โครงสร้างเซลล์ที่ไม่เคยมีมาก่อน: วิธีการทำงานของกล้องจุลทรรศน์ในอนาคตและสิ่งที่สามารถเห็นได้ในนั้น

อะไรเป็นตัวกำหนดความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์

ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์คือความสามารถ

สร้างภาพที่ชัดเจนของจุดสองจุดที่ตั้งอยู่ใกล้ๆ ของวัตถุ ระดับของการเจาะเข้าไปในโลกใบเล็กและความเป็นไปได้ในการศึกษานั้นขึ้นอยู่กับความละเอียดของอุปกรณ์

ลักษณะนี้ถูกกำหนดเป็นหลักความยาวคลื่นของรังสีที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์ (มองเห็นได้, รังสีอัลตราไวโอเลต, รังสีเอกซ์) ข้อจำกัดพื้นฐานคือความเป็นไปไม่ได้ที่จะได้ภาพของวัตถุด้วยความช่วยเหลือของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของรังสีนี้

"เจาะลึก" เข้าไปใน microworld ได้เมื่อใช้รังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า

กล้องจุลทรรศน์ทำงานอย่างไร

ระบบออปติคัลถูกออกแบบมาสำหรับการแปลงเชิงพื้นที่ของสนามรังสีก่อนระบบออปติคัล (ใน "พื้นที่ของวัตถุ") ในสนามหลังระบบออปติคัล (ใน "พื้นที่ภาพ") การแบ่งส่วนของ "ช่องว่าง" นี้เป็นกฎเกณฑ์โดยพลการ เนื่องจากเขตข้อมูล "ช่องว่าง" เหล่านี้ แตกต่างจากมุมมองของการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของสนาม ในบางกรณี (เช่น เมื่อใช้กระจกเงา) อาจตรงกันในลักษณะทางกายภาพสามมิติ พื้นที่

องค์กรนี้ประสบความสำเร็จโดยการใช้องค์ประกอบทางแสงที่มีรูปร่างซึ่งการกระทำนั้นปรากฏในปรากฏการณ์การหักเหแสงสะท้อนและการกระเจิงของรังสี สาเหตุทางกายภาพของปรากฏการณ์เหล่านี้คือการรบกวน

ในหลายกรณี เพื่ออธิบายการกระทำขององค์ประกอบแสงก็เพียงพอแล้วที่จะใช้แนวคิดของสาระสำคัญของปรากฏการณ์เหล่านี้โดยไม่เปิดเผยบทบาทของการรบกวนซึ่งทำให้สามารถอธิบายสนามรังสีด้วยแบบจำลองทางเรขาคณิตที่เป็นทางการตามแนวคิดที่ใช้งานง่ายของ "รังสี" ของแสง" และสมมติฐานของความยาวคลื่นรังสีที่น้อยที่สุดและความสม่ำเสมอของแสงของตัวกลางที่เติมพื้นที่ทั้งหมดซึ่งกฎของเลนส์เรขาคณิตทำงาน

แต่ในกรณีที่เห็นว่าจำเป็นคำนึงถึงคุณสมบัติของคลื่นของรังสีและคำนึงถึงการเปรียบเทียบขนาดขององค์ประกอบแสงกับความยาวคลื่นรังสี ออปติกเรขาคณิตเริ่มที่จะให้ข้อผิดพลาดซึ่งเรียกว่าการเลี้ยวเบนซึ่งในสาระสำคัญไม่ใช่ปรากฏการณ์อิสระ แต่เพียง รบกวนเหมือนกัน

กล้องจุลทรรศน์คืออะไร

• กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัล

ดวงตาของมนุษย์นั้นเป็นธรรมชาติระบบออปติคอลที่มีความละเอียดที่แน่นอน นั่นคือ ระยะห่างที่เล็กที่สุดระหว่างองค์ประกอบของวัตถุที่สังเกตได้ (รับรู้เป็นจุดหรือเส้น) ซึ่งยังคงมีความแตกต่างจากกัน

สำหรับตาปกติ เมื่อเคลื่อนออกจากวัตถุโดยที น. ระยะการมองเห็นที่ดีที่สุด (D = 250 มม.) ความละเอียดปกติเฉลี่ยอยู่ที่ ~ 0.2 มม. ขนาดของจุลินทรีย์ เซลล์พืชและสัตว์ส่วนใหญ่ ผลึกขนาดเล็ก รายละเอียดของโครงสร้างจุลภาคของโลหะและโลหะผสม ฯลฯ จะน้อยกว่าค่านี้มาก

