Hva bestemmer oppløsningen til mikroskopet
Oppløsningen til et mikroskop er evnen
Denne karakteristikken bestemmes først og fremstbølgelengden av stråling som brukes i mikroskopi (synlig, ultrafiolett, røntgenstråling). Den grunnleggende begrensningen er umuligheten av å skaffe et bilde av et objekt ved hjelp av elektromagnetisk stråling, som er mindre i størrelse enn bølgelengden til denne strålingen.
"Å trenge dypere" inn i mikroverdenen er mulig når du bruker stråling med kortere bølgelengder.
Hvordan fungerer et mikroskop?
Det optiske systemet er designet forromlig transformasjon av strålingsfeltet før det optiske systemet (i "space of objects") i feltet etter det optiske systemet (i "image space"). Denne inndelingen av "mellomrom" er veldig vilkårlig, siden disse "romfeltene", forskjellig fra synspunktet for å endre feltstrukturen, i noen tilfeller (for eksempel når du bruker speil) sammenfaller i et tredimensjonalt fysisk rom. .
Denne organisasjonen oppnås vedbruken av formede optiske elementer, hvis virkning manifesteres i fenomenet brytning, refleksjon og spredning av stråling. Den fysiske årsaken til alle disse fenomenene er interferens.
I mange tilfeller, for å forklare handlingenav et optisk element, er det ganske nok å bruke konseptene til essensen av disse fenomenene, uten å avsløre interferensens rolle, noe som gjør det mulig å beskrive strålingsfeltet ved en formalisert geometrisk modell basert på et intuitivt konsept av en "stråle av lys "og postulatet til den uendelige minimale strålingsbølgelengden og den optiske homogeniteten til mediet som fyller alt rommet der lovene til geometrisk optikk fungerer.
Men i tilfelle når det viser seg å være nødvendigfor å ta hensyn til bølgeegenskapene til stråling og ta hensyn til sammenlignbarheten av dimensjonene til det optiske elementet med strålingsbølgelengden, begynner geometrisk optikk å gi feil, som kalles diffraksjon, som egentlig ikke er et uavhengig fenomen, men bare samme forstyrrelse.
Hva er mikroskop
- Optiske mikroskoper
Det menneskelige øyet er et naturliget optisk system preget av en viss oppløsning, det vil si den minste avstanden mellom elementene i det observerte objektet (oppfattet som punkter eller linjer), der de fortsatt kan være forskjellige fra hverandre.
For et normalt øye, når du beveger deg bort fra en gjenstand vedt. n. beste synsavstand (D = 250mm), gjennomsnittlig normal oppløsning er ~ 0.2mm. Størrelsene på mikroorganismer, de fleste plante- og dyreceller, små krystaller, detaljer om mikrostrukturen til metaller og legeringer, etc. er mye mindre enn denne verdien.
Fram til midten av 1900-tallet arbeidet de kun med synligoptisk stråling, i området 400-700 nm, samt nær ultrafiolett (fluorescensmikroskop). Optiske mikroskoper kunne ikke gi en oppløsning mindre enn halvsyklusen til referansestrålingsbølgen (bølgelengdeområde 0,2-0,7 μm, eller 200-700 nm).
Dermed er det optiske mikroskopet i stand til å skille strukturer med en avstand mellom punkter opp til ~ 0,20 mikrometer, så den maksimale forstørrelsen som kunne oppnås var ~ 2000 ganger.
- Elektronmikroskoper
En stråle av elektroner, som har egenskapene til ikke bare en partikkel, men også en bølge, kan brukes i mikroskopi.
Bølgelengden til et elektron avhenger av dets energi, ogenergien til elektronet er lik E = Ve, hvor V er potensialforskjellen som passeres av elektronet, e er ladningen til elektronet. Bølgelengden til elektroner når de passerer gjennom en potensialforskjell på 200 000 V er omtrent 0,1 nm.
Elektroner kan lett fokuseres med elektromagnetiske linser, siden et elektron er en ladet partikkel. Et elektronisk bilde kan enkelt konverteres til et synlig bilde.
Oppløsningen til et elektronmikroskop er 1000–10000 ganger høyere enn et tradisjonelt lysmikroskop, og for de beste moderne instrumentene kan det være mindre enn en angstrøm.
- Skanningssondemikroskop
En klasse mikroskoper basert på overflateskanning med en sonde.
Skanneprobemikroskoper (SPM) er en relativt ny klasse mikroskoper. Med en SPM oppnås et bilde ved å registrere interaksjoner mellom sonden og overflaten.
