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自製雷文霍克顯微鏡



文/陳其威
生物與物理跨科探究與實作--雷文霍克單式顯微鏡

顯微鏡的出現開啟了人們對微小世界的觀察，滿足了我們對微生物的好奇心。顯微鏡是目前生物課觀察微生物必備的儀器，但礙於某些限制，可能無法讓每名學生單獨一人使用顯微鏡，往往是一組共用一台，甚至一個班級只有兩台顯微鏡，大家輪流著使用。是否有更簡單觀察微生物的儀器？不僅同時能讓每一名學生在教室內觀察微小事物，也能讓學生們到戶外進行野外微生物考察。現在就讓我們來看看如何製作簡單的隨身顯微鏡吧！

前言

1673 年，荷蘭商人雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek）平時的興趣是研磨鏡片並觀察各式各樣的微生物。他設計出比瞳孔還小的單式顯微鏡(圖1)，並觀察到放大200倍的微生物，為了紀念雷文霍克，後人稱他為 「微生物學之父」，2004年雷文霍克被票選為最偉大的荷蘭人之一。
 自製雷文霍克顯微鏡1
圖1. 雷文霍克單式顯微鏡之複製品，樣品可置於透鏡前的針尖上

在單式顯微鏡問世前，當時大多熟悉羅伯特·虎克（Robert Hooke）所設計的複式顯微鏡，放大倍率大約二、三十倍，能夠觀察細胞、跳蚤等，直到雷文霍克設計單式顯微鏡，才大幅提升放大倍率至200倍。他首先觀察肌纖維、細菌、精蟲及各式各樣的單細胞生物等，就連當時候的英國皇家學會也不敢相信。

課前準備

本次實驗主要的材料很簡單，大多可在文具行、五金行購買，比較特別的是玻璃珠與透鏡的部分，玻璃珠可自行將玻璃管，用瓦斯噴燈加熱製作，或是直接買現成的玻璃珠，筆者是向台興玻璃儀器藝品禮品行購買，一公斤440元左右，數量非常多，可以與其他老師們一同分享。LED平凸壓克力透鏡的部分，可以拆雷射筆前端的透鏡，或是向創意改裝工作坊購買，一個大約10元，若需要的數量較多，則可以在淘寶選購，價格會比較低一些。

原理簡介

光學顯微鏡有許多種類，依照鏡片的數量大致可分成兩種，分別是複式顯微鏡與單式顯微鏡。複式顯微鏡主要構造有目鏡與物鏡，比較容易調整對焦位置，因此成像較為清晰，當然製作成本比較高；而單式顯微鏡，構造簡單，主要的材料只需要一個平凸透鏡（玻璃珠）。找到合適的凸透鏡，放大的效果也不輸複式顯微鏡（但無法微調，故不易聚焦）！

本實驗所使用的玻璃珠（平凸透鏡）焦距很短，無法拿到眼鏡行測量度數，換算出透鏡的焦距。但筆者利用太陽光照射後，觀察聚焦的位置，測量焦距的大小，或是由 製鏡者方程

自製雷文霍克顯微鏡2
圖2. 平行光進入透鏡時，光線折射的示意圖

計算1mm玻璃珠 計算平凸壓克力
詳細的推導過程，可參考曲面的折射成像--笛卡兒公式。

材料與工具

如圖3，需玻璃珠（直徑1mm）、壓克力平凸透鏡（直徑8.5mm）、厚紙板、圓規、膠水、雙面膠、膠帶、迴紋針、塑膠片、剪刀、美工刀、樣品、染色液、夾子等。
自製雷文霍克顯微鏡3
圖3. 製作單式顯微鏡與樣品所需的器材

實驗過程分享

一、玻璃珠顯微鏡製作(圖4)

1. 裁切厚紙板成名片大小，並在中心用圓規的針尖戳一個小洞。
2. 塗些許膠水於洞口處，並塞入小玻璃珠，若有多餘膠水要儘速擦乾，否則會影響成像。
3. 在洞口兩旁可以切兩條縫（0.5mm x 20mm），之後可以放簡易樣品試片。
自製雷文霍克顯微鏡4-1
圖4-1. 在厚紙板的中心處，挖一個小洞

自製雷文霍克顯微鏡4-2
圖4-2. 在洞口旁裁切兩條縫，並塞入玻璃珠

二、平凸透鏡顯微鏡製作(圖5)

1. 在平凸透鏡的邊緣貼上雙面膠，並黏於迴紋針上。
2. 將迴紋針夾緊後，貼上膠帶固定（避免使用快乾膠，因為快乾膠會滲入鏡面影響觀察）。
3. 讓平面的位置對準相機鏡頭，並用橡皮筋固定平凸透鏡顯微鏡，即可完成。
自製雷文霍克顯微鏡5-1
圖5-1. 細長的雙面膠黏於透鏡半圈的邊緣

自製雷文霍克顯微鏡5-2
圖5-2. 透鏡在迴紋針夾緊後，再用膠帶固定

三、簡易的樣品製作(圖6)

