由牛津大学设计的一种引人注目的新仪器，能在样品放大的同时，分析其元素组成。

设想有一种仪器，同时具有质谱测定仪的分析能力和电子显微镜的成像能力。在显微镜放大的细节中，不仅能显示出物体的形状，同时还能测定并标志出它的构成。如何使用这样一种装置呢？如何才能弄清具有阿尔茨海默病（即老年痴呆症）特点的神经细胞紊乱的组成？或者测量出能够吸收多少重金属细菌？或者找出一位艺术家（例如伦勃朗）怎样使用颜料？

这种仪器已经不是化学家们的梦想了。它已存放在牛津大学物理系的地下室中，叫做质子微光束（proton microbeam），可以用来试图解答所有这些问题或更多的问题。

这种微型探针的机理，是用一束快速运动的质子，使其穿透样品进行扫描，偶然，一个质子会打进样品里的一个原子，并赶出一个电子。剩下的电子重新排列补齐空缺，放射出具有特殊原子性质的X - 射线。测量此X - 射线的能量，就可以知道原子的恒等性。把光束的位置联结起来，就可以绘出样品图，它被称为PIXE（质子诱导X - 射线发射proton-induced X-ray emission）技术，是微型探针最常使用的方法，但并不是唯一使用的方法。

有时质子会从原子核中直接跳出来，这种情况很少发生，或许只有其击中一个电子的千分之一的机会，而这个回跳的粒子的能量，也能揭示出它所跳出的原子的恒等性，这个现象——卢瑟福反向散射（Rather fordbackscattering）——是由英国物理学家卢瑟福勋爵发现的，他用它对轻电子群围绕着一个重原子核的图像，作了系统的阐述。微型探针的妙处就在于它精巧地弥补了PIXE的不足，PIXE最适用于研究重元素，即在周期表中铝元素位置以上的元素，而卢瑟福反向散射却适用于研究轻元素。

牛津大学物理系的弗兰克 · 瓦特和乔福 · 格里姆（Frank Watt and Geoff Grime），为把这些功能集中起来，组成一种简单而有用的仪器，做出了巨大的贡献。早在20年前，他们就开始着手解决质子来聚焦这一难题，其所以困难是因为这些粒子太重，为了使之聚焦，就需要很强的磁场。到了1980年，他们解决了这个问题，常规地得到宽为1微米的光束。此后，他们又遇到了一个完全不同的问题：资金。虽然，每个人都会认为探针是个精密的设想，它能规律地对直穿透，却难于得到常规的投资。

1986年，英国最大的医药投资金融家之一威尔康姆 · 杜斯特（Wellcome Trust），决定给大型仪器的科学研究项目投资。他确定支持牛津的课题，希望微型探针能够用来测试患阿尔茨海默症病人脑中的斑块，找出其中一种可疑的元素——铝，并发现它究竟起了什么作用。有了这笔资金，质子微光束变成了现实。从此，产生了许多重要的、引人注目的结果。

例如，用微型探针探测阿尔茨海默症病人的经过染色的脑组织，找出了这种综合症斑块的特点、斑块的局部解剖图，同时还分析出其中含有的磷、硫和氮。这些元素的高度浓缩相当于淀粉状蛋白质（一种斑块）结合蛋白质。但是，微型探针却没有在大多数的阿尔茨海默斑块中找到“可疑的罪犯”——铝。

再如，英格兰湖区有一种淡水藻Closterium tumidulus，用微型探针对其扫描，发现在该藻顶部的液泡中含有高浓度的钡和硫。几乎全是硫酸钡的结晶。研究者们都想知道，在周围含钡浓度很低的水中，这些生物是怎样积累钡的，这些结晶的功能又是什么？

具有讽刺意味的是据仪器完成的答案分析——是否所有的阿尔茨海默病患者的脑中有铝元素的问题——仍不能解决。取用患者的脑样品经扫描后的结果，其肯定的论断，并不存在铝元素。虽然，大约有五分之一的样品中可以找到铝，这却绝不意味着与阿尔茨海默病有关。

因为，铝元素几乎到处都有。瓦特说：“用来准备样品的所有试剂都有硅酸铝，我们不能除掉化学药品中的铝或硅。不论我们如何艰苦努力，均无办法。”所以，铝可能是斑块的特征，同样也可能是试剂中的一种杂质，引起淀粉状蛋白质而形成大量的斑块。

这种仪器也能测定其它较轻的物质。例如，你能说出骗子手中的画是伦勃朗的真迹吗？一位自称具有科学基础的考古学家朱里安 · 汉得松（Julian Henderson），他具有考古学学位和核物理学博士学位。他回答说：“不能期望很快就会办到。但经过较长的时间，我们将会告诉你一幅不是伦勃朗画的伦勃朗的作品。”

汉得松依托牛津的研究实验室进行考古学研究，并和伦敦的国家美术院的科学家合作，制造出一种完全为化学物质的、具有伦勃朗特点的铅白颜料，这种颜料通常都是以碳酸铅和碳酸铅羟化物为基本成分，除此之外就是杂质，如少量的镍、铜、铁等，根据这些杂质就能区分各个不同的艺术家。

汉得松用微型探针观察玻璃中的痕量杂质时，得到了许多直接的收获。根据考古学知识，一般认为玻璃来自公元前2000年唯一的生产地——美索不达米亚，汉得松测试了来自美索不达米亚、埃及的特拉尔阿尔玛纳、北希腊、克里特岛和意大利北部的佛来特里纳等地的玻璃。然后谨慎地说：“北希腊使用的玻璃似乎根本不同于来自美索不达米亚和埃及的玻璃。因此，它们不是这两个地方制造的。”

关于微型探针，从时间上来说，汉得松的项目仅仅是许多竞争课题之一。植物学家们用它探测成熟油棕果的落果期，以便作出预报，挽救生产者的损失。环境物理学们用它监测污染，对飞尘颗粒进行扫描和分析。材料学家们用它观测高温超导体的晶体结构。有这么多的研究项目，这台仪器难得有一次空闲。瓦特解释说：“当科学家们工作累得死里逃生的时候，我们就用新颖的设想去叩击科学”。“不能任意侃大山，只有做实验。”

因此，目前使用质子微光束的实质就在于能够任意研究新的可能性。瓦特说：“我们认为原子核显微镜的全部领域正处于五十年代电子显微镜的相同阶段，它具有巨大的潜力。但是，还没有人搞清楚他们将如何更进一步地应用它。”

[Science，1990年9月28日]