Какво определя разделителната способност на микроскопа
Разделителната способност на микроскопа е способността
Тази характеристика се определя преди всичкодължината на вълната на лъчението, използвано в микроскопията (видимо, ултравиолетово, рентгеново лъчение). Основното ограничение е невъзможността да се получи изображение на обект с по-малък размер от дължината на вълната на това излъчване с помощта на електромагнитно излъчване.
„Да проникнеш по-дълбоко“ в микросвета е възможно при използване на лъчение с по-къси дължини на вълната.
Как работи микроскопът?
Оптичната система е предназначена запространствена трансформация на радиационното поле преди оптичната система (в "пространството на обектите") в полето след оптичната система (в "пространството на изображението"). Това разделение на "пространства" е много произволно, тъй като тези "пространствени" полета, различни от гледна точка на промените в структурата на полето, могат в някои случаи (например при използване на огледала) да съвпадат в триизмерни физически пространство.
Тази организация се постига чрезизползването на оформени оптични елементи, чието действие се проявява във феномена на пречупване, отражение и разсейване на лъчението. Физическата причина за всички тези явления е намесата.
В много случаи, за да се обясни действиетона оптичен елемент е напълно достатъчно да се използват концепциите за същността на тези явления, без да се разкрива ролята на интерференцията, която дава възможност да се опише радиационното поле чрез формализиран геометричен модел, основан на интуитивна концепция за „лъч на светлината "и постулата за безкрайно малката дължина на вълната на излъчване и оптичната хомогенност на средата, запълваща цялото пространство, в което действат законите на геометричната оптика.
Но в случая, когато се окаже необходимоза да се вземат предвид вълновите свойства на излъчването и да се вземе предвид съпоставимостта на размерите на оптичния елемент с дължината на вълната на излъчване, геометричната оптика започва да дава грешки, което се нарича дифракция, което по същество не е независимо явление, а само същата намеса.
Какво представляват микроскопите
- Оптични микроскопи
Човешкото око е естественооптична система, характеризираща се с определена разделителна способност, тоест най-малкото разстояние между елементите на наблюдавания обект (възприемани като точки или линии), при което те все още могат да се различават един от друг.
За нормално око, когато се отдалечавате от обектт. н. най-добро зрително разстояние (D = 250 мм), средната нормална разделителна способност е ~ 0,2 мм. Размерите на микроорганизмите, повечето растителни и животински клетки, малки кристали, детайли от микроструктурата на метали и сплави и др. Са много по-малки от тази стойност.
До средата на 20 век са работили само с видимиоптично лъчение, в диапазона 400-700 nm, както и близко ултравиолетово (флуоресцентен микроскоп). Оптичните микроскопи не могат да осигурят разделителна способност, по-малка от полупериода на еталонната радиационна вълна (обхват на дължина на вълната 0,2-0,7 μm или 200-700 nm).
По този начин оптичният микроскоп е в състояние да различава структури с разстояние между точките до ~ 0,20 μm, така че максималното увеличение, което може да се постигне, е ~ 2000 пъти.
- Електронни микроскопи
В микроскопията може да се използва лъч от електрони, които имат свойствата не само на частица, но и на вълна.
Дължината на вълната на електрона зависи от неговата енергия иенергията на електрона е равна на E = Ve, където V е потенциалната разлика, преминала от електрона, e е зарядът на електрона. Дължината на вълната на електроните при преминаване през потенциална разлика от 200 000 V е около 0,1 nm.
Електроните могат лесно да бъдат фокусирани с електромагнитни лещи, тъй като електронът е заредена частица. Електронното изображение може лесно да се преобразува във видимо.
Разделителната способност на електронния микроскоп е 1000–10000 пъти по-висока от тази на традиционния светлинен микроскоп, а за най-добрите съвременни инструменти тя може да бъде по-малка от един ангстрем.
- Сканиращи сондови микроскопи
Клас микроскопи, базирани на повърхностно сканиране със сонда.
Сканиращите сондови микроскопи (SPM) са сравнително нов клас микроскопи. При SPM изображение се получава чрез записване на взаимодействията между сондата и повърхността.
На този етап от развитието е възможно да се регистриратевзаимодействие на сондата с отделни атоми и молекули, поради което SPMs са сравними в разделителната способност на електронните микроскопи и ги надминават по някои параметри.
