Микроскоп - Microscope

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Микроскоп
Составной микроскоп (обрезанный) .JPG
Микроскоп
Использует Наблюдение за малой выборкой
Известные эксперименты Открытие клеток
Похожие материалы Оптический микроскоп Электронный микроскоп

Микроскоп (от древнегреческого : μικρός , Mikros , «маленький» и σκοπεῖν , skopeîn , «посмотреть» или «видеть») представляет собой лабораторный прибор используется для изучения объектов, которые слишком малы , чтобы быть замеченными в невооруженным глазом . Микроскопия - это наука об исследовании небольших объектов и структур с помощью микроскопа. Под микроскопом подразумевается невидимость для глаза без помощи микроскопа.

Есть много типов микроскопов, и их можно сгруппировать по-разному. Один из способов - описать метод, который прибор использует для взаимодействия с образцом и создания изображений, либо путем посылки луча света или электронов через образец на его оптическом пути , путем обнаружения излучения фотонов от образца, либо путем сканирования поперек и небольшое расстояние от поверхности образца с помощью зонда. Наиболее распространенным микроскопом (и первым из изобретенных) является оптический микроскоп , в котором используются линзы для преломления видимого света , проходящего через образец с тонкими срезами, для получения наблюдаемого изображения. Другими основными типами микроскопов являются флуоресцентный микроскоп , электронный микроскоп (как просвечивающий электронный микроскоп, так и сканирующий электронный микроскоп ) и различные типы сканирующих зондовых микроскопов .

История

Микроскопы XVIII века из Музея искусств и ремесел , Париж

Хотя объекты, похожие на линзы, датируются 4000 лет назад, и существуют греческие отчеты об оптических свойствах сфер, заполненных водой (V век до н.э.), за которыми следуют многие столетия писаний по оптике, самое раннее известное использование простых микроскопов ( увеличительных стекол ) восходит к широкое использование линз в очках в 13 веке. Самые ранние известные примеры составных микроскопов, в которых линза объектива рядом с образцом сочетается с окуляром для просмотра реального изображения , появились в Европе примерно в 1620 году. Изобретатель неизвестен, хотя за эти годы было сделано много заявлений. Некоторые из них вращаются вокруг центров производства очков в Нидерландах, включая утверждения, что он был изобретен в 1590 году Захариасом Янссеном (заявление, сделанное его сыном) и / или отцом Захарии, Гансом Мартенсом, утверждает, что он был изобретен их соседом и конкурирующим производителем очков. Ганс Липперши (который подал заявку на первый патент на телескоп в 1608 году) и утверждает, что он был изобретен экспатриантом Корнелисом Дреббелем, у которого была обнаружена версия в Лондоне в 1619 году. Галилео Галилей (также иногда упоминаемый как изобретатель сложного микроскопа), похоже, нашел после 1610 г. он мог близко сфокусировать свой телескоп для просмотра мелких объектов и, увидев составной микроскоп, построенный Дреббелем, выставленный в Риме в 1624 г., построил свою собственную улучшенную версию. Джованни Фабер придумал название микроскопа для сложного микроскопа, который Галилей представил в Accademia dei Lincei в 1625 году (Галилей называл его « окчиолино » или « маленький глаз »).

Расцвет современных световых микроскопов

Бинокулярный составной микроскоп Carl Zeiss, 1914 г.

Первое подробное описание микроскопической анатомии органических тканей, основанное на использовании микроскопа, появилось только в 1644 году в « L'occhio della mosca» Джамбаттисты Одиерны , или «Глаз мухи» .

