Cosa determina la risoluzione del microscopio
La risoluzione di un microscopio è l'abilità
Questa caratteristica è determinata principalmentela lunghezza d'onda della radiazione utilizzata in microscopia (radiazione visibile, ultravioletta, a raggi X). Il limite fondamentale è l'impossibilità di ottenere un'immagine di un oggetto utilizzando una radiazione elettromagnetica di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda di tale radiazione.
"Penetrare più in profondità" nel micromondo è possibile quando si utilizzano radiazioni con lunghezze d'onda più corte.
Come funziona un microscopio?
Il sistema ottico è progettato pertrasformazione spaziale del campo di radiazione prima del sistema ottico (nello "spazio degli oggetti") nel campo dopo il sistema ottico (nello "spazio dell'immagine"). Questa divisione di "spazi" è molto arbitraria, poiché questi campi "spaziali", diversi dal punto di vista dei cambiamenti nella struttura del campo, possono in alcuni casi (ad esempio quando si utilizzano specchi) coincidere in fisica tridimensionale spazio.
Questa organizzazione è raggiunta dal'uso di elementi ottici sagomati, la cui azione si manifesta nel fenomeno della rifrazione, riflessione e dispersione della radiazione. La causa fisica di tutti questi fenomeni è l'interferenza.
In molti casi, per spiegare l'azionedi un elemento ottico, è sufficiente utilizzare i concetti dell'essenza di questi fenomeni, senza svelare il ruolo dell'interferenza, che consente di descrivere il campo di radiazione mediante un modello geometrico formalizzato basato su un concetto intuitivo di "raggio di luce" e il postulato della lunghezza d'onda infinitesimale della radiazione e dell'omogeneità ottica del mezzo che riempie tutto lo spazio in cui operano le leggi dell'ottica geometrica.
Ma nel caso in cui si rivelasse necessarioper tenere conto delle proprietà ondulatorie della radiazione e tenere conto della comparabilità delle dimensioni dell'elemento ottico con la lunghezza d'onda della radiazione, l'ottica geometrica inizia a dare errori, che si chiama diffrazione, che in sostanza non è un fenomeno indipendente, ma solo la stessa interferenza.
Cosa sono i microscopi?
- Microscopi ottici
L'occhio umano è naturaleun sistema ottico caratterizzato da una certa risoluzione, cioè la più piccola distanza tra gli elementi dell'oggetto osservato (percepiti come punti o linee), alla quale possono ancora essere diversi tra loro.
Per un occhio normale, quando ci si allontana da un oggetto dit. n. migliore distanza di visione (D = 250 mm), la risoluzione normale media è di ~ 0,2 mm. Le dimensioni dei microrganismi, della maggior parte delle cellule vegetali e animali, dei piccoli cristalli, dei dettagli della microstruttura di metalli e leghe, ecc. sono molto inferiori a questo valore.
Fino alla metà del XX secolo si lavorava solo con il visibileradiazione ottica, nell'intervallo 400-700 nm, nonché vicino ultravioletto (microscopio a fluorescenza). I microscopi ottici non possono fornire una risoluzione inferiore al semiciclo dell'onda di radiazione di riferimento (intervallo di lunghezze d'onda 0,2-0,7 μm o 200-700 nm).
Pertanto, il microscopio ottico è in grado di distinguere strutture con una distanza tra i punti fino a ~ 0,20 μm, quindi l'ingrandimento massimo ottenibile è stato di ~ 2000 volte.
- Microscopi elettronici
Un fascio di elettroni, che ha le proprietà non solo di una particella, ma anche di un'onda, può essere utilizzato in microscopia.
La lunghezza d'onda di un elettrone dipende dalla sua energia el'energia dell'elettrone è uguale a E = Ve, dove V è la differenza di potenziale trasmessa dall'elettrone, e è la carica dell'elettrone. La lunghezza d'onda degli elettroni quando attraversano una differenza di potenziale di 200.000 V è di circa 0,1 nm.
Gli elettroni possono essere facilmente focalizzati con lenti elettromagnetiche, poiché un elettrone è una particella carica. Un'immagine elettronica può essere facilmente convertita in una visibile.
La risoluzione di un microscopio elettronico è 1000-10000 volte superiore a quella di un microscopio ottico tradizionale e per i migliori strumenti moderni può essere inferiore a un angstrom.
- Microscopi a scansione di sonda
Una classe di microscopi basati sulla scansione della superficie con una sonda.
I microscopi a scansione (SPM) sono una classe relativamente nuova di microscopi. Con una SPM si ottiene un'immagine registrando le interazioni tra la sonda e la superficie.
