Τι καθορίζει την ανάλυση του μικροσκοπίου
Η ανάλυση ενός μικροσκοπίου είναι η ικανότητα
Αυτό το χαρακτηριστικό καθορίζεται κυρίωςτο μήκος κύματος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται στη μικροσκοπία (ορατή, υπεριώδης ακτινογραφία). Ο θεμελιώδης περιορισμός είναι η αδυναμία λήψης εικόνας ενός αντικειμένου μικρότερου μεγέθους από το μήκος κύματος αυτής της ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Η «διείσδυση βαθύτερα» στον κόσμο μπορεί να γίνει όταν χρησιμοποιείται ακτινοβολία με μικρότερα μήκη κύματος.
Πώς λειτουργεί ένα μικροσκόπιο;
Το οπτικό σύστημα έχει σχεδιαστεί γιαχωρικός μετασχηματισμός του πεδίου ακτινοβολίας πριν από το οπτικό σύστημα (στον "χώρο των αντικειμένων") στο πεδίο μετά το οπτικό σύστημα (στο "διάστημα εικόνας"). Αυτή η διαίρεση των "διαστημάτων" είναι πολύ αυθαίρετη, δεδομένου ότι αυτά τα πεδία "διαστήματος", διαφορετικά από την άποψη των αλλαγών στη δομή του πεδίου, μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις (για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιούν καθρέφτες) να συμπίπτουν σε τρισδιάστατα φυσικά χώρος.
Αυτή η οργάνωση επιτυγχάνεται απόη χρήση διαμορφωμένων οπτικών στοιχείων, η δράση των οποίων εκδηλώνεται στο φαινόμενο της διάθλασης, της ανάκλασης και της σκέδασης της ακτινοβολίας. Η φυσική αιτία όλων αυτών των φαινομένων είναι η παρέμβαση.
Σε πολλές περιπτώσεις, για να εξηγήσω τη δράσηενός οπτικού στοιχείου, αρκεί να χρησιμοποιηθούν οι έννοιες της ουσίας αυτών των φαινομένων, χωρίς να αποκαλυφθεί ο ρόλος των παρεμβολών, κάτι που καθιστά δυνατή την περιγραφή του πεδίου ακτινοβολίας από ένα τυποποιημένο γεωμετρικό μοντέλο που βασίζεται σε μια διαισθητική έννοια μιας "ακτίνας" του φωτός "και το αξίωμα του μήκους κύματος άπειρης ακτινοβολίας και της οπτικής ομοιογένειας του μέσου που γεμίζει όλο το χώρο στον οποίο λειτουργούν οι νόμοι των γεωμετρικών οπτικών.
Αλλά στην περίπτωση που αποδεικνύεται απαραίτητοΓια να ληφθούν υπόψη οι κυματομορφές της ακτινοβολίας και να ληφθεί υπόψη η συγκρισιμότητα των διαστάσεων του οπτικού στοιχείου με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, τα γεωμετρικά οπτικά αρχίζουν να δίνουν σφάλματα, το οποίο ονομάζεται περίθλαση, το οποίο ουσιαστικά δεν είναι ένα ανεξάρτητο φαινόμενο, αλλά μόνο το ίδια παρεμβολή.
Τι είναι τα μικροσκόπια
- Οπτικά μικροσκόπια
Το ανθρώπινο μάτι είναι φυσικόένα οπτικό σύστημα που χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη ανάλυση, δηλαδή τη μικρότερη απόσταση μεταξύ των στοιχείων του παρατηρούμενου αντικειμένου (που γίνονται αντιληπτά ως σημεία ή γραμμές), στην οποία μπορούν ακόμα να διαφέρουν μεταξύ τους.
Για κανονικό μάτι, όταν απομακρύνεστε από ένα αντικείμενο απόκ. ν. καλύτερη απόσταση όρασης (D = 250mm), η μέση κανονική ανάλυση είναι ~ 0,2 mm. Τα μεγέθη των μικροοργανισμών, τα περισσότερα φυτικά και ζωικά κύτταρα, οι μικροί κρύσταλλοι, οι λεπτομέρειες της μικροδομής των μετάλλων και των κραμάτων κ.λπ. είναι πολύ μικρότερες από αυτήν την τιμή.
Μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα δούλευαν μόνο με ορατόοπτική ακτινοβολία, στο εύρος 400-700 nm, καθώς και κοντά στην υπεριώδη (μικροσκόπιο φθορισμού). Τα οπτικά μικροσκόπια δεν μπορούσαν να παρέχουν ανάλυση μικρότερη από τον μισό κύκλο του κύματος ακτινοβολίας αναφοράς (εύρος μήκους κύματος 0,2-0,7 μm ή 200-700 nm).
