Wat bepaalt de resolutie van de microscoop?
De resolutie van een microscoop is het vermogen
Dit kenmerk wordt primair bepaaldde golflengte van straling die wordt gebruikt in microscopie (zichtbare, ultraviolette, röntgenstraling). De fundamentele beperking is de onmogelijkheid om een afbeelding van een object te verkrijgen met behulp van elektromagnetische straling die kleiner is dan de golflengte van deze straling.
"Dieper doordringen" in de microwereld is mogelijk bij gebruik van straling met kortere golflengten.
Hoe werkt een microscoop?
Het optische systeem is ontworpen voor:ruimtelijke transformatie van het stralingsveld voor het optische systeem (in de "ruimte van objecten") in het veld na het optische systeem (in de "beeldruimte"). Deze verdeling van "ruimten" is zeer willekeurig, aangezien deze "ruimte"-velden, die verschillen vanuit het oogpunt van veranderingen in de structuur van het veld, in sommige gevallen (bijvoorbeeld bij gebruik van spiegels) kunnen samenvallen in driedimensionale fysieke de ruimte.
Deze organisatie wordt gerealiseerd door:het gebruik van gevormde optische elementen, waarvan de werking zich manifesteert in het fenomeen van breking, reflectie en verstrooiing van straling. De fysieke oorzaak van al deze verschijnselen is interferentie.
In veel gevallen, om de actie uit te leggenvan een optisch element, is het voldoende om de concepten van de essentie van deze verschijnselen te gebruiken, zonder de rol van interferentie te onthullen, wat het mogelijk maakt om het stralingsveld te beschrijven door een geformaliseerd geometrisch model gebaseerd op een intuïtief concept van een "straal van licht" en het postulaat van de oneindig kleine stralingsgolflengte en optische homogeniteit van het medium dat alle ruimte vult waarin de wetten van de geometrische optica werken.
Maar in het geval dat het nodig blijkt te zijnom rekening te houden met de golfeigenschappen van straling en om rekening te houden met de vergelijkbaarheid van de afmetingen van het optische element met de stralingsgolflengte, begint geometrische optica fouten te geven, wat diffractie wordt genoemd, wat in wezen geen onafhankelijk fenomeen is, maar alleen dezelfde interferentie.
Wat zijn microscopen?
- optische microscopen
Het menselijk oog is een natuurproducteen optisch systeem dat wordt gekenmerkt door een bepaalde resolutie, dat wil zeggen de kleinste afstand tussen de elementen van het waargenomen object (waargenomen als punten of lijnen), waarbij ze nog van elkaar kunnen verschillen.
Voor een normaal oog, bij het weglopen van een object door:t.n. beste zichtafstand (D = 250 mm), gemiddelde normale resolutie is ~ 0,2 mm. De afmetingen van micro-organismen, de meeste plantaardige en dierlijke cellen, kleine kristallen, details van de microstructuur van metalen en legeringen, enz. zijn veel kleiner dan deze waarde.
Tot het midden van de 20e eeuw werkten ze alleen met zichtbaar materiaaloptische straling, in het bereik van 400-700 nm, evenals bijna-ultraviolet (fluorescerende microscoop). Optische microscopen konden geen resolutie bieden die kleiner was dan de halve cyclus van de referentiestralingsgolf (golflengtebereik 0,2-0,7 μm of 200-700 nm).
De optische microscoop kan dus structuren onderscheiden met een afstand tussen punten tot ~ 0,20 μm, dus de maximale vergroting die kon worden bereikt was ~ 2000 keer.
- Elektronenmicroscopen
Een elektronenbundel, die niet alleen de eigenschappen heeft van een deeltje, maar ook van een golf, kan in de microscopie worden gebruikt.
De golflengte van een elektron hangt af van zijn energie, ende energie van het elektron is gelijk aan E = Ve, waarbij V het potentiaalverschil is dat door het elektron wordt doorgegeven, e de lading van het elektron is. De golflengte van elektronen bij het passeren van een potentiaalverschil van 200.000 V is ongeveer 0,1 nm.
Elektronen kunnen gemakkelijk worden gefocusseerd met elektromagnetische lenzen, aangezien een elektron een geladen deeltje is. Een elektronisch beeld kan eenvoudig worden omgezet in een zichtbaar beeld.
De resolutie van een elektronenmicroscoop is 1000-10000 keer hoger dan die van een traditionele lichtmicroscoop, en voor de beste moderne instrumenten kan deze minder dan één angstrom zijn.
- Scanning sondemicroscopen
Een klasse van microscopen gebaseerd op oppervlaktescanning met een sonde.
Scanning probe microscopen (SPM) zijn een relatief nieuwe klasse microscopen. Met een SPM wordt een beeld verkregen door interacties tussen de sonde en het oppervlak vast te leggen.
In dit stadium van ontwikkeling is het mogelijk om te registrereninteractie van de sonde met individuele atomen en moleculen, waardoor SPM's qua oplossend vermogen vergelijkbaar zijn met elektronenmicroscopen, en deze in sommige parameters overtreffen.
