Ono što određuje razlučivost mikroskopa
Razlučivost mikroskopa je sposobnost
Ova se karakteristika prvenstveno određujevalna duljina zračenja koja se koristi u mikroskopiji (vidljivo, ultraljubičasto, rendgensko zračenje). Temeljno ograničenje je nemogućnost dobivanja slike objekta manje veličine od valne duljine ovog zračenja pomoću elektromagnetskog zračenja.
"Prodirati dublje" u mikrosvijet moguće je ako se koristi zračenje s kraćim valnim duljinama.
Kako mikroskop radi?
Optički sustav je dizajniran zaprostorna transformacija polja zračenja prije optičkog sustava (u "prostoru objekata") u polju nakon optičkog sustava (u "prostoru slike"). Ova podjela "prostora" vrlo je proizvoljna, budući da se ta polja "prostora", različita sa stajališta promjena u strukturi polja, u nekim slučajevima (na primjer, pri korištenju zrcala) mogu podudarati u trodimenzionalnim fizičkim prostor.
Ova se organizacija postiže time štokorištenje oblikovanih optičkih elemenata čije se djelovanje očituje u fenomenu loma, refleksije i raspršenja zračenja. Fizički uzrok svih ovih pojava je smetnja.
U mnogim slučajevima, za objašnjenje radnjeoptičkog elementa, sasvim je dovoljno koristiti koncepte o suštini ovih pojava, ne otkrivajući ulogu smetnji, što omogućuje opisivanje polja zračenja formaliziranim geometrijskim modelom temeljenim na intuitivnom konceptu "zraka" svjetlosti "i postulat da je valna duljina zračenja beskonačno mala i da optička homogenost medija ispunjava sav prostor u kojem djeluju zakoni geometrijske optike.
Ali u slučaju kada se pokaže da je to potrebnokako bi se uzela u obzir valna svojstva zračenja i uzela u obzir usporedivost dimenzija optičkog elementa s valnom duljinom zračenja, geometrijska optika počinje davati greške, što se naziva difrakcijom, što u biti nije neovisna pojava, već samo iste smetnje.
Što su mikroskopi
- Optički mikroskopi
Ljudsko oko je prirodnooptički sustav koji karakterizira određena rezolucija, odnosno najmanja udaljenost između elemenata promatranog objekta (percipiranih kao točke ili linije), na kojoj se oni još mogu međusobno razlikovati.
Za normalno oko, pri udaljavanju od objektat. n. najbolja udaljenost vida (D = 250 mm), prosječna normalna rezolucija je ~ 0,2 mm. Veličine mikroorganizama, većine biljnih i životinjskih stanica, mali kristali, detalji mikrostrukture metala i legura itd. Mnogo su manje od ove vrijednosti.
Sve do sredine 20. stoljeća radili su samo s vidljivimoptičko zračenje, u rasponu od 400-700 nm, kao i blisko ultraljubičasto (fluorescentni mikroskop). Optički mikroskopi ne mogu dati rezoluciju manju od poluciklusa referentnog vala zračenja (raspon valne duljine 0,2-0,7 μm, ili 200-700 nm).
Dakle, optički mikroskop može razlikovati strukture s razmakom između točaka do ~ 0,20 μm, pa je maksimalno povećanje koje se moglo postići bilo ~ 2000 puta.
- Elektronski mikroskopi
Snop elektrona, koji ima svojstva ne samo čestice, već i vala, može se koristiti u mikroskopiji.
Valna duljina elektrona ovisi o njegovoj energiji, ienergija elektrona jednaka je E = Ve, gdje je V razlika potencijala koju elektron prolazi, e je naboj elektrona. Valna duljina elektrona pri prolazu kroz razliku potencijala od 200 000 V iznosi oko 0,1 nm.
Elektroni se mogu lako fokusirati elektromagnetskim lećama, budući da je elektron nabijena čestica. Elektronička slika može se lako pretvoriti u vidljivu.
Razlučivost elektronskog mikroskopa je 1000–10000 puta veća od rezolucije tradicionalnog svjetlosnog mikroskopa, a za najbolje suvremene instrumente može biti manji od jednog angstroma.
- Skenirajući mikroskopi sondi
Klasa mikroskopa temeljenih na površinskom skeniranju sondom.
Skenirajući mikroskopi sa sondom (SPM) relativno su nova klasa mikroskopa. Uz SPM, slika se dobiva snimanjem interakcija između sonde i površine.
U ovoj fazi razvoja moguće je registrirati seinterakcije sonde s pojedinim atomima i molekulama, zbog čega su SPM -i usporedivi u razlučivanju moći na elektronske mikroskope, te ih premašuju u nekim parametrima.
