Від чого залежить роздільна здатність мікроскопа
Роздільна здатність мікроскопа - це здатність
Ця характеристика визначається насампереддовжиною хвилі використовуваного в мікроскопії випромінювання (видиме, ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання). Фундаментальне обмеження полягає в неможливості отримати за допомогою електромагнітного випромінювання зображення об'єкта, меншого за розмірами, ніж довжина хвилі цього випромінювання.
«Проникнути глибше» в мікросвіт можливо при застосуванні випромінювань з меншими довжинами хвиль.
Як працює мікроскоп?
Оптична система призначена дляпросторового перетворення поля випромінювання до оптичної системи (в «просторі предметів») в поле після оптичної системи (в «просторі зображень»). Такий поділ «просторів» досить умовно, оскільки ці різні з точки зору зміни структури поля «простору» можуть в деяких випадках (наприклад при використанні дзеркал) збігатися в тривимірному фізичному просторі.
Така організація і досягається шляхомвикористання мають певну форму оптичних елементів, дія яких проявляється в явищі заломлення, відображення і розсіювання випромінювання. Фізичною причиною всіх цих явищ є інтерференція.
У багатьох випадках для пояснення діїоптичного елемента цілком достатньо застосування понять про сутність цих явищ, без розкриття ролі інтерференції, що дозволяє описувати поле випромінювання його формалізованої геометричною моделлю, заснованої на інтуїтивно зрозумілому поданні про «промені світла» і постулаті про нескінченно малості довжини хвилі випромінювання і оптичної однорідності середовища, що заповнює весь простір, в якому діють закони геометричної оптики.
Але в разі, коли виявляється необхіднимвраховувати хвильові властивості випромінювання і брати до уваги порівнянність розмірів оптичного елемента з довжиною хвилі випромінювання, геометрична оптика починає давати помилки, що носить назву дифракції, по суті своїй не є самостійним явищем, а лише тієї ж інтерференцією.
Які бувають мікроскопи
- Оптичні мікроскопи
Людське око є природнимоптичну систему, що характеризується певним дозволом, тобто найменшою відстанню між елементами об'єкта, що спостерігається (сприймаються як точки або лінії), при якому вони ще можуть бути відмінні один від одного.
Для нормального ока при видаленні від об'єкта нат. н. відстань найкращого бачення (D = 250 мм), середньостатистичне нормальний дозвіл складає ~ 0,2 мм. Розміри мікроорганізмів, більшості рослинних і тваринних клітин, дрібних кристалів, деталей мікроструктури металів і сплавів і т. П. Значно менше цієї величини.
До середини XX століття працювали лише з видимимоптичним випромінюванням, в діапазоні 400-700 нм, а також із ближнім ультрафіолетом (люмінесцентний мікроскоп). Оптичні мікроскопи не могли давати роздільної здатності менше півперіоду хвилі опорного випромінювання (діапазон довжин хвиль 0,2-0,7 мкм, або 200-700 нм).
Таким чином, оптичний мікроскоп здатний розрізняти структури з відстанню між точками до ~ 0,20 мкм, тому максимальне збільшення, якого можна було досягти, становило ~ 2000 крат.
- електронні мікроскопи
Пучок електронів, які мають властивості не тільки частинки, але і хвилі, може бути використаний в мікроскопії.
Довжина хвилі електрона залежить від його енергії, аенергія електрона дорівнює E = Ve, де V - різниця потенціалів, що проходить електроном, e - заряд електрона. Довжини хвиль електронів при проходженні різниці потенціалів 200 000 становить близько 0,1 нм.
Електрони легко фокусувати електромагнітними лінзами, так як електрон - заряджена частинка. Електронне зображення може бути легко переведено в видиме.
Роздільна здатність електронного мікроскопа в 1000-10000 разів перевершує дозвіл традиційного світлового мікроскопа і для кращих сучасних приладів може бути менше одного ангстрема.
- Скануючі зондові мікроскопи
Клас мікроскопів, заснованих на скануванні поверхні зондом.
Сканувальні зондові мікроскопи (СЗМ) - відносно новий клас мікроскопів. На СЗМ зображення отримують шляхом реєстрації взаємодій між зондом та поверхнею.
