Was bestimmt die Auflösung des Mikroskops
Die Auflösung eines Mikroskops ist die Fähigkeit
Diese Eigenschaft wird in erster Linie bestimmtdie Wellenlänge der in der Mikroskopie verwendeten Strahlung (sichtbare, ultraviolette, Röntgenstrahlung). Die grundlegende Einschränkung ist die Unmöglichkeit, mit elektromagnetischer Strahlung ein Bild eines Objekts zu erhalten, das kleiner als die Wellenlänge dieser Strahlung ist.
„Tiefer vorzudringen“ in die Mikrowelt ist möglich, wenn Strahlung mit kürzeren Wellenlängen verwendet wird.
Wie funktioniert ein Mikroskop?
Das optische System ist ausgelegt fürräumliche Transformation des Strahlungsfeldes vor dem optischen System (im "Objektraum") im Feld nach dem optischen System (im "Bildraum"). Diese Aufteilung von "Räumen" ist sehr willkürlich, da diese "Raum"-Felder, anders als die Änderungen in der Struktur des Feldes, in einigen Fällen (z. B. bei der Verwendung von Spiegeln) in dreidimensionalen physikalischen Raum.
Diese Organisation wird erreicht durchdie Verwendung von geformten optischen Elementen, deren Wirkung sich in dem Phänomen der Brechung, Reflexion und Streuung von Strahlung manifestiert. Die physikalische Ursache all dieser Phänomene ist Interferenz.
In vielen Fällen, um die Aktion zu erkläreneines optischen Elements reicht es völlig aus, die Konzepte des Wesens dieser Phänomene zu verwenden, ohne die Rolle der Interferenz zu offenbaren, was es ermöglicht, das Strahlungsfeld durch ein formalisiertes geometrisches Modell zu beschreiben, das auf einem intuitiven Konzept eines "Strahls" basiert des Lichts" und das Postulat, dass die Strahlungswellenlänge unendlich klein ist und die optische Homogenität des Mediums den gesamten Raum ausfüllt, in dem die Gesetze der geometrischen Optik wirken.
Aber für den Fall, dass es notwendig istUm die Welleneigenschaften der Strahlung zu berücksichtigen und die Vergleichbarkeit der Abmessungen des optischen Elements mit der Strahlungswellenlänge zu berücksichtigen, beginnt die geometrische Optik Fehler zu geben, die als Beugung bezeichnet wird, die im Wesentlichen kein unabhängiges Phänomen ist, sondern nur die gleiche Störung.
Was sind Mikroskope?
- Optische Mikroskope
Das menschliche Auge ist ein Naturtalentein optisches System, das durch eine bestimmte Auflösung gekennzeichnet ist, d. h. den kleinsten Abstand zwischen den Elementen des beobachteten Objekts (wahrgenommen als Punkte oder Linien), bei dem sie sich noch voneinander unterscheiden können.
Für ein normales Auge, wenn Sie sich von einem Objekt entfernen umt. n. beste Sichtweite (D = 250 mm), die durchschnittliche normale Auflösung beträgt ~ 0,2 mm. Die Größen der Mikroorganismen, der meisten Pflanzen- und Tierzellen, kleiner Kristalle, Details der Mikrostruktur von Metallen und Legierungen usw. liegen weit unter diesem Wert.
Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts wurde nur mit Sichtbarem gearbeitetoptische Strahlung im Bereich von 400-700 nm sowie nahes Ultraviolett (Fluoreszenzmikroskop). Optische Mikroskope konnten keine Auflösung liefern, die kleiner als die Halbwelle der Referenzstrahlungswelle (Wellenlängenbereich 0,2–0,7 μm oder 200–700 nm) ist.
Somit kann das optische Mikroskop Strukturen mit einem Punktabstand von bis zu ~ 0,20 μm unterscheiden, sodass die maximal erreichbare Vergrößerung ~ 2000-fach betrug.
- Elektronenmikroskope
Ein Elektronenstrahl, der nicht nur die Eigenschaften eines Teilchens, sondern auch einer Welle hat, kann in der Mikroskopie verwendet werden.
Die Wellenlänge eines Elektrons hängt von seiner Energie ab undDie Energie des Elektrons ist gleich E = Ve, wobei V die vom Elektron durchgelassene Potentialdifferenz und e die Ladung des Elektrons ist. Die Wellenlänge von Elektronen beim Durchgang durch eine Potentialdifferenz von 200.000 V beträgt etwa 0,1 nm.
Elektronen lassen sich mit elektromagnetischen Linsen leicht fokussieren, da ein Elektron ein geladenes Teilchen ist. Ein elektronisches Bild kann leicht in ein sichtbares umgewandelt werden.
Die Auflösung eines Elektronenmikroskops ist 1000-10000-mal höher als die eines herkömmlichen Lichtmikroskops und kann bei den besten modernen Instrumenten weniger als ein Angström betragen.
- Rastersondenmikroskope
Eine Klasse von Mikroskopen, die auf der Oberflächenabtastung mit einer Sonde basiert.
Rastersondenmikroskope (SPM) sind eine relativ neue Klasse von Mikroskopen. Mit einem SPM wird ein Bild durch die Aufzeichnung von Wechselwirkungen zwischen der Sonde und der Oberfläche gewonnen.
