Vad som bestämmer mikroskopets upplösning
Upplösningen av ett mikroskop är förmågan
Denna egenskap bestäms främstvåglängden för strålning som används i mikroskopi (synlig, ultraviolett, röntgenstrålning). Den grundläggande begränsningen är omöjligheten att få en bild av ett objekt som är mindre i storlek än våglängden för denna strålning med hjälp av elektromagnetisk strålning.
"Att tränga djupare" in i mikrovärlden är möjligt när man använder strålning med kortare våglängder.
Hur fungerar ett mikroskop?
Det optiska systemet är utformat förrumslig transformation av strålningsfältet före det optiska systemet (i "objektets utrymme") i fältet efter det optiska systemet (i "bildutrymmet"). Denna uppdelning av "mellanslag" är mycket godtycklig, eftersom dessa "mellanslag" -fält, som skiljer sig från synen på förändringar i fältets struktur, i vissa fall (till exempel när man använder speglar) sammanfaller i tredimensionell Plats.
Denna organisation uppnås avanvändningen av formade optiska element, vars verkan manifesteras i fenomenet brytning, reflektion och spridning av strålning. Den fysiska orsaken till alla dessa fenomen är störningar.
I många fall för att förklara åtgärdenav ett optiskt element är det tillräckligt att använda begreppen essensen av dessa fenomen, utan att avslöja störningens roll, vilket gör det möjligt att beskriva strålningsfältet med en formaliserad geometrisk modell baserad på ett intuitivt koncept av en "stråle av ljus "och postulatet för den oändligt små strålningsvåglängden och den optiska homogeniteten hos mediet som fyller allt utrymme i vilket lagarna för geometrisk optik verkar.
Men i fallet när det visar sig vara nödvändigtför att ta hänsyn till strålningens vågegenskaper och ta hänsyn till jämförbarheten för dimensionerna hos det optiska elementet med strålningsvåglängden, geometrisk optik börjar ge fel, som kallas diffraktion, vilket i princip inte är ett oberoende fenomen, utan bara samma störningar.
Vad är mikroskop
- Optiska mikroskop
Det mänskliga ögat är ett naturligtett optiskt system som kännetecknas av en viss upplösning, det vill säga det minsta avståndet mellan elementen i det observerade objektet (uppfattas som punkter eller linjer), där de fortfarande kan skilja sig från varandra.
För ett normalt öga när du rör dig bort från ett föremål medt. n. bästa synavstånd (D = 250 mm), normal normal upplösning är ~ 0.2 mm. Storleken på mikroorganismer, de flesta växt- och djurceller, små kristaller, detaljer om mikrostrukturen hos metaller och legeringar etc. är mycket mindre än detta värde.
Fram till mitten av 1900-talet arbetade man endast med synligaoptisk strålning, i intervallet 400-700 nm, såväl som nära ultraviolett (fluorescensmikroskop). Optiska mikroskop kunde inte ge en upplösning som var mindre än halvcykeln för referensstrålningsvågen (våglängdsområde 0,2-0,7 μm, eller 200-700 nm).
Således kan det optiska mikroskopet skilja strukturer med ett avstånd mellan punkter upp till ~ 0,20 μm, så den maximala förstoringen som kunde uppnås var ~ 2000 gånger.
- Elektronmikroskop
En stråle av elektroner, som inte bara har en partikel utan också en våg, kan användas i mikroskopi.
En elektrons våglängd beror på dess energi, ochelektronens energi är lika med E = Ve, där V är potentialskillnaden som passerar av elektronen, e är elektronens laddning. Våglängden för elektroner när de passerar genom en potentialskillnad på 200 000 V är cirka 0,1 nm.
Elektroner kan enkelt fokuseras med elektromagnetiska linser, eftersom en elektron är en laddad partikel. En elektronisk bild kan enkelt konverteras till en synlig.
Upplösningen för ett elektronmikroskop är 1000–10000 gånger högre än för ett traditionellt ljusmikroskop, och för de bästa moderna instrumenten kan det vara mindre än en ångström.
- Skanningssondmikroskop
En klass av mikroskop baserat på ytsökning med en sond.
Scanning probe microscopes (SPM) är en relativt ny klass av mikroskop. Med en SPM erhålls en bild genom att registrera interaktioner mellan sonden och ytan.
I detta utvecklingsstadium är det möjligt att registrera sigväxelverkan mellan sonden och enskilda atomer och molekyler, på grund av vilka SPM är jämförbara när det gäller att upplösa kraft till elektronmikroskop och överträffa dem i vissa parametrar.
