Оптический микроскоп
Оптический микроско́п (обычно именуемый просто микроскоп, от греч. μικρός — маленький и σκοπέω — смотрю) — прибор для получения увеличенных изображений малых объектов, которые невозможно рассмотреть невооружённым глазом.
Оптический микроскоп иногда называется «световым микроскопом», в нём используют видимый свет и систему линз, чтобы увеличить изображения маленьких объектов. Оптические микроскопы являются самыми старыми, нередко и самыми простыми из микроскопов. Однако, новые модели цифровых микроскопов имеют видеокамеру с зарядовой связью, которая даёт возможность исследовать образец и получить изображение непосредственно на экране компьютера без применения дорогой оптики, типа окуляров. Другие микроскопические методы, которые не используют видимый свет, используют в качестве «источника освещения» рентгеновские лучи — рентгеновскую электронную микроскопию.
Общие сведенияПравить
Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть различимы один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешения составляет 0,176 мм.
Улучшить условия наблюдения можно с помощью оптических приборов, в простейшем случае - лупы. Однако размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины.
Для наблюдения и изучения подобных объектов предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Объекты для микроскопии подготавливают и сохраняют в виде специальных микроскопических препаратов, которые можно фиксировать, окрашивать, фотографировать для дальнейшего изучения (микрофотография).
До середины ХХ века работали только с видимым светом, оптическим излучением в диапазоне 400—700 нм, а также с ближним ультрафиолетом (люминесцентный микроскоп). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2—0,7 мкм, или 200—700 нм), потому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло ~2000 крат. То есть способность различать структуры с расстоянием между точками до ~0,20 мкм. (хотя в ультрамикроскопе можно обнаружить объекты меньшего размера, их структуру изучить невозможно).
Но это было до 2006 года.
В 2006 году немецкие ученые Штефан Хелль (Stefan Hell) и Мариано Босси (Mariano Bossi) из Института биофизической химии разработали оптический микроскоп, позволяющий наблюдать объекты размером около 10 нм и получать высококачественные трехмерные 3D изображения (см. в журнале Angewandte Chemie). Увидеть объекты размером менее 200 нанометров (минимальной длины волны ближнего ультрафиолетового излучения) было возможно только при помощи неоптических методов (например, электронной микроскопии}, однако эти методы имели свои ограничения, в частности, в отличие от оптических не позволяли работать с целыми и тем более живыми клетками. Ученые применили метод микроскопии, в котором молекулы при помощи специально подобранного очень короткого импульса переводятся из «темного» состояния в «светлое», при котором они излучают энергию, люминесцируют. Излучаемый свет фиксируется и тем самым выдает данные об объектах размером значительно меньше 200 нанометров. Эта разработка позволила взглянуть в микромир живых клеток на атомно- молекулярном уровне в трехмерном пространстве 3D с разрешением изображений в 1-10 нм!
ИсторияПравить
Первый микроскоп был создан в 1595 году Захариусом Йансеном. [2] Современные микроскопы отличаются высокой степенью специализации. Существуют металлографические, биологические, полярографические, а также универсальные микроскопы, общего назначения.
Разрешающая способность микроскоповПравить
Получение изображений осуществляется путём использования соответствующих оптических систем — Микроскопов.
Степень проникновения в микромир, изучения микромира зависит от возможности рассмотреть величину микро-объектов, от разрешающей способности прибора, определяемой длиной волны используемого в микроскопии опорного излучения (свет, УФ, ИК, рентгеновское излучение). Главным ограничением возможности рассматривать более мелкие частицы — это когда достигнут предел возможности применить длину опорной (например, размер площади) волны излучения (освещения) объекта меньше его (то есть внутри его границ). Например, наш глаз способен рассмотреть размер пятен изображения или две риски в пределах 0,176мм c расстояния 250 мм. Уменьшение размеров пятен или расстояний между рисками мы воспринимаем как сплошное любое цветное или чёрно-белое (серое) изображение без видимых деталей. То есть «проникнуть глубже» в микромир возможно при применении более коротковолновых излучений, то есть излучений с меньшими длинами волн, соответственно с более высокой разрешающей способностью микроскопов. В настоящее время достигнут предел разрешающей способности микроскопа или микроскопии, равный длине опорной волны луча «жёсткого» рентгеновского излучения, что соответствует длинам волн 1—10нм (10−9—10−8м) .