- Рентгенови микроскопи
Рентгенов микроскоп- устройство за учене много малкообекти, чиито размери са сравними с дължината на вълната на рентгеновото лъчение. Въз основа на използването на електромагнитно излъчване с дължина на вълната от 0,01 до 1 нанометър.
Разделителна способност рентгенови микроскописпособностите са между електронни и оптични микроскопи. Теоретичната разделителна способност на рентгенов микроскоп достига 2-20 нанометра, което е с порядък по-висока от резолюцията на оптичния микроскоп (до 150 нанометра). В момента съществуват рентгенови микроскопи с разделителна способност около 5 нанометра.
- Инфрачервена микроскопия
Това е изследователски метод чрез наблюдение на проби през микроскоп в инфрачервена светлина. Методът е предназначен за изследване на много малки проби (от порядъка на микрометри).
Видимата светлина, наблюдавана от експериментатора, иинфрачервената светлина, записана от детектора, преминава през една обща оптична система, така че изображението в бинокъла съответства на площта, която се анализира в инфрачервеното лъчение.
IR микроскопията се използва за анализ на проби в много малки количества (0,01 до 100 µg) или малки размери (10–1 до 10–3 mm), както и колебания на концентрация и включвания.
Какви са недостатъците на изобретените микроскопи?
Изпълнение на светлинните микроскопиограничени от нивото на случаен шум, създаван от елементарни частици светлина - кванти на електромагнитно излъчване или фотони. Дискретността на фотоните определя чувствителността, разделителната способност и скоростта на оптичните устройства.
За да оптимизират тези параметри, разработчицитеобикновено следват пътя на увеличаване на интензивността на светлината и замяна на конвенционалните й източници с лазерни. Но използването на лазерни микроскопи не винаги е възможно при изучаване на биологични системи, тъй като ярките лазери могат да унищожат живата клетка.
Как науката е напреднала в развитието на микроскопите?
Последното голямо откритие в тази област бешенаправени в началото на юни 2021 г. Учени от Австралия и Германия създадоха квантов микроскоп, който може да види невидими преди това клетъчни структури.
Според авторите това проправя пътя за създаване на нови биотехнологии и практически приложения - от навигация до медицинско изобразяване. Резултатите от изследването са публикувани в списание Nature.
Изследователи от Университета на Куинсланд предполагат, че биологичното изображение може да се подобри без увеличаване на интензитета на светлината, като се използват квантови фотонни корелации.
Заедно с немски колеги от РостокВ университета те експериментално доказаха, че използвайки квантови корелации, е възможно да се получи съотношение сигнал / шум с 35% по-високо, отколкото при конвенционалната микроскопия без фотоувреждане. Много по-висока с тази технология и скоростта на обработка на изображенията.
Как работи квантовият микроскоп?
Създателите на квантовия микроскоп са направилиинсталация, която е кохерентен Раманов микроскоп с разделителна способност под дължина на вълната и ярко квантово корелирано осветление, което прави възможно визуализирането на молекулярни връзки вътре в клетката.
Микроскопът се основава на квантовата науказаплитане, ефект, който Айнщайн описва като „призрачни взаимодействия от разстояние“. Това е първият в света сензор, базиран на заплитане, с производителност, превъзхождаща най-добрите съществуващи технологии. Създаването му ще доведе до всякакви нови технологии, от най-новите навигационни системи до по-модерни машини.Квантовото заплитане в нашия микроскоп осигурява 35 процента подобрена яснота, без да разрушава клетката, което ни позволява да видим малки биологични структури, които иначе биха били невидими.
Уоруик Боуен, професор от Лабораторията по квантова оптика и Центъра за върхови постижения за инженерни квантови системи към Австралийския изследователски съвет
Авторите смятат, че основният успех на новия метод е преодоляването на така наречената победа над принципите на традиционната светлинна микроскопия, която не е в състояние да проникне в жива клетка.
Прочетете още:
Животното оживя след 24 хиляди години зимен сън в сибирската вечна лед
Изменението на климата ще доведе до екстремни валежи и наводнения
Естественият подбор може да обърне еволюцията на сексуалния подбор