In diesem Entwicklungsstadium ist es möglich, sich zu registrierenWechselwirkung der Sonde mit einzelnen Atomen und Molekülen, wodurch SPMs im Auflösungsvermögen mit Elektronenmikroskopen vergleichbar sind und diese in einigen Parametern übertreffen.
- Röntgenmikroskope
Röntgenmikroskop- ein Gerät zum Lernen sehr kleinerObjekte, deren Abmessungen mit der Röntgenwellenlänge vergleichbar sind. Basierend auf der Verwendung elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,01 bis 1 Nanometer.
Auflösung RöntgenmikroskopeFähigkeiten liegen zwischen Elektronen- und Lichtmikroskopen. Die theoretische Auflösung eines Röntgenmikroskops erreicht 2-20 Nanometer, was eine Größenordnung höher ist als die Auflösung eines optischen Mikroskops (bis zu 150 Nanometer). Derzeit gibt es Röntgenmikroskope mit einer Auflösung von etwa 5 Nanometern.
- Infrarotmikroskopie
Dies ist eine Forschungsmethode, bei der Proben durch ein Mikroskop im Infrarotlicht beobachtet werden. Die Methode ist für die Untersuchung sehr kleiner Proben (in der Größenordnung von Mikrometern) gedacht.
Das vom Experimentator beobachtete sichtbare Licht undDas vom Detektor aufgenommene Infrarotlicht durchläuft ein gemeinsames optisches System, so dass das Bild im Fernglas dem Bereich entspricht, der in Infrarotstrahlung analysiert wird.
Mit der IR-Mikroskopie werden Proben in kleinsten Mengen (von 0,01 bis 100 µg) oder kleinen Größen (von 10–1 bis 10–3 mm) sowie Konzentrationsschwankungen und Einschlüsse analysiert.
Was sind die Nachteile der erfundenen Mikroskope?
Leistung von Lichtmikroskopenbegrenzt durch das Niveau des zufälligen Rauschens, das von elementaren Lichtteilchen erzeugt wird - Quanten elektromagnetischer Strahlung oder Photonen. Die Diskretion von Photonen bestimmt die Empfindlichkeit, Auflösung und Geschwindigkeit optischer Geräte.
Um diese Parameter zu optimieren, haben die Entwicklerfolgen normalerweise dem Weg, die Intensität des Lichts zu erhöhen und seine herkömmlichen Quellen durch Laserquellen zu ersetzen. Aber der Einsatz von Lasermikroskopen ist bei der Untersuchung biologischer Systeme nicht immer möglich, da helle Laser eine lebende Zelle zerstören können.
Wie ist die Wissenschaft bei der Entwicklung von Mikroskopen vorangekommen?
Die letzte große Entdeckung in diesem Bereich warhergestellt Anfang Juni 2021. Wissenschaftler aus Australien und Deutschland haben ein Quantenmikroskop entwickelt, das bisher unsichtbare Zellstrukturen erkennen kann.
Dies ebnet den Autoren zufolge den Weg für die Schaffung neuer Biotechnologien und praktischer Anwendungen – von der Navigation bis zur medizinischen Bildgebung. Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Forscher der University of Queensland haben vorgeschlagen, dass die biologische Bildgebung mithilfe quantenphotonischer Korrelationen verbessert werden könnte, ohne die Lichtintensität zu erhöhen.
Zusammen mit deutschen Kollegen aus RostockAn der Universität haben sie experimentell bewiesen, dass sich mit Hilfe von Quantenkorrelationen ein 35 Prozent höheres Signal-Rausch-Verhältnis als mit konventioneller Mikroskopie ohne Lichtschäden erzielen lässt. Viel höher mit dieser Technologie und der Geschwindigkeit der Bildverarbeitung.
Wie funktioniert ein Quantenmikroskop?
Die Schöpfer des Quantenmikroskops habenInstallation, bei der es sich um ein kohärentes Raman-Mikroskop mit Subwellenlängenauflösung und heller quantenkorrelierter Beleuchtung handelt, das es ermöglicht, molekulare Bindungen innerhalb der Zelle sichtbar zu machen.
Das Mikroskop basiert auf der QuantenwissenschaftVerschränkung, ein Effekt, den Einstein als „unheimliche Interaktionen aus der Ferne“ beschrieb. Es ist der weltweit erste verschränkungsbasierte Sensor mit einer Leistung, die den besten vorhandenen Technologien überlegen ist. Seine Entwicklung wird zu allen möglichen neuen Technologien führen, von den neuesten Navigationssystemen bis hin zu fortschrittlicheren Maschinen. Die Quantenverschränkung in unserem Mikroskop sorgt für eine um 35 Prozent verbesserte Klarheit, ohne die Zelle zu zerstören, und ermöglicht es uns, winzige biologische Strukturen zu sehen, die sonst unsichtbar wären.
Warwick Bowen Professor am Quantum Optics Laboratory und am Centre of Excellence for Engineering Quantum Systems am Australian Research Council
Als Haupterfolg der neuen Methode sehen die Autoren die Überwindung des sogenannten Sieges über die Prinzipien der traditionellen Lichtmikroskopie, die nicht in eine lebende Zelle eindringen kann.
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