1. 普通光学显微镜
现代普通光学显微镜利用目镜和物镜两组透镜系统来放大成像，故又常被称为复式显微镜。它们由机械装置和光学系统两大部分组成。机械装置包括镜座、支架、载物台、调焦螺旋等部件，是显微镜的基本组成单位，主要是保证光学系统的准确配制和灵活调控，在一般情况下是固定不变的。而光学系统由物镜、目镜、聚光器等组成，直接影响着显微镜的性能，是显微镜的核心。一般的显微镜都可配置多种可互换的光学组件，通过这些组件的变换可改变显微镜的功能，如明视野、暗视野、相差等。
对任何显微镜来说，分辨率是决定其观察效果的最重要指标。从物理学角度看，光学显微镜的分辨率受光的干涉现象及所用物镜性能的限制，可表示为：
式中l为所用光源波长；q为物镜镜口角的半数，它取决于物镜的直径和工作距离（图2-8）；n为玻片与物镜间介质的折射率，显微观察时可根据物镜的特性而选用不同的介质，例如空气（n=1.0）、水（n=1.33）、香柏油（n=1.52）等。n sinq也被表示为数值孔径值（Numerical Aperture，NA），它是决定物镜性能的最重要指标。光学显微镜在使用最短波长的可见光（l=450nm）作为光源时在油镜下可以达到其最大分辨率，0.18 mm（表2-1）。由于肉眼的正常分辨能力一般为 0.25 mm左右，因此光学显微镜有效的最高总放大倍数只能达到 1,000~1,500倍，在此基础上进一步提高显微镜的放大能力对观察效果的改善并无帮助。
明视野显微镜的的照明光线直接进入视野，属透射照明。生活的细菌在明视野显微镜下观察是透明的，不易看清。而暗视野显微镜则利用特殊的聚光器实现斜射照明，给样品照明的光不直接穿过物镜，而是由样品反射或折射后再进入物镜（图 2-9），因此，整个视野是暗的，而样品是明亮的。正如我们在白天看不到的星辰却可在黑暗的夜空中清楚地显现一样，在暗视野显微镜中由于样品与背景之间的反差增大，可以清晰地观察到在明视野显微镜中不易看清的活菌体等透明的微小颗粒。而且，即使所观察微粒的尺寸小于显微镜的分辨率，依然可以通过它们散射的光而发现其存在。因此，暗视野法主要用于观察生活细菌的运动性。
光线通过比较透明的标本时，光的波长（颜色）和振幅（亮度）都没有明显的变化，因此，用普通光学显微镜观察未经染色的标本（如活的细胞）时，其形态和内部结构往往难以分辨。然而，由于细胞各部分的折射率和厚度的不同，光线通过这种标本时，直射光和衍射光的光程就会有差别。随着光程的增加或减少，加快或落后的光波的相位会发生改变（产生相位差）。光的相位差人肉眼感觉不到，但相差显微镜配备有特殊的光学装置——环状光阑和相差板，利用光的干涉现象，能将光的相位差转变为人眼可以察觉的振幅差（明暗差），从而使原来透明的物体表现出明显的明暗差异，对比度增强。正由于样品的这种反差是以不同部位的密度差别为基础形成的，因此，相差显微镜使人们能在不染色的情况下比较清楚地观察到在普通光学显微镜和暗视野显微镜下都看不到或看不清的活细胞及细胞内的某些细微结构，是显微技术的一大突破，为此，其发明人F. Zernike获得了1953年的诺贝尔奖。
有些化合物（荧光素）可以吸收紫外线并转放出一部分为光波较长的可见光，这种现象称为荧光。因此，在紫外线的照射下，发荧光的物体会在黑暗的背景下表现为光亮的有色物体，这就是荧光显微技术的原理。由于不同荧光素的激发波长范围不同，因此同一样品可以同时用二种以上的荧光素标记，它们在荧光显微镜下经过一定波长的光激发发射出不同颜色的光。荧光显微技术在免疫学、环境微生物学、分子生物学中应用十分普遍。
5. 透射电子显微镜
由于显微镜的分辨率取决于所用光的波长，人们从本世纪初开始就尝试用波长更短的电磁波取代可见光来放大成像，以制造分辨本领更高的显微镜。1933年，德国人E. Ruska 制成了世界上第一台以电子作为“光源”的显微镜----电子显微镜。其理论依据是：电子束通过电磁场时会产生复杂的螺旋式运动，但最终的结果是正如光线通过玻璃透镜时一样，产生偏转、汇聚或发散，并同样可以聚集成像。而一束电子具有波长很短的电磁波的性质，其波长与运动速度成反比，速度越快，波长越短。在理论上，电子波的波长最短可达到0.005 nm，所以电子显微镜的分辨能力要远高于光学显微镜（图2-10）。几十年来，电子显微技术发展很快，应用也日益广泛，对包括微生物学在内的许多学科的进步都起了巨大的推动作用。
6. 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope SEM）与光学显微镜和透射电镜不同，它的工作原理类似于电视或电传真照片。电子枪发出的电子束被磁透镜汇聚成极细的电子“探针”，在样品表面进行“扫描”，电子束扫到的地方就可激发样品表面放出二次电子（同时也有一些其它信号）。二次电子产生的多少与电子束入射角度有关，也即是与样品表面的立体形貌有关。与此同时，在观察用的荧光屏上另一个电子束也做同步的扫描。二次电子由探测器收集，并在那里被闪烁器变成光信号，再经光电倍增管和放大器又变成电压信号来控制荧光屏上电子束的强度。这样，样品上产生二次电子多的地方，在荧光屏上相应的部位就越亮，我们就能得到一幅放大的样品立体图像。
7. 扫描隧道显微镜
在光学显微镜和电子显微镜的结构和性能得到不断完善的同时，基于其它各种原理的显微镜也不断问世，使人们认识微观世界的能力和手段得到不断提高，其中80年代才出现的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是显微镜领域的新成员，主要原理是利用了量子力学中的隧道效应。
近年来,在STM的基础上又发展出了另一种扫描探针式显微镜，原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）。AFM也是利用细小的探针对样品表面进行恒定高度的扫描来对样品进行“观察”，但它不是通过隧道电流，而是通过一个激光装置来监测探针随样品表面的升降变化来获取样品表面形貌的信息，因此，与STM不同，AFM可以用于对不具导电性，或导电能力较差的样品进行观察。
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