Разрешающую способность микроскопа можно увеличить, повышая апертуру его конденсора, поэтому конденсоры микроскопов обычно сложные, и состоят из двух-трёх линз, а в тёмнопольных конденсорах - также и зеркала, за счёт чего апертура может быть очень велика, и угол собираемого пучка лучей достигает 240°.
Оптическая схемаПравить
Оптические компоненты современного микроскопа прошли долгий путь эволюции, тесно связанный с развитием оптико-механической промышленности, точной механики и оптики. Они имеют очень сложное устройство, для создания изображения наивысшего качества. Однако принципиальное устройство и ход лучей почти одинаковы, схематически они показаны на рисунке справа. Линзы объектива, в простейшем случае, выполняют роль очень сильной лупы - линзы с коротним фокусным расстоянием. Во всех микроскопах изображение, наблюдаемое глазом, сфокусировано в бесконечности . Головные боли и усталость глаз при работе на микроскопе связаны чаще всего с тем, что глаз пытается сфокусироваться на более близкое расстояние.
Устройство оптического микроскопаПравить
Простейший микроскоп содержал лишь одну линзу (в качестве которой когда-то использовались даже капельки воды). Микроскоп Левенгука имел одну линзу, закреплённую в бронзовой пластинке, и винтовой механизм для фиксации исследуемого предмета. Demonstrations by British microscopist have images from such basic instruments.
Компоненты и узлыПравить
Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. Основные компоненты оптико-механической системы представлены на фотографии справа.
В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления положением конденсора, держатель для светофильтров. В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.
ОбъективыПравить
ИммерсияПравить
Может быть сухой и масляной.
- а)сухая: Коэффициент преломления равен n=1;
- б)масляная: используется при работе с мелкими объектами n=1,33.
В качестве иммерсионной жидкости раньше использовали воду и т.н. Иммерсионное масло, которое получали из живицы некоторых пород деревьев.
ОкулярыПравить
Система освещения препаратаПравить
В первых микроскопах применяли естественные источники света. Для улучшения освещённости применяли зеркало, затем — вогнутое зеркало, с помощью которого на препарат направляли лучи света (солнца, лмпы и др.) В современных микроскопах освещение регулируют с помощью конденсоров.
КонденсорПравить
Конденсор (от лат. condense — сгущаю, уплотняю), короткофокусная линза или система линз, используемая в оптическом приборе для освещения рассматриваемого или проецируемого предмета. Конденсор собирает, усиливает и превращает в пучёк равномерных параллелных лучей в границах всей площади конденсора, который рассчитывыается для освещения площади исследуемого предмета. Конденсор направляет на предмет лучи от источника света, в том числе и такие, которые в его отсутствие проходят мимо предмета. В результате такого уплотнения светового потока резко возрастает освещённость предмета. Конденсоры применяются в микроскопах, в спектральных приборах, в проекционных аппаратах различных типов (например, диаскопах, эпидиаскопах, фотографических увеличителях и т. д.). Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы; при апертурах 0,2—0,3— двухлинзовые конденсоры, выше 0,3—трёхлинзовые. Наиболее распространён конденсор из двух одинаковых плосковыпуклых линз, которые обращены друг к другу сферическими поверхностями для уменьшения сферической аберрации. Иногда поверхности линз конденсора имеют более сложную форму — параболоидальную, эллипсоидальную и т. д. Разрешающая способность микроскопа повышается с увеличением апертуры его конденсора, поэтому конденсоры микроскопов — обычно сложные двух или трёхлинзовые системы. В микроскопах и кинопроекционных аппаратах широко применяют также зеркальные и зеркально-линзовые конденсоры, апертура которых может быть очень велика — угол 2u раствора собираемого пучка лучей достигает 240°. Как правило наличие в конденсорах нескольких линз вызвано не только стремлением увеличить его апертуру, но главным образом необходимостью получения изотропного (однородного) освещения предмета при неоднородной структуре источника света.(Например, лучи света волоска лампы накаливания в конденсоре превращаются в одонородный сжатый поток света по всей площади линзы).[3]
Конденсор тёмного поляПравить
Предметный столикПравить
Предметный столик выполняет роль рабочей поверхности, на которой размещают исследуемый объект. Как правило столик может обеспечить перемещение объекта в поле зрения объектива, по координатам Х-У и поворот объекта на заданный угол. Применяются также столики более сложной конструкции, обеспечивабщие перемещение рабочей поверности стола в системе координат Х-У-Z, обеспечивающих получение стереоизображений (Обычно столики выпускаются как взаимозаменяеме устройства с разными характеристиками). В сложных микроскопах дополниельно столики связаны с системами цифрографии и АЦП.
