Hvad bestemmer mikroskopets opløsning
Opløsningen af et mikroskop er evnen
Denne egenskab bestemmes primærtbølgelængden af stråling, der anvendes i mikroskopi (synlig, ultraviolet, røntgenstråling). Den grundlæggende begrænsning er umuligheden af at få et billede af et objekt ved hjælp af elektromagnetisk stråling, der er mindre i størrelse end bølgelængden af denne stråling.
"At trænge dybere ind" i mikroverdenen er mulig, når man bruger stråling med kortere bølgelængder.
Hvordan fungerer et mikroskop?
Det optiske system er designet tilrumlig transformation af strålingsfeltet før det optiske system (i "objektrummet") i feltet efter det optiske system (i "billedrummet"). Denne opdeling af "mellemrum" er meget vilkårlig, da disse "rum" -felter, der adskiller sig fra synspunktet for ændringer i feltstrukturen, i nogle tilfælde (f.eks. Ved brug af spejle) kan falde sammen i tredimensionel fysisk plads.
Denne organisation opnås vedbrugen af formede optiske elementer, hvis virkning manifesteres i fænomenet brydning, refleksion og spredning af stråling. Den fysiske årsag til alle disse fænomener er interferens.
I mange tilfælde for at forklare handlingenaf et optisk element er det helt nok at bruge begreberne om essensen af disse fænomener uden at afsløre interferensens rolle, hvilket gør det muligt at beskrive strålingsfeltet ved hjælp af en formaliseret geometrisk model baseret på et intuitivt koncept af en "stråle af lys "og postulatet for den uendelige strålingsbølgelængde og optiske homogenitet af mediet, der fylder alt rum, hvor lovene for geometrisk optik fungerer.
Men i tilfælde, hvor det viser sig at være nødvendigtfor at tage hensyn til strålingens bølgeegenskaber og tage højde for sammenligneligheden af dimensionerne på det optiske element med strålingsbølgelængden, begynder geometrisk optik at give fejl, der kaldes diffraktion, som i det væsentlige ikke er et uafhængigt fænomen, men kun samme interferens.
Hvad er mikroskoper
- Optiske mikroskoper
Det menneskelige øje er en naturliget optisk system karakteriseret ved en vis opløsning, det vil sige den mindste afstand mellem elementerne i det observerede objekt (opfattet som punkter eller linjer), hvor de stadig kan være forskellige fra hinanden.
Для нормального глаза при удалении от объекта на t. n. bedste synsafstand (D = 250 mm), den gennemsnitlige normale opløsning er ~ 0,2 mm. Størrelsen af mikroorganismer, de fleste plante- og dyreceller, små krystaller, detaljer om mikrostrukturen af metaller og legeringer osv. Er meget mindre end denne værdi.
Indtil midten af det 20. århundrede arbejdede man kun med synligtoptisk stråling, i området 400-700 nm, samt nær ultraviolet (fluorescerende mikroskop). Optiske mikroskoper kunne ikke give en opløsning mindre end halvcyklussen af referencestrålingsbølgen (bølgelængdeområde 0,2-0,7 μm eller 200-700 nm).
Således er det optiske mikroskop i stand til at skelne strukturer med en afstand mellem punkter op til ~ 0,20 um, så den maksimale forstørrelse, der kunne opnås, var ~ 2000 gange.
- Elektronmikroskoper
En stråle af elektroner, som ikke kun har en partikel, men også en bølge, kan bruges i mikroskopi.
Bølgelængden af en elektron afhænger af dens energi, ogelektronens energi er lig med E = Ve, hvor V er potentialforskellen, som elektronen passerer, e er elektronens ladning. Bølgelængden af elektroner, når de passerer gennem en potentialforskel på 200.000 V, er omkring 0,1 nm.
Elektroner kan let fokuseres med elektromagnetiske linser, da en elektron er en ladet partikel. Et elektronisk billede kan let konverteres til et synligt billede.
Opløsningen af et elektronmikroskop er 1000–10000 gange højere end for et traditionelt lysmikroskop, og for de bedste moderne instrumenter kan det være mindre end en angstrøm.
- Scanningssonde-mikroskoper
En klasse mikroskoper baseret på overfladescanning med en sonde.
Scanning probe mikroskoper (SPM) er en relativt ny klasse af mikroskoper. Med en SPM opnås et billede ved at optage interaktioner mellem sonden og overfladen.