Микроскоп был в значительной степени новинкой до 1660–1670-х годов, когда натуралисты в Италии, Нидерландах и Англии начали использовать его для изучения биологии. Итальянский ученый Марчелло Мальпиги , которого некоторые историки биологии называют отцом гистологии , начал свой анализ биологических структур с легких. Публикация в 1665 году « Микрографии» Роберта Гука оказала огромное влияние, во многом благодаря своим впечатляющим иллюстрациям. Значительный вклад внесла Антони ван Левенгук, которая добилась увеличения до 300 раз с помощью простого микроскопа с одной линзой. Он зажал очень маленькую стеклянную шариковую линзу между отверстиями в двух металлических пластинах, склепанных вместе, и с иглой, регулируемой винтами, прикрепленной для крепления образца. Затем Ван Левенгук заново открыл красные кровяные тельца (после Яна Сваммердама ) и сперматозоиды и помог популяризировать использование микроскопов для наблюдения за биологической ультраструктурой. 9 октября 1676 года ван Левенгук сообщил об открытии микроорганизмов.

Характеристики светового микроскопа зависят от качества и правильного использования системы конденсаторных линз для фокусировки света на образце и линзы объектива для захвата света от образца и формирования изображения. Ранние инструменты были ограничены до тех пор, пока этот принцип не был полностью оценен и разработан с конца 19-го до самого начала 20-го века, и до тех пор, пока электрические лампы не стали доступны в качестве источников света. В 1893 году Август Келер разработал ключевой принцип освещения образца, освещение Келера , которое является центральным для достижения теоретических пределов разрешающей способности светового микроскопа. Этот метод освещения образца обеспечивает равномерное освещение и преодолевает ограниченный контраст и разрешение, накладываемые ранними методами освещения образца. Дальнейшее развитие освещения образцов произошло после открытия Фрицем Зернике в 1953 году фазового контраста и открытия дифференциального интерференционного контрастного освещения Жоржем Номарски в 1955 году; оба из них позволяют получать изображения неокрашенных прозрачных образцов.

Электронные микроскопы

Электронный микроскоп, сконструированный Эрнстом Руска в 1933 году.

В начале 20 века была разработана важная альтернатива световому микроскопу - прибор, в котором для создания изображения используется пучок электронов, а не свет . Немецкий физик Эрнст Руска в сотрудничестве с инженером-электриком Максом Кноллем в 1931 году разработал первый прототип электронного микроскопа - просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ). Просвечивающий электронный микроскоп работает по тем же принципам, что и оптический микроскоп, но использует электроны вместо света и электромагниты вместо стеклянных линз. Использование электронов вместо света позволяет добиться гораздо более высокого разрешения.

Развитие просвечивающего электронного микроскопа быстро последовало в 1935 году разработки сканирующего электронного микроскопа с помощью Макса Knoll . Хотя ПЭМ использовались для исследований до Второй мировой войны и стали популярными впоследствии, ПЭМ не был коммерчески доступен до 1965 года.

Просвечивающие электронные микроскопы стали популярными после Второй мировой войны . Эрнст Руска, работая в Siemens , разработал первый коммерческий просвечивающий электронный микроскоп, а в 1950-х годах стали проводиться крупные научные конференции по электронной микроскопии. В 1965 году профессор сэр Чарльз Оатли и его аспирант Гэри Стюарт разработали первый коммерческий растровый электронный микроскоп и продал его на рынок Cambridge Instrument Company как «Stereoscan».

Одно из последних открытий, сделанных при использовании электронного микроскопа, - это способность идентифицировать вирус. Поскольку этот микроскоп дает видимое и четкое изображение мелких органелл, в электронном микроскопе нет необходимости в реагентах, чтобы увидеть вирус или вредные клетки, что обеспечивает более эффективный способ обнаружения патогенов.

