Kas nosaka mikroskopa izšķirtspēju
Mikroskopa izšķirtspēja ir spēja
Šo īpašību galvenokārt nosakamikroskopijā izmantotā starojuma viļņa garums (redzamais, ultravioletais, rentgena starojums). Būtiskais ierobežojums ir neiespējamība iegūt objekta attēlu ar elektromagnētiskā starojuma palīdzību, kura izmērs ir mazāks par šī starojuma viļņa garumu.
Izmantojot dziļāku mikropasauli, ir iespējams izmantot starojumu ar īsāku viļņu garumu.
Kā darbojas mikroskops?
Optiskā sistēma ir paredzētaradiācijas lauka telpiskā transformācija pirms optiskās sistēmas ("objektu telpā") laukā pēc optiskās sistēmas ("attēla telpā"). Šāds "telpu" sadalījums ir ļoti patvaļīgs, jo šie "telpas" lauki, kas atšķiras no lauka struktūras izmaiņu viedokļa, dažos gadījumos (piemēram, izmantojot spoguļus) var sakrist trīsdimensiju fizikā telpa.
Šo organizāciju panāk arformas optisko elementu izmantošana, kuru darbība izpaužas kā starojuma laušanas, atstarošanas un izkliedes parādība. Visu šo parādību fiziskais cēlonis ir iejaukšanās.
Daudzos gadījumos, lai izskaidrotu darbībuno optiskā elementa pilnīgi pietiek izmantot šo parādību būtības jēdzienus, neatklājot traucējumu lomu, kas ļauj aprakstīt starojuma lauku ar formālu ģeometrisku modeli, kas balstīts uz intuitīvu "staru" koncepciju no gaismas "un postulāts, ka starojuma viļņa garums ir bezgalīgi mazs un vides optiskā viendabība aizpilda visu telpu, kurā darbojas ģeometriskās optikas likumi.
Bet gadījumā, kad tas izrādās nepieciešamsņemot vērā starojuma viļņu īpašības un optiskā elementa izmēru salīdzināmību ar starojuma viļņa garumu, ģeometriskā optika sāk radīt kļūdas, ko sauc par difrakciju, kas pēc būtības nav neatkarīga parādība, bet tikai tāda pati iejaukšanās.
Kas ir mikroskopi
- Optiskie mikroskopi
Cilvēka acs ir dabiskaoptiskā sistēma, ko raksturo noteikta izšķirtspēja, tas ir, mazākais attālums starp novērotā objekta elementiem (uztverot kā punktus vai līnijas), kurā tie joprojām var atšķirties viens no otra.
Normālai acij, attālinoties no objektat. n. labākais redzes attālums (D = 250 mm), vidējā normālā izšķirtspēja ir ~ 0,2 mm. Mikroorganismu izmēri, lielākā daļa augu un dzīvnieku šūnu, mazie kristāli, detaļas par metālu un sakausējumu mikrostruktūru utt. Ir daudz mazākas par šo vērtību.
Līdz 20. gadsimta vidum viņi strādāja tikai ar redzamooptiskais starojums, 400-700 nm diapazonā, kā arī tuvu ultravioletais (fluorescējošais mikroskops). Optiskie mikroskopi nevarēja nodrošināt izšķirtspēju, kas ir mazāka par atsauces starojuma viļņa pusciklu (viļņu garuma diapazons 0,2–0,7 μm jeb 200–700 nm).
Tādējādi optiskais mikroskops spēj atšķirt struktūras ar attālumu starp punktiem līdz ~ 0,20 μm, tāpēc maksimālais palielinājums, ko varēja sasniegt, bija ~ 2000 reizes.
- Elektronu mikroskopi
Mikroskopijā var izmantot elektronu staru, kam piemīt ne tikai daļiņas, bet arī viļņa īpašības.
Elektrona viļņa garums ir atkarīgs no tā enerģijas, unelektrona enerģija ir vienāda ar E = Ve, kur V ir elektrona nodotā potenciālu starpība, e ir elektrona lādiņš. Elektronu viļņa garums, izejot cauri potenciālu starpībai 200 000 V, ir aptuveni 0,1 nm.
Elektronus var viegli fokusēt ar elektromagnētiskajām lēcām, jo elektrons ir uzlādēta daļiņa. Elektronisko attēlu var viegli pārveidot par redzamu.
Elektronu mikroskopa izšķirtspēja ir 1000–10000 reižu augstāka nekā tradicionālajam gaismas mikroskopam, un labākajiem mūsdienu instrumentiem tā var būt mazāka par vienu angstromu.
- Skenēšanas zondes mikroskopi
Mikroskopu klase, kuras pamatā ir virsmas skenēšana ar zondi.
Skenējošās zondes mikroskopi (SPM) ir salīdzinoši jauna mikroskopu klase. Izmantojot SPM, attēls tiek iegūts, reģistrējot mijiedarbību starp zondi un virsmu.
Šajā attīstības stadijā ir iespējams reģistrētieszondes mijiedarbība ar atsevišķiem atomiem un molekulām, kuru dēļ SPM izšķirtspējas ziņā ir salīdzināmi ar elektronu mikroskopiem un dažos parametros tos pārspēj.
