Co určuje rozlišení mikroskopu
Rozlišení mikroskopu je schopnost
Tato charakteristika je určena předevšímvlnová délka záření používaného v mikroskopii (viditelné, ultrafialové, rentgenové záření). Základním omezením je nemožnost získat obraz objektu pomocí elektromagnetického záření, které má menší velikost než vlnová délka tohoto záření.
„Proniknout hlouběji“ do mikrosvěta je možné při použití záření s kratšími vlnovými délkami.
Jak funguje mikroskop?
Optický systém je určen proprostorová transformace radiačního pole před optickým systémem (v „prostoru objektů“) v poli za optickým systémem (v „obrazovém prostoru“). Toto rozdělení „prostorů“ je velmi libovolné, protože tato „prostorová“ pole, odlišná z hlediska změn ve struktuře pole, se mohou v některých případech (například při použití zrcadel) shodovat v trojrozměrném fyzickém prostor.
Této organizace je dosaženopoužití tvarovaných optických prvků, jejichž působení se projevuje fenoménem lomu, odrazu a rozptylu záření. Fyzickou příčinou všech těchto jevů je interference.
V mnoha případech vysvětlit akcioptického prvku stačí použít pojmy podstaty těchto jevů, aniž by byla odhalena role interference, což umožňuje popsat pole záření formalizovaným geometrickým modelem založeným na intuitivním pojetí „paprsku“ světla “a postulát nekonečně malé vlnové délky záření a optické homogenity média vyplňující celý prostor, ve kterém fungují zákony geometrické optiky.
Ale v případě, kdy se ukáže, že je to nutnévezmeme v úvahu vlnové vlastnosti záření a vezmeme v úvahu srovnatelnost rozměrů optického prvku s vlnovou délkou záření, geometrická optika začne dávat chyby, které se říká difrakce, což v podstatě není nezávislý jev, ale pouze stejné rušení.
Co jsou mikroskopy
- Optické mikroskopy
Lidské oko je přirozenéoptická soustava vyznačující se určitou rozlišovací schopností, tedy nejmenší vzdáleností mezi prvky pozorovaného objektu (vnímanými jako body nebo čáry), při které se ještě mohou od sebe lišit.
Pro normální oko, když se vzdalujete od objektut. n. nejlepší vzdálenost vidění (D = 250 mm), průměrné normální rozlišení je ~ 0,2 mm. Velikost mikroorganismů, většina rostlinných a živočišných buněk, malé krystaly, podrobnosti o mikrostruktuře kovů a slitin atd. Jsou mnohem menší než tato hodnota.
Do poloviny 20. století se pracovalo pouze s viditelnýmoptické záření, v rozsahu 400-700 nm, stejně jako blízké ultrafialové (fluorescenční mikroskop). Optické mikroskopy nemohly poskytnout rozlišení menší než je polovina cyklu referenční radiační vlny (rozsah vlnových délek 0,2-0,7 μm nebo 200-700 nm).
Optický mikroskop je tedy schopen rozlišit struktury se vzdáleností mezi body až ~ 0,20 μm, takže maximální zvětšení, kterého lze dosáhnout, bylo ~ 2000krát.
- Elektronové mikroskopy
Paprsek elektronů, který má vlastnosti nejen částice, ale také vlny, lze použít v mikroskopii.
Vlnová délka elektronu závisí na jeho energii aenergie elektronu je rovna E = Ve, kde V je potenciální rozdíl prošlý elektronem, e je náboj elektronu. Vlnová délka elektronů při průchodu potenciálovým rozdílem 200 000 V je asi 0,1 nm.
Elektrony lze snadno zaostřit pomocí elektromagnetických čoček, protože elektron je nabitá částice. Elektronický obraz lze snadno převést na viditelný.
Rozlišení elektronového mikroskopu je 1 000–10 000krát vyšší než rozlišení tradičního světelného mikroskopu a pro nejlepší moderní přístroje to může být méně než jeden angstrom.
- Skenovací mikroskopy sondy
Třída mikroskopů založená na povrchovém skenování pomocí sondy.
Mikroskopy se skenovací sondou (SPM) jsou relativně novou třídou mikroskopů. S SPM se obraz získává záznamem interakcí mezi sondou a povrchem.
V této fázi vývoje je možné se zaregistrovatinterakce sondy s jednotlivými atomy a molekulami, díky nimž jsou SPM srovnatelné v rozlišení síly s elektronovými mikroskopy a v některých parametrech je překonávají.