Сканирующие зондовые микроскопы

С 1981 по 1983 год Герд Бинниг и Генрих Рорер работали в IBM в Цюрихе , Швейцария, над изучением феномена квантового туннелирования . Они создали практический инструмент, сканирующий зондовый микроскоп на основе теории квантового туннелирования, который считывает очень небольшие силы, которыми обмениваются зонд и поверхность образца. Зонд приближается к поверхности настолько близко, что электроны могут непрерывно течь между зондом и образцом, создавая ток от поверхности к зонду. Первоначально микроскоп не был хорошо принят из-за сложного характера лежащих в основе теоретических объяснений. В 1984 году Джерри Терсофф и Д. Р. Хаманн, работая в лабораториях AT&T Bell в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, начали публиковать статьи, связывающие теорию с экспериментальными результатами, полученными с помощью этого прибора. За этим последовали в 1985 году работающие коммерческие инструменты, а в 1986 году Герд Бинниг, Куэйт и Гербер изобрели атомно-силовой микроскоп , а затем Нобелевскую премию по физике Биннига и Рорера за СЗМ.

Новые типы сканирующих зондовых микроскопов продолжали развиваться, поскольку появилась возможность обрабатывать сверхтонкие зонды и наконечники.

Флуоресцентные микроскопы

Флуоресцентный микроскоп с турелью фильтрующего куба над линзами объектива, соединенный с камерой.

Самые последние разработки в области светового микроскопа в значительной степени связаны с появлением флуоресцентной микроскопии в биологии . В последних десятилетиях 20 - го века, в частности , в пост- геномной эпохи, многие методы флуоресцентного окрашивания в клеточных были разработаны структуры. Основные группы методов включают целевое химическое окрашивание конкретных клеточных структур, например, химическое соединение DAPI для мечения ДНК , использование антител, конъюгированных с флуоресцентными репортерами, иммунофлуоресценцию и флуоресцентные белки, такие как зеленый флуоресцентный белок . Эти методы используют эти различные флуорофоры для анализа клеточной структуры на молекулярном уровне как в живых, так и в фиксированных образцах.

Расцвет флуоресцентной микроскопии привел к разработке главного современного микроскопа - конфокального микроскопа . Принцип был запатентован в 1957 году Марвином Мински , хотя лазерная технология ограничивала практическое применение этой техники. Только в 1978 году Томас и Кристоф Кремер разработали первый практический конфокальный лазерный сканирующий микроскоп, и эта техника быстро завоевала популярность в 1980-х годах.

Микроскопы сверхвысокого разрешения

Многие текущие (в начале 21 века) исследования в области оптических микроскопов сосредоточены на разработке анализа сверхразрешений флуоресцентно меченных образцов. Структурированное освещение может улучшить разрешение примерно в два-четыре раза, а такие методы, как микроскопия истощения с помощью стимулированного излучения (STED) , приближаются к разрешению электронных микроскопов. Это происходит потому, что дифракционный предел возникает из-за света или возбуждения, из-за чего разрешение должно быть увеличено вдвое, чтобы стать перенасыщенным. Стефан Хелл был удостоен Нобелевской премии по химии 2014 года за разработку метода STED вместе с Эриком Бетцигом и Уильямом Моернером, которые адаптировали флуоресцентную микроскопию для визуализации отдельных молекул.

Рентгеновские микроскопы

Рентгеновские микроскопы - это инструменты, которые используют электромагнитное излучение, обычно в мягком рентгеновском диапазоне, для изображения объектов. Технологические достижения в рентгеновской линзовой оптике в начале 1970-х сделали этот прибор жизнеспособным выбором для визуализации. Они часто используются в томографии (см. Микрокомпьютерная томография ) для получения трехмерных изображений объектов, включая биологические материалы, которые не были химически закреплены. В настоящее время проводятся исследования по усовершенствованию оптики для жесткого рентгеновского излучения, обладающего большей проникающей способностью.

Типы

Типы микроскопов, иллюстрируемые принципами движения луча
Эволюция пространственного разрешения, достигнутая с помощью оптических, просвечивающих (ПЭМ) и электронных микроскопов с коррекцией аберраций (ACTEM).