- Röntgenmicroscopen
Röntgenmicroscoop- een apparaat om heel klein te studerenobjecten waarvan de afmetingen vergelijkbaar zijn met de röntgengolflengte. Gebaseerd op het gebruik van elektromagnetische straling met een golflengte van 0,01 tot 1 nanometer.
Resolutie röntgenmicroscopencapaciteiten liggen tussen elektronen- en optische microscopen. De theoretische resolutie van een röntgenmicroscoop bereikt 2-20 nanometer, wat een orde van grootte hoger is dan de resolutie van een optische microscoop (tot 150 nanometer). Momenteel zijn er röntgenmicroscopen met een resolutie van ongeveer 5 nanometer.
- Infrarood microscopie
Dit is een onderzoeksmethode waarbij monsters door een microscoop in infrarood licht worden bekeken. De methode is bedoeld voor het bestuderen van zeer kleine monsters (in de orde van micrometers).
Het zichtbare licht waargenomen door de onderzoeker, enhet infrarood licht dat door de detector wordt geregistreerd, gaat door één gemeenschappelijk optisch systeem, dus het beeld in de verrekijker komt overeen met het gebied dat wordt geanalyseerd in infraroodstraling.
IR-microscopie wordt gebruikt om monsters in zeer kleine hoeveelheden (0,01 tot 100 µg) of kleine afmetingen (10-1 tot 10-3 mm), evenals concentratieschommelingen en insluitsels te analyseren.
Wat zijn de nadelen van de uitgevonden microscopen?
Prestaties van lichtmicroscopenbeperkt door het niveau van willekeurige ruis gecreëerd door elementaire lichtdeeltjes - kwanta van elektromagnetische straling, of fotonen. Discreteheid van fotonen bepaalt de gevoeligheid, resolutie en snelheid van optische apparaten.
Om deze parameters te optimaliseren, hebben de ontwikkelaarsvolgen meestal het pad van het verhogen van de intensiteit van het licht en het vervangen van de conventionele bronnen door laserbronnen. Maar het gebruik van lasermicroscopen is niet altijd mogelijk bij het bestuderen van biologische systemen, omdat heldere lasers een levende cel kunnen vernietigen.
Hoe is de wetenschap gevorderd in de ontwikkeling van microscopen?
De laatste grote ontdekking in dit gebied wasgemaakt begin juni 2021. Wetenschappers uit Australië en Duitsland hebben een kwantummicroscoop gemaakt die voorheen onzichtbare cellulaire structuren kan zien.
Volgens de auteurs maakt dit de weg vrij voor het creëren van nieuwe biotechnologieën en praktische toepassingen - van navigatie tot medische beeldvorming. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Onderzoekers van de Universiteit van Queensland hebben gesuggereerd dat biologische beeldvorming kan worden verbeterd zonder de lichtintensiteit te verhogen, met behulp van kwantumfotonische correlaties.
Samen met Duitse collega's uit RostockOp de universiteit hebben ze experimenteel bewezen dat het mogelijk is om met behulp van kwantumcorrelaties een signaal-ruisverhouding te verkrijgen die 35 procent hoger is dan met conventionele microscopie zonder fotoschade. Veel hoger met deze technologie en de snelheid van beeldverwerking.
Hoe werkt een kwantummicroscoop?
De makers van de kwantummicroscoop hebben gemaaktinstallatie, een coherente Raman-microscoop met subgolflengteresolutie en heldere kwantumgecorreleerde verlichting, die het mogelijk maakt om moleculaire bindingen in de cel te visualiseren.
De microscoop is gebaseerd op de wetenschap van kwantumverstrengeling, een effect dat Einstein omschreef als ‘spookachtige interacties op afstand’. Het is 's werelds eerste op verstrengeling gebaseerde sensor met prestaties die superieur zijn aan de beste bestaande technologieën. De creatie ervan zal leiden tot allerlei nieuwe technologieën, van de nieuwste navigatiesystemen tot meer geavanceerde machines. Kwantumverstrengeling in onze microscoop zorgt voor 35 procent verbeterde helderheid zonder de cel te vernietigen, waardoor we kleine biologische structuren kunnen zien die anders onzichtbaar zouden zijn.
Warwick Bowen Professor van het Quantum Optics Laboratory en het Centre of Excellence for Engineering Quantum Systems bij de Australian Research Council
De auteurs zijn van mening dat het belangrijkste succes van de nieuwe methode het overwinnen van de zogenaamde overwinning op de principes van de traditionele lichtmicroscopie is, die niet in staat is om in een levende cel door te dringen.
Lees verder:
Het dier kwam tot leven na 24.000 jaar winterslaap in de Siberische permafrost
Klimaatverandering zal leiden tot extreme regenval en overstromingen
Natuurlijke selectie kan de evolutie van seksuele selectie omkeren