Вспомогательные приспособленияПравить
Предметные и покровные стёклаПравить
Первые наблюдения в микроскоп производились непосредственно над каким-либо объектом (птичье перо, снежинки, кристаллы и т. п.). Для удобства наблюдения в проходящем свете, препарат стали размещать на стеклянной пластинке (предметное стекло). Иногда эту пластинку делали с лункой — для размещения объекта в капле воды. Позже препарат стали закреплять тонким покровным стеклом, что позволило создавать коллекции образцов, например, гистологические коллекции.
Специальные модификацииПравить
Существуют следующие модификации оптических микроскопов:
Виды оптических микроскопов:
- Микроскопы универсального назначения (рабочие микроскопы)
- монокулярные микроскопы, недорогие и простые en:student microscope
- бинокулярный микроскоп, стереомикроскоп и настольный стереоувеличитель
- Специальные микроскопы:
- металл-микроскоп
- поляризационный микроскоп
- флуоресцентный микроскоп и люминесцентный микроскоп (ультрафиолетовый микроскоп)
- ближнепольный оптический микроскоп
- дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп
- en:inverted microscope
- петрографический микроскоп, минералогический микроскоп, имеет помимо поляризатора и анализатора специальную пластинку из гипса или слюды для исследования оптически анизотропных объектов (кристаллы, экструдированные материалы и пр.).
- фазово-контрастный микроскоп en:phase contrast microscope
- Бинокулярный микроскоп сравнения
и другие исследовательские микроскопы (en:research microscopethe).
Флуоресцентный микроскоп (Наноскоп)Править
В основе наноскопии лежит впервые сформулированный новый метод российского ученого Андрея Климова, позволяющий увеличить разрешение оптических микроскопов на два порядка. Однако, патент, который оспаривается, принадлежит разработчикам и создателям этого микроскопа Штефану Хеллу (Stefan Hell) из Института биофизической химии (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry (Karl Friedrich Bonhoeffer Institute)) — 2006 год.
Метод флюоресцентной микроскопии состоит в том, что покрашенные контрастируемыми флуоресцентными красителями образцы просматриваются с разрешениями в границах 1-10 нанометров — откуда и пошло «наноскопия».
ПрименениеПравить
Оптическая микроскопия является одним их ведущих методов исследований в гистологии, микробиологии, минералогии, металлографии и многих других отраслях науки и техники.
В большинстве случаев используются универсальные или биологические рабочие микроскопы, для более специальные модели (бинокулярный микроскоп, поляризационный микроскоп, металлографический микроскоп и др.).
Специальные методы исследования в микроскопии - метод тёмного поля, метод светлого поля, метод фазового контраста, поляризационная микроскопия - позволяют изучить тонкую структуру объектов.
См. такжеПравить
ЛитератураПравить
- «Metallographic and Materialographic Specimen Preparation, Light Microscopy, Image Analysis and Hardness Testing», Kay Geels in collaboration with Struers A/S, ASTM International 2006.
ПримечанияПравить
- ↑ «The Lying stones of Marrakech», by Stephen Jay Gould, 2000
- ↑ http://www.gallery-st.com/texts/mantis.doc
- ↑ http://materiology.info/ref/opti2eskogo_mikroskopa.html
СсылкиПравить
- Микровизор
- [1]
- Микроскопы МИКМЕД
- Микроскопы бинокулярные
- Микроскоп: Учебный фильм на YouTube.
- Видеть невидимое — всё о микроскопах
На английском языкеПравить
- Коллекция старинных микроскопов
- Historical microscopes, an illustrated collection with more than 3000 photos of scientific microscopes by European makers (German)
- Металл-микроскоп (Metallurgical microscope) SubsTech — free and open knowledge source in Materials Engineering
- Molecular Expressions, концепции оптической микроскопии
- Online — руководство по практике оптической микроскопии
- Видео — оптическая микроскопия
- Structure Magazine
- Microscopy Information Easily understandable articles relating to optics, techniques and specimen preparation.
- OpenWetWare
- CurrentProtocols