- Röntgenmikroskop
Röntgenmikroskop- en apparat för att studera mycket litenföremål vars dimensioner är jämförbara med röntgenvåglängden. Baserat på användningen av elektromagnetisk strålning med en våglängd från 0,01 till 1 nanometer.
Upplösning röntgenmikroskopförmågan är mellan elektron- och optiska mikroskop. Den teoretiska upplösningen för ett röntgenmikroskop når 2-20 nanometer, vilket är en storleksordning högre än upplösningen för ett optiskt mikroskop (upp till 150 nanometer). För närvarande finns röntgenmikroskop med en upplösning på cirka 5 nanometer.
- Infraröd mikroskopi
Detta är en forskningsmetod genom att observera prover genom ett mikroskop i infrarött ljus. Metoden är avsedd för att studera mycket små prover (i storleksordningen mikrometer).
Det synliga ljuset som observerats av experimentet, ochdet infraröda ljuset som registreras av detektorn passerar genom ett vanligt optiskt system, så bilden i kikaren motsvarar det område som analyseras med infraröd strålning.
IR-mikroskopi används för att analysera prover i mycket små mängder (0,01 till 100 µg) eller små storlekar (10–1 till 10–3 mm), samt koncentrationsfluktuationer och inneslutningar.
Vilka är nackdelarna med de uppfunna mikroskopen?
Ljusmikroskopprestandabegränsad av nivån av slumpmässigt brus som skapas av elementära ljuspartiklar - kvantiteter av elektromagnetisk strålning eller fotoner. Diskrethet hos fotoner bestämmer känslighet, upplösning och hastighet hos optiska enheter.
För att optimera dessa parametrar, utvecklarnaföljer vanligtvis vägen för att öka ljusintensiteten och ersätta dess konventionella källor med laser. Men användningen av lasermikroskop är inte alltid möjligt när man studerar biologiska system, eftersom ljusa lasrar kan förstöra en levande cell.
Hur har vetenskapen utvecklats i utvecklingen av mikroskop?
Den sista stora upptäckten i detta område vargjord i början av juni 2021. Forskare från Australien och Tyskland har skapat ett kvantmikroskop som kan se tidigare osynliga cellulära strukturer.
Enligt författarna banar detta väg för skapandet av ny bioteknik och praktiska tillämpningar - från navigering till medicinsk bildbehandling. Forskningsresultaten publiceras i tidskriften Nature.
Forskare vid University of Queensland har föreslagit att biologisk avbildning kan förbättras utan att öka ljusintensiteten med hjälp av kvantfotoniska korrelationer.
Tillsammans med tyska kollegor från RostockVid universitetet bevisade de experimentellt att med kvantkorrelationer är det möjligt att få ett signal-brusförhållande 35 procent högre än med konventionell mikroskopi utan fotoskada. Mycket högre med denna teknik och bildbearbetningens hastighet.
Hur fungerar ett kvantmikroskop?
Skaparna av kvantmikroskopet har gjortinstallation, vilket är ett sammanhängande Raman-mikroskop med subwavelength-upplösning och ljus kvantkorrelerad belysning, vilket gör det möjligt att visualisera molekylära bindningar inuti cellen.
Mikroskopet är baserat på vetenskapen om kvantumintrassling, en effekt som Einstein beskrev som "läskiga interaktioner på avstånd." Det är världens första intrasslingsbaserade sensor med prestanda överlägsen de bästa befintliga teknologierna. Dess skapelse kommer att leda till alla typer av ny teknologi, från de senaste navigationssystemen till mer avancerade maskiner.Kvantumintrassling i vårt mikroskop ger 35 procent förbättrad klarhet utan att förstöra cellen, vilket gör att vi kan se små biologiska strukturer som annars skulle vara osynliga.
Warwick Bowen professor vid Quantum Optics Laboratory och Center of Excellence for Engineering Quantum Systems vid Australian Research Council
Författarna tror att den nya metodens huvudsakliga framgång är att övervinna den så kallade segern över principerna för traditionell ljusmikroskopi, som inte kan tränga in i en levande cell.
Läs mer:
Djuret vaknade till liv efter 24 tusen år av viloläge i den sibiriska permafrosten
Klimatförändringar kommer att leda till extrem nederbörd och översvämningar
Naturligt urval kan vända utvecklingen av sexuellt urval