Co decyduje o rozdzielczości mikroskopu
Rozdzielczość mikroskopu to umiejętność
Ta cecha jest określana przede wszystkimdługość fali promieniowania stosowanego w mikroskopii (promieniowanie widzialne, ultrafioletowe, rentgenowskie). Podstawowym ograniczeniem jest niemożność uzyskania za pomocą promieniowania elektromagnetycznego obrazu obiektu o rozmiarach mniejszych niż długość fali tego promieniowania.
„Wnikanie głębiej” w mikroświat jest możliwe przy zastosowaniu promieniowania o krótszych długościach fal.
Jak działa mikroskop?
Układ optyczny jest przeznaczony doprzestrzenne przekształcenie pola promieniowania przed układem optycznym (w „przestrzeni obiektów”) w pole za układem optycznym (w „przestrzeni obrazu”). Ten podział „przestrzeni” jest bardzo arbitralny, ponieważ te „przestrzenie” pola, odmienne z punktu widzenia zmian w strukturze pola, mogą w niektórych przypadkach (np. przy użyciu luster) pokrywać się w trójwymiarowym fizycznym przestrzeń.
Ta organizacja jest osiągana przezzastosowanie kształtowanych elementów optycznych, których działanie przejawia się w zjawisku załamania, odbicia i rozpraszania promieniowania. Fizyczną przyczyną wszystkich tych zjawisk jest interferencja.
W wielu przypadkach, aby wyjaśnić działanieelementu optycznego wystarczy posługiwać się pojęciami istoty tych zjawisk, nie ujawniając roli interferencji, co umożliwia opisanie pola promieniowania za pomocą sformalizowanego modelu geometrycznego opartego na intuicyjnym pojęciu „promienia światła” oraz postulat nieskończenie małej długości fali promieniowania i optycznej jednorodności ośrodka wypełniającego całą przestrzeń, w której działają prawa optyki geometrycznej.
Ale w przypadku, gdy okaże się to konieczneaby uwzględnić właściwości falowe promieniowania i uwzględnić porównywalność wymiarów elementu optycznego z długością fali promieniowania, optyka geometryczna zaczyna dawać błędy, co nazywa się dyfrakcją, która zasadniczo nie jest zjawiskiem niezależnym, a jedynie ta sama ingerencja.
Czym są mikroskopy
- Mikroskopy optyczne
Ludzkie oko jest czymś naturalnymukład optyczny charakteryzujący się określoną rozdzielczością, czyli najmniejszą odległością pomiędzy elementami obserwowanego obiektu (postrzeganymi jako punkty lub linie), przy której mogą one jeszcze się od siebie różnić.
Dla normalnego oka, gdy oddala się od obiektu ot. rzecz. najlepsza odległość widzenia (D = 250mm), średnia normalna rozdzielczość to ~0.2mm. Rozmiary mikroorganizmów, większości komórek roślinnych i zwierzęcych, małych kryształów, szczegółów mikrostruktury metali i stopów itp. są znacznie mniejsze od tej wartości.
Do połowy XX wieku pracowano wyłącznie z widzialnymipromieniowanie optyczne, w zakresie 400-700 nm, a także bliskie ultrafiolet (mikroskop fluorescencyjny). Mikroskopy optyczne nie mogły zapewnić rozdzielczości mniejszej niż połowa cyklu referencyjnej fali promieniowania (zakres długości fali 0,2–0,7 μm lub 200–700 nm).
Dzięki temu mikroskop optyczny jest w stanie rozróżniać struktury o odległości między punktami do ~0,20 μm, a więc maksymalne powiększenie jakie można było osiągnąć wyniosło ~2000 razy.
- Mikroskopy elektronowe
Wiązka elektronów, która ma właściwości nie tylko cząstki, ale także fali, może być wykorzystana w mikroskopii.
Długość fali elektronu zależy od jego energii ienergia elektronu jest równa E = Ve, gdzie V jest różnicą potencjałów przechodzącą przez elektron, e jest ładunkiem elektronu. Długość fali elektronów przechodzących przez różnicę potencjałów 200 000 V wynosi około 0,1 nm.
Elektrony można łatwo skupiać za pomocą soczewek elektromagnetycznych, ponieważ elektron jest naładowaną cząstką. Obraz elektroniczny można łatwo przekształcić w obraz widoczny.
Rozdzielczość mikroskopu elektronowego jest 1000–10000 razy większa niż tradycyjnego mikroskopu świetlnego, a dla najlepszych nowoczesnych instrumentów może wynosić mniej niż jeden angstrem.
- Mikroskopy z sondą skanującą
Klasa mikroskopów opartych na skanowaniu powierzchni sondą.
Mikroskopy z sondą skanującą (SPM) to stosunkowo nowa klasa mikroskopów. Za pomocą SPM obraz uzyskuje się poprzez rejestrację interakcji pomiędzy sondą a powierzchnią.
Na tym etapie rozwoju istnieje możliwość rejestracjioddziaływanie sondy z pojedynczymi atomami i cząsteczkami, dzięki czemu SPM są porównywalne pod względem mocy rozdzielczej do mikroskopów elektronowych, a przewyższają je niektórymi parametrami.