På dette utviklingsstadiet er det mulig å registrere seginteraksjon av sonden med individuelle atomer og molekyler, på grunn av hvilke SPM er sammenlignbare når det gjelder å oppløse kraft til elektronmikroskoper, og overgå dem i noen parametere.
- Røntgenmikroskop
Røntgenmikroskop- en enhet for å studere veldig litenobjekter hvis dimensjoner er sammenlignbare med røntgenbølgelengden. Basert på bruk av elektromagnetisk stråling med en bølgelengde fra 0,01 til 1 nanometer.
Oppløsnings røntgenmikroskopevner er mellom elektron og optiske mikroskoper. Den teoretiske oppløsningen til et røntgenmikroskop når 2-20 nanometer, som er en størrelsesorden høyere enn oppløsningen til et optisk mikroskop (opptil 150 nanometer). For tiden er det røntgenmikroskop med en oppløsning på omtrent 5 nanometer.
- Infrarød mikroskopi
Dette er en forskningsmetode ved å observere prøver gjennom et mikroskop i infrarødt lys. Metoden er beregnet på å studere svært små prøver (i størrelsesorden mikrometer).
Det synlige lyset observert av eksperimentatoren, ogdet infrarøde lyset registrert av detektoren passerer gjennom ett vanlig optisk system, slik at bildet i kikkerten tilsvarer området som analyseres i infrarød stråling.
IR-mikroskopi brukes til å analysere prøver i svært små mengder (fra 0,01 til 100 µg) eller små størrelser (fra 10–1 til 10–3 mm), samt konsentrasjonssvingninger og inneslutninger.
Hva er ulempene med de oppfunnne mikroskopene?
Lysmikroskop ytelsebegrenset av nivået av tilfeldig støy skapt av elementære lyspartikler - kvanta av elektromagnetisk stråling, eller fotoner. Diskrethet av fotoner bestemmer følsomheten, oppløsningen og hastigheten til optiske enheter.
For å optimalisere disse parametrene, utviklernefølger vanligvis veien for å øke lysintensiteten og erstatte dens konvensjonelle kilder med laser. Men bruk av lasermikroskop er ikke alltid mulig når man studerer biologiske systemer, siden lyse lasere kan ødelegge en levende celle.
Hvordan har vitenskapen kommet videre i utviklingen av mikroskop?
Det siste store funnet i dette området varlaget tidlig i juni 2021. Forskere fra Australia og Tyskland har laget et kvantemikroskop som kan se tidligere usynlige cellestrukturer.
Ifølge forfatterne baner dette veien for å skape nye bioteknologier og praktiske anvendelser - fra navigering til medisinsk bildebehandling. Forskningsresultatene er publisert i tidsskriftet Nature.
Forskere ved University of Queensland har antydet at biologisk avbildning kan forbedres uten å øke lysintensiteten ved å bruke kvantefotoniske korrelasjoner.
Sammen med tyske kolleger fra RostockPå universitetet beviste de eksperimentelt at det ved bruk av kvantekorrelasjoner er mulig å oppnå et signal / støyforhold 35 prosent høyere enn med konvensjonell mikroskopi uten fotoskade. Mye høyere med denne teknologien og hastigheten på bildebehandlingen.
Hvordan fungerer et kvantemikroskop?
Skaperne av kvantemikroskopet har lagetinstallasjon, som er et sammenhengende Raman-mikroskop med subbølgelengdeoppløsning og lys kvantekorrelert belysning, som gjør det mulig å visualisere molekylære bindinger inne i cellen.
Mikroskopet er basert på kvantevitenskapenentanglement, en effekt som Einstein beskrev som "skummel interaksjon på avstand." Det er verdens første sammenfiltringsbaserte sensor med ytelse som er overlegen de beste eksisterende teknologiene. Opprettelsen av den vil føre til alle slags nye teknologier – fra de nyeste navigasjonssystemene til mer avanserte maskiner i mikroskopet vårt gir 35 prosent forbedret klarhet uten å ødelegge cellen, slik at vi kan se bittesmå biologiske strukturer som ellers ville vært usynlige.
Warwick Bowen professor ved Quantum Optics Laboratory og Center of Excellence for Engineering Quantum Systems ved Australian Research Council
Forfatterne mener at hovedsuksessen til den nye metoden er å overvinne den såkalte seieren over prinsippene for tradisjonell lysmikroskopi, som ikke klarer å trenge inn i en levende celle.
Les mer:
Dyret fikk liv etter 24 tusen år i dvale i den sibiriske permafrosten
Klimaendringer vil føre til ekstrem nedbør og flom
Naturlig seleksjon kan reversere utviklingen av seksuell seleksjon