Ceea ce determină rezoluția microscopului
Rezoluția unui microscop este capacitatea
Această caracteristică este determinată în primul rândlungimea de undă a radiației utilizate în microscopie (vizibilă, ultravioletă, radiații cu raze X). Limita fundamentală este imposibilitatea de a obține o imagine a unui obiect cu ajutorul radiației electromagnetice, care are dimensiuni mai mici decât lungimea de undă a acestei radiații.
„Pentru a pătrunde mai adânc” în micro-lume este posibilă atunci când se utilizează radiații cu lungimi de undă mai mici.
Cum funcționează un microscop?
Sistemul optic este conceput pentrutransformarea spațială a câmpului de radiații înainte de sistemul optic (în „spațiul obiectelor”) în câmpul după sistemul optic (în „spațiul de imagine”). Această împărțire a „spațiilor” este foarte arbitrară, deoarece aceste câmpuri „spațiale”, diferite din punctul de vedere al schimbării structurii câmpului, pot, în unele cazuri (de exemplu, când se utilizează oglinzi) să coincidă în spațiul fizic tridimensional .
Această organizare este realizată deutilizarea elementelor optice în formă, a căror acțiune se manifestă în fenomenul de refracție, reflexie și împrăștiere a radiațiilor. Cauza fizică a tuturor acestor fenomene este interferența.
În multe cazuri, pentru a explica acțiuneaa unui element optic, este suficient să se utilizeze conceptele esenței acestor fenomene, fără a dezvălui rolul interferenței, care face posibilă descrierea câmpului de radiație printr-un model geometric formalizat bazat pe un concept intuitiv al unei „raze”. de lumină "și postulatul lungimii de undă a radiației infinitesimale și a omogenității optice a mediului care umple tot spațiul în care operează legile opticii geometrice.
Dar în cazul în care se dovedește a fi necesarpentru a ține cont de proprietățile de undă ale radiației și de a lua în considerare comparabilitatea dimensiunilor elementului optic cu lungimea de undă a radiației, optica geometrică începe să dea erori, ceea ce se numește difracție, care în esență nu este un fenomen independent, ci doar aceeași interferență.
Ce sunt microscoapele
- Microscoape optice
Ochiul uman este naturalun sistem optic caracterizat printr-o anumită rezoluție, adică cea mai mică distanță dintre elementele obiectului observat (percepute ca puncte sau linii), la care pot fi încă diferite unele de altele.
Pentru un ochi normal, atunci când se îndepărtează de un obiect print. n. cea mai bună distanță de vizionare (D = 250 mm), rezoluția normală medie este de ~ 0,2 mm. Mărimile microorganismelor, majoritatea celulelor vegetale și animale, cristalele mici, detaliile microstructurii metalelor și aliajelor etc. sunt mult mai mici decât această valoare.
Până la mijlocul secolului al XX-lea au lucrat doar cu vizibilradiații optice, în intervalul 400-700 nm, precum și aproape ultraviolete (microscop fluorescent). Microscoapele optice nu au putut oferi o rezoluție mai mică decât jumătatea ciclului undei de radiație de referință (intervalul de lungimi de undă 0,2-0,7 μm sau 200-700 nm).
Astfel, microscopul optic este capabil să distingă structurile cu o distanță între puncte de până la ~ 0,20 μm, astfel încât mărirea maximă care ar putea fi atinsă a fost de ~ 2000 de ori.
- Microscoape electronice
Un fascicul de electroni, care au proprietățile nu numai a unei particule, ci și a unei unde, poate fi utilizat în microscopie.
Lungimea de undă a unui electron depinde de energia acestuia șienergia electronului este egală cu E = Ve, unde V este diferența de potențial trecută de electron, e este sarcina electronului. Lungimea de undă a electronilor la trecerea printr-o diferență de potențial de 200.000 V este de aproximativ 0,1 nm.
Electronii pot fi focalizați cu ușurință cu lentile electromagnetice, deoarece un electron este o particulă încărcată. O imagine electronică poate fi ușor convertită într-una vizibilă.
Rezoluția unui microscop electronic este de 1000–10000 de ori mai mare decât cea a unui microscop tradițional cu lumină, iar pentru cele mai bune instrumente moderne poate fi mai mică de un angstrom.
- Microscoape cu sondă de scanare
O clasă de microscopuri bazate pe scanarea suprafeței cu o sondă.
Microscoapele cu sondă de scanare (SPM) sunt o clasă relativ nouă de microscoape. Cu un SPM, se obține o imagine prin înregistrarea interacțiunilor dintre sondă și suprafață.