In questa fase di sviluppo, è possibile registrarsiinterazione della sonda con singoli atomi e molecole, grazie alla quale gli SPM sono paragonabili nel potere di risoluzione ai microscopi elettronici e li superano in alcuni parametri.
- Microscopi a raggi X
Microscopio a raggi X- un dispositivo per studiare molto piccolooggetti le cui dimensioni sono paragonabili alla lunghezza d'onda dei raggi X. Basato sull'uso della radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda da 0,01 a 1 nanometro.
Microscopi a raggi X ad alta risoluzioneabilità sono tra microscopi elettronici e ottici. La risoluzione teorica di un microscopio a raggi X raggiunge i 2-20 nanometri, che è un ordine di grandezza superiore alla risoluzione di un microscopio ottico (fino a 150 nanometri). Attualmente esistono microscopi a raggi X con una risoluzione di circa 5 nanometri.
- Microscopia a infrarossi
Questo è un metodo di ricerca osservando i campioni attraverso un microscopio alla luce infrarossa. Il metodo è destinato allo studio di campioni molto piccoli (nell'ordine dei micrometri).
La luce visibile osservata dallo sperimentatore, ela luce infrarossa registrata dal rivelatore passa attraverso un sistema ottico comune, quindi l'immagine nel binocolo corrisponde all'area che viene analizzata nella radiazione infrarossa.
La microscopia IR viene utilizzata per analizzare campioni in quantità molto piccole (da 0,01 a 100 µg) o di piccole dimensioni (da 10–1 a 10–3 mm), nonché fluttuazioni di concentrazione e inclusioni.
Quali sono gli svantaggi dei microscopi inventati?
Prestazioni dei microscopi otticilimitato dal livello di rumore casuale creato da particelle elementari di luce - quanti di radiazione elettromagnetica o fotoni. La discrezione dei fotoni determina la sensibilità, la risoluzione e la velocità dei dispositivi ottici.
Per ottimizzare questi parametri, gli sviluppatoridi solito seguono il percorso di aumentare l'intensità della luce e sostituire le sue sorgenti convenzionali con quelle laser. Ma l'uso di microscopi laser non è sempre possibile quando si studiano sistemi biologici, poiché i laser luminosi possono distruggere una cellula vivente.
In che modo la scienza è progredita nello sviluppo dei microscopi?
L'ultima grande scoperta in quest'area è statarealizzato all'inizio di giugno 2021. Scienziati australiani e tedeschi hanno creato un microscopio quantistico in grado di vedere strutture cellulari precedentemente invisibili.
Secondo gli autori, questo apre la strada alla creazione di nuove biotecnologie e applicazioni pratiche, dalla navigazione all'imaging medico. I risultati della ricerca sono pubblicati sulla rivista Nature.
I ricercatori dell’Università del Queensland hanno suggerito che l’imaging biologico potrebbe essere migliorato senza aumentare l’intensità della luce, utilizzando le correlazioni fotoniche quantistiche.
Insieme ai colleghi tedeschi di RostockAll'università, hanno dimostrato sperimentalmente che utilizzando le correlazioni quantistiche, è possibile ottenere un rapporto segnale-rumore superiore del 35 percento rispetto alla microscopia convenzionale senza fotodanneggiamento. Molto più alto con questa tecnologia e la velocità di elaborazione delle immagini.
Come funziona un microscopio quantistico?
I creatori del microscopio quantistico hanno realizzatoinstallazione, che è un microscopio Raman coerente con risoluzione della lunghezza d'onda e illuminazione quantistica brillante, che consente di visualizzare i legami molecolari all'interno della cellula.
Il microscopio si basa sulla scienza dei quantientanglement, un effetto che Einstein descrisse come “spettrali interazioni a distanza”. È il primo sensore al mondo basato sull'entanglement con prestazioni superiori alle migliori tecnologie esistenti. La sua creazione porterà a tutti i tipi di nuove tecnologie, dai più recenti sistemi di navigazione alle macchine più avanzate. L’entanglement quantistico nel nostro microscopio fornisce una chiarezza migliorata del 35% senza distruggere la cellula, permettendoci di vedere minuscole strutture biologiche che altrimenti sarebbero invisibili.
Warwick Bowen Professore del Laboratorio di ottica quantistica e del Centro di eccellenza per l'ingegneria dei sistemi quantistici presso l'Australian Research Council
Gli autori ritengono che il principale successo del nuovo metodo sia il superamento della cosiddetta vittoria sui principi della microscopia ottica tradizionale, che non è in grado di penetrare in una cellula vivente.
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