- Mikroskopy rentgenowskie
Mikroskop rentgenowski- urządzenie do nauki bardzo małeobiektów, których wymiary są porównywalne z długością fali promieniowania rentgenowskiego. Opiera się na wykorzystaniu promieniowania elektromagnetycznego o długości fali od 0,01 do 1 nanometra.
Mikroskopy rentgenowskie o rozdzielczościmożliwości są między mikroskopami elektronowymi i optycznymi. Teoretyczna rozdzielczość mikroskopu rentgenowskiego sięga 2-20 nanometrów, czyli o rząd wielkości wyższa niż rozdzielczość mikroskopu optycznego (do 150 nanometrów). Obecnie istnieją mikroskopy rentgenowskie o rozdzielczości około 5 nanometrów.
- Mikroskopia w podczerwieni
Jest to metoda badawcza polegająca na obserwacji próbek przez mikroskop w świetle podczerwonym. Metoda przeznaczona jest do badania bardzo małych próbek (rzędu mikrometrów).
Światło widzialne obserwowane przez eksperymentatora irejestrowane przez detektor światło podczerwone przechodzi przez jeden wspólny układ optyczny, dzięki czemu obraz w lornetce odpowiada obszarowi, który jest analizowany w promieniowaniu podczerwonym.
Mikroskopia IR służy do analizy próbek w bardzo małych ilościach (od 0,01 do 100 µg) lub małych rozmiarach (od 10–1 do 10–3 mm), a także przy wahaniach stężenia i wtrąceniach.
Jakie są wady wynalezionych mikroskopów?
Wydajność mikroskopów świetlnychograniczone przez poziom losowego szumu wytwarzanego przez elementarne cząstki światła - kwanty promieniowania elektromagnetycznego lub fotony. Dyskretność fotonów decyduje o czułości, rozdzielczości i szybkości urządzeń optycznych.
Aby zoptymalizować te parametry, twórcyzwykle podążają ścieżką zwiększania natężenia światła i zastępowania jego konwencjonalnych źródeł laserowymi. Ale użycie mikroskopów laserowych nie zawsze jest możliwe podczas badania systemów biologicznych, ponieważ jasne lasery mogą zniszczyć żywą komórkę.
Jak nauka poczyniła postępy w rozwoju mikroskopów?
Ostatnim większym odkryciem w tej dziedzinie byłowykonano na początku czerwca 2021 r. Naukowcy z Australii i Niemiec stworzyli mikroskop kwantowy, który pozwala zobaczyć wcześniej niewidoczne struktury komórkowe.
Zdaniem autorów otwiera to drogę do tworzenia nowych biotechnologii i praktycznych zastosowań – od nawigacji po obrazowanie medyczne. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature.
Naukowcy z Uniwersytetu w Queensland zasugerowali, że obrazowanie biologiczne można ulepszyć bez zwiększania natężenia światła, wykorzystując kwantowe korelacje fotoniczne.
Razem z niemieckimi kolegami z RostockuNa uniwersytecie eksperymentalnie udowodnili, że przy użyciu korelacji kwantowych można uzyskać stosunek sygnału do szumu o 35 procent wyższy niż przy konwencjonalnej mikroskopii bez fotouszkodzeń. Znacznie wyższy dzięki tej technologii i szybkości przetwarzania obrazu.
Jak działa mikroskop kwantowy?
Twórcy mikroskopu kwantowego dokonaliinstalacji, która jest spójnym mikroskopem ramanowskim o rozdzielczości subfalowej i jasnym, skorelowanym kwantowo oświetleniu, które umożliwia wizualizację wiązań molekularnych wewnątrz komórki.
Mikroskop opiera się na nauce kwantowejsplątanie, efekt, który Einstein opisał jako „upiorne interakcje na odległość”. Jest to pierwszy na świecie czujnik oparty na splątaniu, którego wydajność przewyższa najlepsze istniejące technologie. Jego powstanie doprowadzi do powstania wszelkiego rodzaju nowych technologii, od najnowszych systemów nawigacji po bardziej zaawansowane maszyny. Splątanie kwantowe w naszym mikroskopie zapewnia o 35 procent lepszą klarowność bez niszczenia komórki, pozwalając nam zobaczyć maleńkie struktury biologiczne, które w innym przypadku byłyby niewidoczne.
Warwick Bowen Profesor w Laboratorium Optyki Kwantowej i Centrum Doskonałości Inżynierii Systemów Kwantowych przy Australijskiej Radzie ds. Badań Naukowych
Autorzy uważają, że głównym sukcesem nowej metody jest pokonanie tzw. zwycięstwa nad zasadami tradycyjnej mikroskopii świetlnej, która nie jest w stanie przeniknąć do żywej komórki.
Czytaj więcej:
Zwierzę ożyło po 24 tysiącach lat hibernacji w syberyjskiej wiecznej zmarzlinie
Zmiana klimatu doprowadzi do ekstremalnych opadów i powodzi
Dobór naturalny może odwrócić ewolucję doboru płciowego