În acest stadiu de dezvoltare, este posibil să vă înregistrațiinteracțiunea sondei cu atomii și moleculele individuale, datorită căreia SPM-urile sunt comparabile în puterea de rezoluție cu microscopii electronici și le depășesc în unii parametri.
- Microscoape cu raze X
Microscop cu raze X- un aparat pentru studiu foarte micobiecte ale căror dimensiuni sunt comparabile cu lungimea de undă a razelor X. Bazat pe utilizarea radiației electromagnetice cu o lungime de undă de la 0,01 la 1 nanometru.
Microscoape cu raze X de rezoluțieabilitățile sunt între microscopurile electronice și cele optice. Rezoluția teoretică a unui microscop cu raze X ajunge la 2-20 nanometri, care este un ordin de mărime mai mare decât rezoluția unui microscop optic (până la 150 nanometri). În prezent, există microscopuri cu raze X cu o rezoluție de aproximativ 5 nanometri.
- Microscopie cu infraroșu
Aceasta este o metodă de cercetare prin observarea probelor printr-un microscop în lumină infraroșie. Metoda este destinată studierii mostrelor foarte mici (de ordinul micrometrelor).
Lumina vizibilă observată de experimentator șilumina infraroșie înregistrată de detector trece printr-un sistem optic comun, astfel încât imaginea din binoclu corespunde zonei care este analizată în radiația infraroșie.
Microscopia IR este utilizată pentru a analiza probe în cantități foarte mici (de la 0,01 la 100 µg) sau dimensiuni mici (de la 10-1 până la 10-3 mm), precum și fluctuații de concentrație și incluziuni.
Care sunt dezavantajele microscoapelor inventate?
Performanța microscopului luminoslimitat de nivelul de zgomot aleatoriu creat de particulele elementare de lumină - cante de radiații electromagnetice sau fotoni. Discreția fotonilor determină sensibilitatea, rezoluția și viteza dispozitivelor optice.
Pentru a optimiza acești parametri, dezvoltatoriiurmează de obicei calea creșterii intensității luminii și înlocuirea surselor sale convenționale cu cele cu laser. Dar utilizarea microscopurilor laser nu este întotdeauna posibilă atunci când studiați sistemele biologice, deoarece laserele strălucitoare pot distruge o celulă vie.
Cum a avansat știința în dezvoltarea microscoapelor?
Ultima descoperire majoră în această zonă a fostrealizat la începutul lunii iunie 2021. Oamenii de știință din Australia și Germania au creat un microscop cuantic care poate vedea structuri celulare invizibile anterior.
Potrivit autorilor, acest lucru deschide calea pentru crearea de noi biotehnologii și aplicații practice - de la navigație la imagistica medicală. Rezultatele cercetării sunt publicate în revista Nature.
Cercetătorii de la Universitatea din Queensland au sugerat că imagistica biologică ar putea fi îmbunătățită fără creșterea intensității luminii, folosind corelații fotonice cuantice.
Împreună cu colegii germani de la RostockLa universitate, au demonstrat experimental că folosind corelații cuantice, este posibil să se obțină un raport semnal-zgomot mai mare cu 35% decât cu microscopia convențională fără fotodamaj. Mult mai mare cu această tehnologie și viteza de procesare a imaginilor.
Cum funcționează un microscop cuantic?
Creatorii microscopului cuantic au realizatinstalare, care este un microscop Raman coerent cu rezoluție de lungime de undă și iluminare corelată cuantică, care face posibilă vizualizarea legăturilor moleculare în interiorul celulei.
Microscopul se bazează pe știința cuanticăîncurcare, un efect pe care Einstein l-a descris drept „interacțiuni înfricoșătoare la distanță”. Este primul senzor bazat pe încurcare din lume cu performanțe superioare celor mai bune tehnologii existente. Crearea sa va duce la tot felul de noi tehnologii, de la cele mai noi sisteme de navigație până la mașini mai avansate. Încheierea cuantică din microscopul nostru oferă o claritate îmbunătățită cu 35%, fără a distruge celula, permițându-ne să vedem structuri biologice minuscule care altfel ar fi invizibile.
Warwick Bowen Profesor la Laboratorul de Optică Cuantică și Centrul de Excelență pentru Inginerie Sisteme Cuantice de la Consiliul Australian de Cercetare
Autorii cred că principalul succes al noii metode este depășirea așa-numitei victorii asupra principiilor microscopiei tradiționale cu lumină, care este incapabilă să pătrundă într-o celulă vie.
Citeste mai mult:
Animalul a prins viață după 24 de mii de ani de hibernare în permafrostul siberian
Schimbările climatice vor duce la precipitații extreme și inundații
Selecția naturală poate inversa evoluția selecției sexuale