 目镜测微尺标定

要测量显微镜下标本的实际尺寸，你需要使用目镜测微尺（蚀刻在目镜中的标尺）和镜台测微尺（带有已知精确标尺的载玻片）。更换物镜放大倍数后，目镜测微尺的相对尺寸会发生变化，因此每次更换放大倍数都必须重新标定。

**标定** — 在特定放大倍数下计算1个目镜测微尺单位（epu）长度的过程

**例题:** 一个镜台测微尺总长1 mm，被分为100个等份。在×400放大倍数下，50个目镜测微尺单位与20个镜台测微尺分格对齐。计算1个epu的长度，单位为微米（μm）。

1. 1. 将镜台测微尺总长度转换为μm：
2. $$1 \text{ mm} = 1000 \text{ μm}$$
3. 2. 计算1个镜台测微尺分格（smu）的长度：
4. $$1 \text{ smu} = \frac{1000}{100} = 10 \text{ μm}$$
5. 3. 计算20个smu的总长度：
6. $$20 \times 10 = 200 \text{ μm}$$
7. 4. 20 smu = 50 epu，因此计算1个epu的长度：
8. $$1 \text{ epu} = \frac{200}{50} = 4 \text{ μm}$$

> **考试提示:** 更换放大倍数后一定要重新标定，这是考试中的常见考点

## 放大倍数公式

已知放大倍数、图像尺寸、实际尺寸三个变量中的任意两个，就可以用放大倍数公式计算第三个。单位统一是计算正确最重要的要求。

**放大倍数公式** — Where $M$ = 放大倍数，$I$ = 图像尺寸，$A$ = 标本实际尺寸

*记法:* M = \frac{I}{A}

> **放大倍数三角形**
>
> 画一个三角形，$I$在顶部，$M$在左下，$A$在右下：盖住你要求的变量即可得到公式：$I = M \times A$, $M = I/A$, $A = I/M$

**例题:** 一个线粒体实际长度为3 μm，一名学生将其画为1.5 cm长。计算该绘图的放大倍数。

1. 1. 将两个测量值转换为相同单位（μm）：
2. $$1.5 \text{ cm} = 15 \text{ mm} = 15000 \text{ μm}$$
3. 2. 使用公式 $M = I/A$：
4. $$M = \frac{15000}{3} = 5000$$
5. 最终答案：放大倍数 = ×5000

## 常见错误

- **错误做法:** 在考试答案中混淆放大倍数和分辨率
  - 原因: CIE会为每个术语单独给分，因此混淆会丢失易得分数
  - 正确做法: 被要求比较显微镜时，一定要清晰定义两个术语
- **错误做法:** 计算中对图像尺寸和实际尺寸使用不同单位
  - 原因: 这会导致答案差几个数量级，是非常常见的错误
  - 正确做法: 计算前总是将两个测量值转换为相同单位（通常为μm）
- **错误做法:** 声称电子显微镜可以观察活标本
  - 原因: 电子显微镜需要真空环境和化学固定的标本，因此无法观察活材料
  - 正确做法: 记住只有光学显微镜可以观察活标本
- **错误做法:** 更换放大倍数后忘记重新标定目镜测微尺
  - 原因: 更换放大倍数会改变视野，因此1个epu代表的长度也会改变
  - 正确做法: 调整放大倍数后一定要重新标定目镜测微尺

## 速查表

| 概念 | 核心要点 |
| --- | --- |
| 放大倍数公式 | $M = \frac{I}{A}$; 始终使用相同单位 |
| 放大倍数 vs 分辨率 | 放大倍数 = 尺寸放大; 分辨率 = 区分独立点 |
| 光学显微镜最大分辨率 | 200 nm; 最大放大倍数约×1500 |
| TEM | 细胞内部结构的二维高分辨率图像 |
| SEM | 标本表面的三维高分辨率图像 |
| 单位换算 | 1 mm = 1000 μm; 1 cm = 10000 μm |

## 下一步

显微镜技术与细胞测量是整个第1单元细胞结构的基础主题，也是整个CIE A-Level生物学课程中所有涉及细胞观察的实践工作的基础。掌握细胞尺寸计算和显微镜性能比较对于细胞器结构、细胞分级分离、原核和真核细胞显微分析等主题至关重要。掌握本主题还能培养核心实践技能，这些技能在3号卷和5号卷考试中会被明确考查。

- [真核细胞超微结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-eukaryotic-cell-ultrastructure/)
- [原核细胞结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-prokaryotic-cell-structure/)
- [病毒结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-virus-structure/)

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来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u1-microscopy-and-cell-measurement/