- Rentgenové mikroskopy
Rentgenový mikroskop- přístroj pro studium velmi malýobjekty, jejichž rozměry jsou srovnatelné s vlnovou délkou rentgenového záření. Na základě použití elektromagnetického záření o vlnové délce od 0,01 do 1 nanometru.
Rozlišovací rentgenové mikroskopyschopnosti jsou mezi elektronovými a optickými mikroskopy. Teoretické rozlišení rentgenového mikroskopu dosahuje 2–20 nanometrů, což je řádově vyšší rozlišení než optický mikroskop (až 150 nanometrů). V současné době existují rentgenové mikroskopy s rozlišením asi 5 nanometrů.
- Infračervená mikroskopie
Jedná se o výzkumnou metodu pozorováním vzorků mikroskopem v infračerveném světle. Metoda je určena pro studium velmi malých vzorků (řádově mikrometrů).
Viditelné světlo pozorované experimentátorem ainfračervené světlo zaznamenané detektorem prochází jedním běžným optickým systémem, proto obraz v binokulárním dalekohledu odpovídá oblasti, která je analyzována infračerveným zářením.
Infračervená mikroskopie se používá k analýze vzorků ve velmi malých množstvích (0,01 až 100 µg) nebo malých velikostech (10–1 až 10–3 mm), jakož i kolísání koncentrací a inkluzí.
Jaké jsou nevýhody vynalezených mikroskopů?
Výkon světelných mikroskopůomezeno úrovní náhodného šumu vytvářeného elementárními částicemi světla - kvantami elektromagnetického záření nebo fotony. Diskrétnost fotonů určuje citlivost, rozlišení a rychlost optických zařízení.
Pro optimalizaci těchto parametrů vývojářiobvykle následují cestu zvyšování intenzity světla a nahrazování konvenčních zdrojů laserovými. Použití laserových mikroskopů však není vždy možné při studiu biologických systémů, protože jasné lasery mohou zničit živou buňku.
Jak pokročila věda ve vývoji mikroskopů?
Posledním velkým objevem v této oblasti bylvyrobeno začátkem června 2021. Vědci z Austrálie a Německa vytvořili kvantový mikroskop, který dokáže vidět dříve neviditelné buněčné struktury.
Podle autorů to připravuje cestu pro vytváření nových biotechnologií a praktických aplikací - od navigace po lékařské zobrazování. Výsledky výzkumu jsou publikovány v časopise Nature.
Výzkumníci z University of Queensland navrhli, že biologické zobrazování by bylo možné zlepšit bez zvýšení intenzity světla pomocí kvantových fotonických korelací.
Spolu s německými kolegy z RostockuUniverzita experimentálně prokázala, že pomocí kvantových korelací můžete získat poměr signálu k šumu o 35 procent vyšší než u konvenční mikroskopie bez fotodamage. Díky této technologii a rychlosti zpracování obrazu mnohem vyšší.
Jak funguje kvantový mikroskop?
Tvůrci kvantového mikroskopu udělaliinstalace, což je koherentní Ramanův mikroskop s rozlišením subvlnových délek a jasným kvantově korelovaným osvětlením, který umožňuje vizualizovat molekulární vazby uvnitř buňky.
Mikroskop je založen na kvantové vědězapletení, efekt, který Einstein popsal jako „strašidelné interakce na dálku“. Je to první senzor na světě založený na zapletení s výkonem převyšujícím nejlepší stávající technologie. Jeho vytvoření povede ke všem druhům nových technologií, od nejnovějších navigačních systémů po pokročilejší stroje, poskytuje o 35 procent lepší jasnost bez zničení buňky, což nám umožňuje vidět drobné biologické struktury, které by jinak byly neviditelné.
Warwick Bowen Profesor Laboratoře kvantové optiky a Centra excelence pro inženýrské kvantové systémy při Australské výzkumné radě
Autoři se domnívají, že hlavním úspěchem nové metody je překonání takzvaného vítězství nad principy tradiční světelné mikroskopie, která není schopna proniknout do živé buňky.
Přečtěte si více:
Zvíře ožilo po 24 tis. Letech hibernace v sibiřském permafrostu
Změna klimatu povede k extrémním srážkám a záplavám
Přirozený výběr může zvrátit vývoj sexuálního výběru