- Rentgena mikroskopi
Rentgena mikroskops- ierīce mācībām ļoti mazaobjekti, kuru izmēri ir salīdzināmi ar rentgena viļņa garumu. Pamatojoties uz elektromagnētiskā starojuma izmantošanu ar viļņa garumu no 0,01 līdz 1 nanometram.
Izšķirtspējas rentgena mikroskopispējas ir starp elektronu un optiskajiem mikroskopiem. Rentgena mikroskopa teorētiskā izšķirtspēja sasniedz 2-20 nanometrus, kas ir par kārtu augstāka nekā optiskā mikroskopa izšķirtspēja (līdz 150 nanometriem). Pašlaik ir rentgena mikroskopi ar aptuveni 5 nanometru izšķirtspēju.
- Infrasarkanā mikroskopija
Šī ir pētniecības metode, novērojot paraugus caur mikroskopu infrasarkanajā gaismā. Metode paredzēta ļoti mazu paraugu (mikrmetru kārtībā) pētīšanai.
Eksperimentētāja novērotā redzamā gaisma undetektora ierakstītā infrasarkanā gaisma iet cauri vienai kopējai optiskai sistēmai, tāpēc attēls binokļos atbilst laukumam, kas tiek analizēts infrasarkanajā starojumā.
IR mikroskopiju izmanto, lai analizētu paraugus ļoti mazos daudzumos (no 0,01 līdz 100 µg) vai mazos izmēros (no 10–1 līdz 10–3 mm), kā arī koncentrācijas svārstības un ieslēgumus.
Kādi ir izgudroto mikroskopu trūkumi?
Gaismas mikroskopu veiktspējaierobežo nejauša trokšņa līmenis, ko rada elementāras gaismas daļiņas - elektromagnētiskā starojuma kvanti jeb fotoni. Fotonu diskrētums nosaka optisko ierīču jutīgumu, izšķirtspēju un ātrumu.
Lai optimizētu šos parametrus, izstrādātājiparasti seko gaismas intensitātes palielināšanas ceļam un tā tradicionālo avotu aizstāšanai ar lāzera avotiem. Bet, pētot bioloģiskās sistēmas, ne vienmēr ir iespējams izmantot lāzera mikroskopus, jo spilgti lāzeri var iznīcināt dzīvo šūnu.
Kā zinātne ir attīstījusies mikroskopu attīstībā?
Pēdējais lielākais atklājums šajā jomā bijaizgatavots 2021. gada jūnija sākumā. Zinātnieki no Austrālijas un Vācijas ir izveidojuši kvantu mikroskopu, kas var redzēt iepriekš neredzamas šūnu struktūras.
Pēc autoru domām, tas paver ceļu jaunu biotehnoloģiju un praktisku pielietojumu radīšanai - no navigācijas līdz medicīniskai attēlveidošanai. Pētījuma rezultāti ir publicēti žurnālā Nature.
Kvīnslendas universitātes pētnieki ir ierosinājuši, ka bioloģisko attēlveidošanu varētu uzlabot, nepalielinot gaismas intensitāti, izmantojot kvantu fotoniskās korelācijas.
Kopā ar vācu kolēģiem no RostokasUniversitātē viņi eksperimentāli pierādīja, ka, izmantojot kvantu korelācijas, ir iespējams iegūt signāla un trokšņa attiecību par 35 procentiem augstāku nekā ar parasto mikroskopiju bez foto bojājumiem. Ar šo tehnoloģiju un attēlu apstrādes ātrumu tas ir daudz augstāks.
Kā darbojas kvantu mikroskops?
Kvantu mikroskopa radītāji ir izveidojušiinstalācija, kas ir saskaņots Ramana mikroskops ar zemviļņa garuma izšķirtspēju un spilgtu kvantu korelācijas apgaismojumu, kas ļauj vizualizēt molekulārās saites šūnas iekšienē.
Mikroskops ir balstīts uz kvantu zinātnisapīšanās, efekts, ko Einšteins aprakstīja kā “bailīga mijiedarbība no attāluma”. Tas ir pasaulē pirmais uz sapīšanās balstīts sensors, kura veiktspēja ir labāka par labākajām esošajām tehnoloģijām. Tā izveide radīs visu veidu jaunas tehnoloģijas, sākot no jaunākajām navigācijas sistēmām un beidzot ar modernākām iekārtām.Kvantu sapīšanās mūsu mikroskopā nodrošina par 35 procentiem uzlabotu skaidrību, neiznīcinot šūnu, ļaujot mums redzēt sīkas bioloģiskas struktūras, kas citādi būtu neredzamas.
Vorviks Bovens Kvantu optikas laboratorijas un Austrālijas Pētniecības padomes Kvantu sistēmu inženierijas izcilības centra profesors
Autori uzskata, ka jaunās metodes galvenais panākums ir tā saucamās uzvaras pārvarēšana pār tradicionālās gaismas mikroskopijas principiem, kas nespēj iekļūt dzīvā šūnā.
Lasīt vairāk:
Dzīvnieks atdzīvojās pēc 24 tūkstošiem ziemas guļas gadu Sibīrijas mūžīgajā sasalumā
Klimata pārmaiņas izraisīs ārkārtīgus nokrišņus un plūdus
Dabiskā atlase var mainīt seksuālās atlases attīstību