Έτσι, το οπτικό μικροσκόπιο είναι σε θέση να διακρίνει τις δομές με απόσταση μεταξύ σημείων έως ~ 0,20 μm, οπότε η μέγιστη μεγέθυνση που θα μπορούσε να επιτευχθεί ήταν ~ 2000 φορές.
- Ηλεκτρονικά μικροσκόπια
Στη μικροσκοπία μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια δέσμη ηλεκτρονίων, που έχουν τις ιδιότητες όχι μόνο ενός σωματιδίου, αλλά και ενός κύματος.
Το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου εξαρτάται από την ενέργειά του καιη ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι ίση με E = Ve, όπου V είναι η διαφορά δυναμικού που περνά από το ηλεκτρόνιο, e είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου. Το μήκος κύματος των ηλεκτρονίων όταν διέρχονται από μια διαφορά δυναμικού 200.000 V είναι περίπου 0,1 nm.
Τα ηλεκτρόνια μπορούν να εστιαστούν εύκολα με ηλεκτρομαγνητικούς φακούς, καθώς ένα ηλεκτρόνιο είναι φορτισμένο σωματίδιο. Μια ηλεκτρονική εικόνα μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε ορατή.
Η ανάλυση ενός μικροσκοπίου ηλεκτρονίου είναι 1000-10000 φορές υψηλότερη από αυτήν ενός παραδοσιακού μικροσκοπίου φωτός, και για τα καλύτερα σύγχρονα όργανα μπορεί να είναι μικρότερη από ένα angstrom.
- Μικροσκόπια ανίχνευσης σάρωσης
Μια κατηγορία μικροσκοπίων που βασίζονται σε επιφανειακή σάρωση με καθετήρα
Τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης (SPM) είναι μια σχετικά νέα κατηγορία μικροσκοπίων. Με ένα SPM, μια εικόνα λαμβάνεται καταγράφοντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του καθετήρα και της επιφάνειας.
Σε αυτό το στάδιο ανάπτυξης, είναι δυνατή η εγγραφήαλληλεπίδραση του ανιχνευτή με μεμονωμένα άτομα και μόρια, λόγω των οποίων τα SPM είναι συγκρίσιμα στην επίλυση ισχύος με ηλεκτρονικά μικροσκόπια, και τα ξεπερνούν σε ορισμένες παραμέτρους.
- Μικροσκόπια ακτίνων Χ
Μικροσκόπιο ακτίνων Χ- μια συσκευή για τη μελέτη πολύ μικρήαντικείμενα των οποίων οι διαστάσεις είναι συγκρίσιμες με το μήκος κύματος των ακτίνων Χ. Βασίζεται στη χρήση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με μήκος κύματος από 0,01 έως 1 νανόμετρο.
Μικροσκόπια ακτινογραφίας ανάλυσηςΟι ικανότητες είναι μεταξύ ηλεκτρονίων και οπτικών μικροσκοπίων. Η θεωρητική ανάλυση ενός μικροσκοπίου ακτίνων Χ φτάνει τα 2-20 νανόμετρα, η οποία είναι τάξης μεγέθους υψηλότερη από την ανάλυση ενός οπτικού μικροσκοπίου (έως 150 νανόμετρα). Επί του παρόντος, υπάρχουν μικροσκόπια ακτίνων Χ με ανάλυση περίπου 5 νανόμετρα.
- Υπέρυθρη μικροσκόπηση
Αυτή είναι μια ερευνητική μέθοδος με παρατήρηση δειγμάτων μέσω μικροσκοπίου σε υπέρυθρο φως. Η μέθοδος προορίζεται για τη μελέτη πολύ μικρών δειγμάτων (της τάξης των μικρομέτρων).
Το ορατό φως που παρατηρείται από τον πειραματιστή καιΤο υπέρυθρο φως που καταγράφεται από τον ανιχνευτή περνά μέσα από ένα κοινό οπτικό σύστημα, έτσι η εικόνα στα κιάλια αντιστοιχεί στην περιοχή που αναλύεται σε υπέρυθρη ακτινοβολία.
Η μικροσκοπία υπερύθρων χρησιμοποιείται για την ανάλυση δειγμάτων σε πολύ μικρές ποσότητες (0,01 έως 100 μg) ή μικρών μεγεθών (10-1 έως 10–3 mm), καθώς και διακυμάνσεις συγκέντρωσης και εγκλείσματα.
Ποια είναι τα μειονεκτήματα των εφευρεθέντων μικροσκοπίων;
Απόδοση ελαφρών μικροσκοπίωνπεριορίζεται από το επίπεδο τυχαίου θορύβου που δημιουργείται από στοιχειώδη σωματίδια φωτός - κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή φωτονίων Η διακριτικότητα των φωτονίων καθορίζει την ευαισθησία, την ανάλυση και την ταχύτητα των οπτικών συσκευών.