1. 收集樣品標本，例如：水蘊草、洋蔥、蚊子、果蠅、食鹽等。
2. 將樣品染色、切片後，攤平置在1.5cm x 5cm的塑膠片上。
3. 最後再黏上膠帶，並把多餘的水份（染色液）擦乾。
自製雷文霍克顯微鏡6-1
圖6-1. 將染色液滴在洋蔥樣品上

自製雷文霍克顯微鏡6-2
圖6-2. 樣品攤平後，舖在透明的塑膠片上

實驗心得與結果

本次的課程規劃，包含簡單介紹顯微鏡的發展史、光學原理、動手實作與觀察紀錄，課程時間約2~3節課，大部分的同學生都認真製作並仔細觀察周遭的細微事物，整堂課結束後學生表示有收穫，並覺得很有成就感，利用這次實驗的簡單材料，就能夠做出效果很棒的顯微鏡，不僅能在課堂上觀察，也能夠帶回家操作使用。

一、玻璃珠顯微鏡所拍攝的畫面（放大倍率約300倍）
 
使用玻璃珠顯微鏡拍攝較不容易對焦，一點點的晃動，就會造成相片的模糊，因此拍攝時可利用相機的腳架輔助，玻璃珠與紙片的部分，可以使用無痕膠帶直接黏貼於相機上，拍攝時，與樣品緊貼在一起。剛開始拍攝時，可以先試拍電腦螢幕的畫素(pixel)，不用另外增加光源，可以很清楚地拍攝紅藍綠三原色，也可以調整螢幕的顏色、明暗，觀察畫素三原色的變化(見圖7、8)。
自製雷文霍克顯微鏡7
圖7. 電腦螢幕的畫素，由紅藍綠三原色組成

自製雷文霍克顯微鏡8
圖8. 蚊子腳上的觸鬚，也照得非常清楚

拍攝自製樣品的部份，筆者選用生活中常見的洋蔥。將洋蔥染色後，除了可以看到細胞壁外，甚至還可清楚地看到細胞核。也可以到水族館買些水蘊草來觀察，選擇透光度佳、較新鮮的葉子，水蘊草的厚度只有兩層細胞，容易觀察。又或者是可以抓隻蚊子來觀察，可以選擇蚊子的腳、觸鬚部分拍攝，可以拍到許多有小纖毛。也可以與生物老師借一些現成的標本來拍攝，例如椴木年輪的切面、向日葵的莖、骨骼細胞等，可以觀察不同細胞的形狀與它們的組成結構(見圖9)。
自製雷文霍克顯微鏡9-1
圖9-1. 染色的洋蔥細胞，可以看到細胞壁與細胞核

自製雷文霍克顯微鏡9-2
圖9-2. 水蘊草的細胞，可觀察細胞整齊排列

自製雷文霍克顯微鏡9-3
圖9-3. 椴木年輪橫切面的樣品

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圖9-4. 向日葵莖部的橫切面的樣品

二、平凸壓克力顯微鏡所拍攝的畫面（放大倍率約30倍）

利用平凸壓克力顯微鏡所拍攝的畫面，雖然放大倍率低一些，從拍攝電腦螢幕的畫素來比對，放大倍率大約差了10倍，但此顯微鏡比玻璃珠顯微鏡更容易對焦，拍攝的效果立體感佳，看得範圍也比較廣，因此適合觀察整體的構造。例如小菜蟲、蚊子、小蜘蛛和果蠅等(見圖10〜13)，都能夠觀察到更細微的結構。
自製雷文霍克顯微鏡10
圖10. 放大倍率較低時，拍攝範圍雖廣，但四周會有些形變

自製雷文霍克顯微鏡11
圖11. 觀察小菜蟲的蠕動過程

自製雷文霍克顯微鏡12
圖12. 觀察蚊子的細微結構

自製雷文霍克顯微鏡13
圖13. 6mm的小蜘蛛，景深增加了不少立體感

此外，也可以觀察喜馬拉雅山粉色岩鹽（一般食鹽也可以；見圖14）和星砂。在微小的世界中，或許跟你想像的很不一樣唷！另外，此顯微鏡還有辨識真鈔的功能，例如在百元的真鈔上，有許多小地方印有「100」的小字樣(見圖15)，透過平凸壓克力顯微鏡就可以很容易地觀察到喔！本次的實作儀器不僅製作步驟簡單，費用低廉，但效果卻非常好，有興趣的老師可以帶學生一起動手做做看唷！
自製雷文霍克顯微鏡14
圖14. 粉色的岩鹽結晶，每個形狀都不一樣

自製雷文霍克顯微鏡15
圖15. 百元鈔票上印有許多100的小字樣

延伸閱讀

1. 自製雷文霍克式顯微鏡
2. 雷文霍克：第一位看見微生物的人
3. 球界面的折射成像–笛卡兒公式、造鏡者公式
4. 臺北市酷課雲線上教學課程「光學應用二：單式顯微鏡」













新竹科學園區實驗中學物理教師
陳其威