На даному етапі розвитку можливо реєструвативзаємодія зонда з окремими атомами і молекулами, завдяки чому СЗМ по роздільної здатності можна порівняти з електронними мікроскопами, а за деякими параметрами перевершують їх.
- рентгенівські мікроскопи
рентгенівський мікроскоп- пристрій для дослідження дуже малихоб'єктів, розміри яких можна порівняти з довжиною рентгенівської хвилі. Заснований використання електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі від 0,01 до 1 нанометра.
Рентгенівські мікроскопи по роздільноїздібності знаходяться між електронними та оптичними мікроскопами. Теоретична роздільна здатність рентгенівського мікроскопа досягає 2-20 нанометрів, що на порядок більше роздільної здатності оптичного мікроскопа (до 150 нанометрів). В даний час існують рентгенівські мікроскопи з роздільною здатністю близько 5 нанометрів.
- інфрачервона мікроскопія
Це метод дослідження шляхом спостереження зразків через мікроскоп в інфрачервоному світлі. Метод призначений для дослідження зразків дуже невеликого розміру (порядку мікрометрів).
Видиме світло, яке спостерігається експериментатором, іінфрачервоне світло, реєстрований детектором, проходять через одну загальну оптичну систему, тому зображення в бінокуляри відповідає ділянці, який аналізується в ІК-випромінюванні.
ІК-мікроскопія використовується для аналізу зразків в дуже малій кількості (від 0,01 до 100 мкг) або малих розмірів (від 10-1 до 10-3 мм), а також концентраційних флуктуацій і включень.
Які є недоліки у винайдених мікроскопів?
Продуктивність світлових мікроскопівобмежена рівнем випадкового шуму, який створюють елементарні частинки світла - кванти електромагнітного випромінювання, або фотони. Дискретність фотонів визначає чутливість, дозвіл і швидкість оптичних приладів.
Для оптимізації цих параметрів розробникизазвичай йдуть по шляху збільшення інтенсивності світла і заміни звичайних його джерел лазерними. Але використання лазерних мікроскопів не завжди можливо при дослідженні біологічних систем, оскільки яскраві лазери можуть зруйнувати живу клітину.
Як наука просунулася в розробці мікроскопів?
Останнє велике відкриття у цій сфері булозроблено на початку червня 2021 року. Вчені з Австралії та Німеччини створили квантовий мікроскоп, здатний розглянути невидимі раніше клітинні структури.
На думку авторів, це відкриває шлях для створення нових біотехнологій і практичних додатків - від навігації до медичної візуалізації. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature.
Дослідники з Університету Квінсленду припустили, що біологічна візуалізація може бути покращена без збільшення інтенсивності світла за допомогою квантових фотонних кореляцій.
Разом з німецькими колегами з Ростокськогоуніверситету вони експериментально довели, що за допомогою квантових кореляцій можна отримати відношення сигнал / шум на 35 відсотків вище, ніж при звичайній мікроскопії без фотоповрежденія. Значно вище за такої технології і швидкість обробки зображень.
Як працює квантовий мікроскоп?
Творці квантового мікроскопа зробилиустановку, що представляє із себе когерентний раманівське мікроскоп з субволновим дозволом і яскравим квантово-корельованим освітленням, що дозволяє візуалізувати молекулярні зв'язки всередині клітини.
Мікроскоп заснований на науці про квантовузаплутаності — ефект, який Ейнштейн описав як «жахливі взаємодії з відривом». Це перший у світі датчик на основі заплутування з характеристиками, що перевершують найкращі існуючі технології. Його створення призведе до появи різних видів нових технологій - від новітніх навігаційних систем до більш досконалих апаратів. Квантова заплутаність у нашому мікроскопі забезпечує на 35 відсотків покращену чіткість без руйнування клітини, дозволяючи бачити найдрібніші біологічні структури, які інакше були б невидимі.
Уорвіка Боуена, професор з лабораторії квантової оптики та Центру передового досвіду для інженерних квантових систем Австралійської дослідницької ради
Головним успіхом нового методу автори вважають подолання так званого перемогу над принципами традиційної світлової мікроскопії, нездатною проникнути всередину живої клітини.
Читати далі:
Тварина ожило після 24 тис. Років сплячки в сибірській вічній мерзлоті
Зміна клімату призведе до екстремальних опадів і повеней
Природний відбір може повернути назад еволюцію статевого відбору