- Rendgenski mikroskopi
Rendgenski mikroskop- uređaj za učenje vrlo maliobjekti čije su dimenzije usporedive s valnom duljinom x-zraka. Temelji se na korištenju elektromagnetskog zračenja valne duljine od 0,01 do 1 nanometra.
Rendgenski mikroskopi rendgenskih zrakasposobnosti su između elektronskog i optičkog mikroskopa. Teoretska rezolucija rendgenskog mikroskopa doseže 2-20 nanometara, što je za red veličine veće od razlučivosti optičkog mikroskopa (do 150 nanometara). Trenutno postoje rendgenski mikroskopi rezolucije oko 5 nanometara.
- Infracrvena mikroskopija
Ovo je metoda istraživanja promatranjem uzoraka kroz mikroskop u infracrvenom svjetlu. Metoda je namijenjena proučavanju vrlo malih uzoraka (reda veličine mikrometara).
Vidljiva svjetlost koju je opazio eksperimentator, iinfracrveno svjetlo snimljeno detektorom prolazi kroz jedan zajednički optički sustav, pa slika u dalekozoru odgovara području koje se analizira u infracrvenom zračenju.
IC mikroskopija koristi se za analizu uzoraka u vrlo malim količinama (od 0,01 do 100 µg) ili male veličine (od 10–1 do 10–3 mm), kao i kolebanja koncentracija i uključenja.
Koji su nedostaci izumljenih mikroskopa?
Performanse svjetlosnih mikroskopaograničeno razinom slučajnog šuma koji stvaraju elementarne čestice svjetlosti - kvanti elektromagnetskog zračenja ili fotoni. Diskretnost fotona određuje osjetljivost, razlučivost i brzinu optičkih uređaja.
Kako bi optimizirali ove parametre, programeriobično slijede put povećanja intenziteta svjetlosti i zamjene njegovih konvencionalnih izvora laserskim. No, upotreba laserskih mikroskopa nije uvijek moguća pri proučavanju bioloških sustava, budući da svijetli laseri mogu uništiti živu stanicu.
Kako je znanost napredovala u razvoju mikroskopa?
Posljednje veliko otkriće na ovom području bilo jenapravljen početkom lipnja 2021. Znanstvenici iz Australije i Njemačke stvorili su kvantni mikroskop koji može vidjeti dosad nevidljive stanične strukture.
Prema autorima, ovo otvara put stvaranju novih biotehnologija i praktičnih primjena - od navigacije do medicinskog snimanja. Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Nature.
Istraživači sa Sveučilišta u Queenslandu sugeriraju da bi se biološka slika mogla poboljšati bez povećanja intenziteta svjetlosti, koristeći kvantne fotonske korelacije.
Zajedno s njemačkim kolegama iz RostockaNa sveučilištu su eksperimentalno dokazali da je pomoću kvantnih korelacija moguće dobiti odnos signal / šum 35 posto veći nego kod konvencionalne mikroskopije bez fotooštećenja. Puno veća s ovom tehnologijom i brzinom obrade slike.
Kako funkcionira kvantni mikroskop?
Tvorci kvantnog mikroskopa su napraviliinstalacije, koji je koherentan Ramanov mikroskop sa podtalasnom rezolucijom i jarkim kvantno koreliranim osvjetljenjem, što omogućuje vizualizaciju molekularnih veza unutar stanice.
Mikroskop se temelji na kvantnoj znanostiisprepletenost, učinak koji je Einstein opisao kao "sablasne interakcije na daljinu". To je prvi senzor na svijetu koji se temelji na zapetljavanju s performansama koje su superiornije od najboljih postojećih tehnologija. Njegovo stvaranje dovest će do svih vrsta novih tehnologija, od najnovijih navigacijskih sustava do naprednijih strojeva. Kvantna isprepletenost u našem mikroskopu osigurava 35 posto veću jasnoću bez uništavanja stanice, omogućujući nam da vidimo sićušne biološke strukture koje bi inače bile nevidljive.
Warwick Bowen, profesor iz Laboratorija za kvantnu optiku i Centra izvrsnosti za inženjerske kvantne sustave pri Australskom istraživačkom vijeću
Autori smatraju da je glavni uspjeh nove metode nadilaženje takozvane pobjede nad principima tradicionalne svjetlosne mikroskopije koja ne može prodrijeti u živu stanicu.
Čitaj više:
Životinja je oživjela nakon 24 tisuće godina hibernacije u sibirskom vječnom ledu
Klimatske promjene dovest će do ekstremnih kiša i poplava
Prirodni odabir može preokrenuti evoluciju spolnog odabira