Για τη βελτιστοποίηση αυτών των παραμέτρων, οι προγραμματιστέςΣυνήθως ακολουθείτε την πορεία αύξησης της έντασης του φωτός και αντικαθιστώντας τις συμβατικές πηγές του με τις λέιζερ. Αλλά η χρήση μικροσκοπίων λέιζερ δεν είναι πάντα δυνατή κατά τη μελέτη βιολογικών συστημάτων, καθώς τα φωτεινά λέιζερ μπορούν να καταστρέψουν ένα ζωντανό κύτταρο.
Πώς έχει προχωρήσει η επιστήμη στην ανάπτυξη μικροσκοπίων;
Η τελευταία σημαντική ανακάλυψη σε αυτή την περιοχή ήτανκατασκευάστηκε στις αρχές Ιουνίου 2021. Επιστήμονες από την Αυστραλία και τη Γερμανία δημιούργησαν ένα κβαντικό μικροσκόπιο που μπορεί να δει προηγουμένως αόρατες κυτταρικές δομές.
Σύμφωνα με τους συγγραφείς, αυτό ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία νέων βιοτεχνολογιών και πρακτικών εφαρμογών - από πλοήγηση έως ιατρική απεικόνιση. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ έχουν προτείνει ότι η βιολογική απεικόνιση θα μπορούσε να βελτιωθεί χωρίς να αυξηθεί η ένταση του φωτός, χρησιμοποιώντας κβαντικές φωτονικές συσχετίσεις.
Μαζί με Γερμανούς συναδέλφους από το ΡόστοκΣτο πανεπιστήμιο, απέδειξαν πειραματικά ότι χρησιμοποιώντας κβαντικούς συσχετισμούς, είναι δυνατόν να επιτευχθεί λόγος σήματος προς θόρυβο 35% υψηλότερος από ό, τι με τη συμβατική μικροσκοπία χωρίς φωτογράφηση. Πολύ υψηλότερη με αυτήν την τεχνολογία και την ταχύτητα επεξεργασίας εικόνας.
Πώς λειτουργεί ένα κβαντικό μικροσκόπιο;
Οι δημιουργοί του κβαντικού μικροσκοπίου έχουν φτιάξειεγκατάσταση, η οποία είναι ένα συνεκτικό μικροσκόπιο Raman με ανάλυση μήκους κύματος και έντονο κβαντικό συσχετισμό φωτισμού, που καθιστά δυνατή την οπτικοποίηση μοριακών δεσμών μέσα στο κελί.
Το μικροσκόπιο βασίζεται στην επιστήμη του κβαντικούεμπλοκή, ένα φαινόμενο που ο Αϊνστάιν περιέγραψε ως «απόκοσμες αλληλεπιδράσεις από απόσταση». Είναι ο πρώτος στον κόσμο αισθητήρας που βασίζεται σε εμπλοκή με απόδοση ανώτερη από τις καλύτερες υπάρχουσες τεχνολογίες. Η δημιουργία του θα οδηγήσει σε όλα τα είδη νέων τεχνολογιών, από τα πιο πρόσφατα συστήματα πλοήγησης έως τις πιο προηγμένες μηχανές Η κβαντική εμπλοκή στο μικροσκόπιό μας παρέχει 35 τοις εκατό βελτιωμένη διαύγεια χωρίς να καταστρέφει το κύτταρο, επιτρέποντάς μας να δούμε μικροσκοπικές βιολογικές δομές που διαφορετικά θα ήταν αόρατες.
Warwick Bowen Καθηγητής του Εργαστηρίου Κβαντικής Οπτικής και του Κέντρου Αριστείας για την Μηχανική Κβαντικών Συστημάτων στο Αυστραλιανό Ερευνητικό Συμβούλιο
Οι συγγραφείς πιστεύουν ότι η κύρια επιτυχία της νέας μεθόδου είναι η υπέρβαση της λεγόμενης νίκης επί των αρχών της παραδοσιακής μικροσκοπίας φωτός, η οποία δεν μπορεί να διεισδύσει σε ένα ζωντανό κύτταρο.
Διαβάστε περισσότερα:
Το ζώο ζωντανεύει μετά από 24 χιλιάδες χρόνια αδρανοποίησης στη σιβηρική permafrost
Η κλιματική αλλαγή θα οδηγήσει σε ακραίες βροχοπτώσεις και πλημμύρες
Η φυσική επιλογή μπορεί να αντιστρέψει την εξέλιξη της σεξουαλικής επιλογής