På dette udviklingsstadium er det muligt at registrereinteraktion af sonden med individuelle atomer og molekyler, på grund af hvilke SPM'er er sammenlignelige med hensyn til opløsning af effekt til elektronmikroskoper og overgår dem i nogle parametre.
- Røntgenmikroskoper
Røntgenmikroskop- en enhed til at studere meget lillegenstande, hvis dimensioner er sammenlignelige med røntgenbølgelængden. Baseret på brugen af elektromagnetisk stråling med en bølgelængde fra 0,01 til 1 nanometer.
Opløsning røntgenmikroskoperevner er mellem elektron og optiske mikroskoper. Den teoretiske opløsning af et røntgenmikroskop når 2-20 nanometer, hvilket er en størrelsesorden højere end opløsningen af et optisk mikroskop (op til 150 nanometer). I øjeblikket er der røntgenmikroskoper med en opløsning på ca. 5 nanometer.
- Infrarød mikroskopi
Dette er en forskningsmetode ved at observere prøver gennem et mikroskop i infrarødt lys. Metoden er beregnet til at studere meget små prøver (i størrelsesordenen mikrometer).
Det synlige lys observeret af eksperimentatoren, ogdet infrarøde lys, der registreres af detektoren, passerer gennem et fælles optisk system, derfor svarer billedet i kikkerten til det område, der analyseres i infrarød stråling.
IR-mikroskopi bruges til at analysere prøver i meget små mængder (0,01 til 100 µg) eller små størrelser (10–1 til 10–3 mm) såvel som koncentrationsudsving og indeslutninger.
Hvad er ulemperne ved de opfundne mikroskoper?
Lysmikroskops ydeevnebegrænset af niveauet af tilfældig støj skabt af elementære lyspartikler - kvanta af elektromagnetisk stråling eller fotoner. Diskrethed af fotoner bestemmer følsomhed, opløsning og hastighed af optiske enheder.
For at optimere disse parametre, udviklernefølger normalt vejen for at øge lysintensiteten og erstatte dens konventionelle kilder med laser. Men brugen af lasermikroskoper er ikke altid mulig, når man studerer biologiske systemer, da lyse lasere kan ødelægge en levende celle.
Hvordan er videnskaben avanceret i udviklingen af mikroskoper?
Den sidste større opdagelse i dette område varlavet i begyndelsen af juni 2021. Forskere fra Australien og Tyskland har skabt et kvantemikroskop, der kan se tidligere usynlige cellulære strukturer.
Ifølge forfatterne baner dette vejen for oprettelsen af nye bioteknologier og praktiske anvendelser - fra navigation til medicinsk billeddannelse. Forskningsresultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Nature.
Forskere ved University of Queensland har foreslået, at biologisk billeddannelse kunne forbedres uden at øge lysintensiteten ved at bruge kvantefotoniske korrelationer.
Sammen med tyske kolleger fra RostockPå universitetet beviste de eksperimentelt, at ved hjælp af kvantekorrelationer er det muligt at opnå et signal-støjforhold 35 procent højere end ved konventionel mikroskopi uden fotoskader. Meget højere med denne teknologi og billedbehandlingens hastighed.
Hvordan fungerer et kvantemikroskop?
Skaberne af kvantemikroskopet har lavetinstallation, som er et sammenhængende Raman-mikroskop med subbølgelængdeopløsning og klar kvantekorreleret belysning, som gør det muligt at visualisere molekylære bindinger inde i cellen.
Mikroskopet er baseret på kvantevidenskabenentanglement, en effekt, som Einstein beskrev som "uhyggelige interaktioner på afstand." Det er verdens første sammenfiltringsbaserede sensor med ydeevne overlegen i forhold til de bedste eksisterende teknologier. Dens skabelse vil føre til alle slags nye teknologier, fra de nyeste navigationssystemer til mere avancerede maskiner, der er sammenfiltret i vores mikroskop, giver 35 procent forbedret klarhed uden at ødelægge cellen, hvilket giver os mulighed for at se bittesmå biologiske strukturer, der ellers ville være usynlige.
Warwick Bowen professor fra Quantum Optics Laboratory og Center of Excellence for Engineering Quantum Systems ved Australian Research Council
Forfatterne mener, at den nye metodes største succes er at overvinde den såkaldte sejr over principperne for traditionel lysmikroskopi, som ikke er i stand til at trænge ind i en levende celle.
Læs mere:
Dyret blev levende efter 24 tusind års dvale i den sibiriske permafrost
Klimaændringer vil føre til ekstrem regn og oversvømmelse
Naturlig selektion kan vende udviklingen af seksuel selektion