จนถึงกลางศตวรรษที่ 20 พวกเขาทำงานเฉพาะที่มองเห็นได้เท่านั้นการแผ่รังสีทางแสงในช่วง 400-700 นาโนเมตร เช่นเดียวกับรังสีอัลตราไวโอเลตใกล้ (กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์) กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงไม่สามารถให้ความละเอียดน้อยกว่าครึ่งรอบของคลื่นรังสีอ้างอิงได้ (ช่วงความยาวคลื่น 0.2-0.7 ไมโครเมตร หรือ 200-700 นาโนเมตร)

ดังนั้น กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลจึงสามารถแยกแยะโครงสร้างที่มีระยะห่างระหว่างจุดต่างๆ ได้ถึง ~ 0.20 ไมโครเมตร ดังนั้นกำลังขยายสูงสุดที่ทำได้คือ ~ 2,000 เท่า

• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
  

ลำแสงอิเล็กตรอนซึ่งมีคุณสมบัติไม่เพียงแต่เป็นอนุภาคเท่านั้น แต่ยังเป็นคลื่นอีกด้วย สามารถใช้ในกล้องจุลทรรศน์ได้

ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับพลังงานของมัน และพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ E = Ve โดยที่ V คือความต่างศักย์ที่อิเล็กตรอนส่งผ่าน e คือประจุของอิเล็กตรอน ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนเมื่อผ่านความต่างศักย์ 200,000 V คือประมาณ 0.1 นาโนเมตร

อิเล็กตรอนสามารถโฟกัสได้ง่ายด้วยเลนส์แม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุ ภาพอิเล็กทรอนิกส์สามารถแปลงเป็นภาพที่มองเห็นได้ง่าย

ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้นสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบดั้งเดิม 1,000–10000 เท่า และสำหรับเครื่องมือที่ทันสมัยที่สุด มันอาจจะน้อยกว่าหนึ่งอังสตรอม

• การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์โพรบ
  

คลาสของกล้องจุลทรรศน์ตามการสแกนพื้นผิวด้วยโพรบ

กล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกน (SPM) เป็นกล้องจุลทรรศน์ประเภทใหม่ที่ค่อนข้างใหม่ ด้วย SPM ภาพจะได้มาจากการบันทึกปฏิสัมพันธ์ระหว่างโพรบกับพื้นผิว

ในขั้นของการพัฒนานี้ สามารถลงทะเบียนได้อันตรกิริยาของโพรบกับอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัว เนื่องจาก SPM นั้นเทียบได้กับกำลังการแยกย่อยของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และเหนือกว่าในพารามิเตอร์บางตัว

• กล้องจุลทรรศน์เอกซเรย์
  

กล้องจุลทรรศน์เอกซเรย์- อุปกรณ์สำหรับการเรียนขนาดเล็กมากวัตถุที่มีขนาดเทียบได้กับความยาวคลื่นรังสีเอกซ์ โดยอาศัยการใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.01 ถึง 1 นาโนเมตร

กล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์ความละเอียดความสามารถอยู่ระหว่างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและออปติคัล ความละเอียดตามทฤษฎีของกล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์ถึง 2-20 นาโนเมตร ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่สูงกว่าความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (สูงสุด 150 นาโนเมตร) ปัจจุบันมีกล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์ที่มีความละเอียดประมาณ 5 นาโนเมตร

• กล้องจุลทรรศน์อินฟราเรด

นี่เป็นวิธีการวิจัยโดยการสังเกตตัวอย่างผ่านกล้องจุลทรรศน์ในแสงอินฟราเรด วิธีการนี้มีไว้สำหรับศึกษาตัวอย่างที่มีขนาดเล็กมาก (เรียงตามลำดับไมโครมิเตอร์)

แสงที่มองเห็นได้สังเกตได้โดยผู้ทดลอง และแสงอินฟราเรดที่บันทึกโดยเครื่องตรวจจับจะผ่านระบบออปติคัลทั่วไประบบเดียว ดังนั้นภาพในกล้องสองตาจึงสอดคล้องกับพื้นที่ที่วิเคราะห์ด้วยรังสีอินฟราเรด

กล้องจุลทรรศน์อินฟราเรดใช้ในการวิเคราะห์ตัวอย่างในปริมาณที่น้อยมาก (0.01 ถึง 100 ไมโครกรัม) หรือขนาดเล็ก (10–1 ถึง 10–3 มม.) รวมถึงความผันผวนของความเข้มข้นและการรวม

อะไรคือข้อเสียของกล้องจุลทรรศน์ที่ประดิษฐ์ขึ้น?

ประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงจำกัดโดยระดับของเสียงสุ่มที่เกิดจากอนุภาคมูลฐานของแสง - ควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหรือโฟตอน ความไม่ต่อเนื่องของโฟตอนเป็นตัวกำหนดความไว ความละเอียด และความเร็วของอุปกรณ์ออปติคัล

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์เหล่านี้ นักพัฒนามักจะไปตามเส้นทางของการเพิ่มความเข้มของแสงและแทนที่แหล่งกำเนิดแสงแบบเดิมด้วยเลเซอร์ แต่การใช้กล้องจุลทรรศน์เลเซอร์นั้นไม่สามารถทำได้เสมอไปเมื่อศึกษาระบบทางชีววิทยา เนื่องจากแสงเลเซอร์ที่สว่างสามารถทำลายเซลล์ที่มีชีวิตได้

วิทยาศาสตร์มีความก้าวหน้าในการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อย่างไร?

การค้นพบครั้งสำคัญครั้งสุดท้ายในบริเวณนี้คือสร้างขึ้นเมื่อต้นเดือนมิถุนายน 2021 นักวิทยาศาสตร์จากออสเตรเลียและเยอรมนีได้สร้างกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมที่สามารถมองเห็นโครงสร้างเซลล์ที่มองไม่เห็นก่อนหน้านี้

ผู้เขียนกล่าวว่าสิ่งนี้เป็นการปูทางสำหรับการสร้างเทคโนโลยีชีวภาพใหม่และการใช้งานจริง - ตั้งแต่การนำทางไปจนถึงการถ่ายภาพทางการแพทย์ ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์แนะนำว่าการถ่ายภาพทางชีวภาพสามารถปรับปรุงได้โดยไม่ต้องเพิ่มความเข้มของแสง โดยใช้ความสัมพันธ์โฟโตนิกควอนตัม

ร่วมกับเพื่อนร่วมงานชาวเยอรมันจาก Rostockที่มหาวิทยาลัย พวกเขาได้ทดลองพิสูจน์ว่าการใช้สหสัมพันธ์ควอนตัม เป็นไปได้ที่จะได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงกว่า 35 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับกล้องจุลทรรศน์ทั่วไปโดยไม่มีความเสียหายจากแสง สูงขึ้นมากด้วยเทคโนโลยีนี้และความเร็วของการประมวลผลภาพ

กล้องจุลทรรศน์ควอนตัมทำงานอย่างไร

ผู้สร้างกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมได้ทำขึ้นการติดตั้งซึ่งเป็นกล้องจุลทรรศน์รามันที่สอดคล้องกันซึ่งมีความละเอียดของความยาวคลื่นย่อยและการส่องสว่างที่สัมพันธ์กับควอนตัมที่สว่าง ซึ่งทำให้สามารถมองเห็นพันธะโมเลกุลภายในเซลล์ได้

กล้องจุลทรรศน์มีพื้นฐานอยู่บนศาสตร์แห่งควอนตัมความพัวพัน ซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ที่ไอน์สไตน์อธิบายว่าเป็น "ปฏิสัมพันธ์ที่น่ากลัวในระยะไกล" เป็นเซ็นเซอร์แบบพัวพันตัวแรกของโลกที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเทคโนโลยีที่ดีที่สุดที่มีอยู่ การสร้างมันจะนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ทุกประเภท ตั้งแต่ระบบนำทางล่าสุดไปจนถึงเครื่องจักรขั้นสูงที่พันกันด้วยควอนตัมในกล้องจุลทรรศน์ของเรา ให้ความกระจ่างดีขึ้น 35 เปอร์เซ็นต์โดยไม่ทำลายเซลล์ ทำให้เรามองเห็นโครงสร้างทางชีววิทยาเล็กๆ ที่อาจมองไม่เห็น

ศาสตราจารย์ Warwick Bowen จากห้องปฏิบัติการ Quantum Optics และศูนย์ความเป็นเลิศด้านระบบควอนตัมทางวิศวกรรมที่สภาวิจัยแห่งออสเตรเลีย

ผู้เขียนเชื่อว่าความสำเร็จหลักของวิธีการใหม่คือการเอาชนะสิ่งที่เรียกว่าชัยชนะเหนือหลักการของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงแบบดั้งเดิม ซึ่งไม่สามารถเจาะเข้าไปในเซลล์ที่มีชีวิตได้

อ่านเพิ่มเติม:

สัตว์ฟื้นคืนชีพขึ้นมาหลังจาก 24,000 ปีของการจำศีลในเพอร์มาฟรอสต์ไซบีเรีย

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศจะนำไปสู่ฝนตกหนักและน้ำท่วมรุนแรง

การคัดเลือกโดยธรรมชาติสามารถย้อนกลับวิวัฒนาการของการคัดเลือกทางเพศได้