Микроскопы можно разделить на несколько различных классов. Одна группировка основана на том, что взаимодействует с образцом для создания изображения, например, свет или фотоны (оптические микроскопы), электроны (электронные микроскопы) или зонд (сканирующие зондовые микроскопы). В качестве альтернативы микроскопы можно классифицировать в зависимости от того, анализируют ли они образец через точку сканирования (конфокальные оптические микроскопы, сканирующие электронные микроскопы и сканирующие зондовые микроскопы) или анализируют образец сразу (широкоугольные оптические микроскопы и просвечивающие электронные микроскопы).

В широкоугольных оптических микроскопах и просвечивающих электронных микроскопах используется теория линз ( оптика для световых микроскопов и электромагнитные линзы для электронных микроскопов) для увеличения изображения, создаваемого прохождением волны, прошедшей через образец или отраженной образцом. Используемые волны - электромагнитные оптических микроскопах ) или электронные лучи (в электронных микроскопах ). Разрешение в этих микроскопах ограничено длиной волны излучения, используемого для изображения образца, при этом более короткие длины волн обеспечивают более высокое разрешение.

Сканирующие оптические и электронные микроскопы, такие как конфокальный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп, используют линзы для фокусировки пятна света или электронов на образце, а затем анализируют сигналы, генерируемые лучом, взаимодействующим с образцом. Затем точка сканируется по образцу для анализа прямоугольной области. Увеличение изображения достигается путем отображения данных сканирования физически небольшой области образца на относительно большом экране. Эти микроскопы имеют тот же предел разрешения, что и широкопольные оптические, зондовые и электронные микроскопы.

Сканирующие зондовые микроскопы также анализируют одну точку в образце, а затем сканируют зондом прямоугольную область образца для построения изображения. Поскольку эти микроскопы не используют электромагнитное или электронное излучение для получения изображений, они не имеют такого же ограничения разрешения, как оптические и электронные микроскопы, описанные выше.

Оптический

Самый распространенный тип микроскопа (и первый из изобретенных) - это оптический микроскоп . Это оптический прибор, содержащий одну или несколько линз, создающих увеличенное изображение образца, помещенного в фокальную плоскость. Оптические микроскопы имеют преломляющее стекло (иногда пластиковое или кварцевое ) для фокусировки света на глазу или на другом светоприемнике. Аналогичным образом работают и зеркальные оптические микроскопы. Типичное увеличение светового микроскопа, предполагая свет видимого диапазона, составляет до 1250x с теоретическим пределом разрешения около 0,250  микрометра или 250  нанометров . Это ограничивает практическое увеличение до ~ 1500x. Специализированные методы (например, сканирующая конфокальная микроскопия , Vertico SMI ) могут превышать это увеличение, но разрешение ограничено дифракцией . Использование более коротких длин волн света, таких как ультрафиолет, является одним из способов улучшить пространственное разрешение оптического микроскопа, как и такие устройства, как сканирующий оптический микроскоп ближнего поля .

Sarfus - это новейшая оптическая технология, которая увеличивает чувствительность стандартного оптического микроскопа до такой степени, что можно напрямую визуализировать нанометрические пленки (до 0,3 нанометра) и изолированные нанообъекты (до 2 нм в диаметре). Метод основан на использовании неотражающих подложек для микроскопии кросс-поляризованного отраженного света.

Ультрафиолетовый свет обеспечивает разрешение микроскопических деталей, а также получение изображений образцов, прозрачных для глаза. Ближний инфракрасный свет можно использовать для визуализации схем, встроенных в связанные кремниевые устройства, поскольку кремний прозрачен в этой области длин волн.

В флуоресцентной микроскопии можно использовать свет со многими длинами волн, от ультрафиолетового до видимого, чтобы вызвать флуоресценцию образцов , что позволяет просматривать их глазами или с помощью особо чувствительных камер.

Неокрашенные клетки просматриваются в типичном светлом поле (слева) по сравнению с фазово-контрастной микроскопией (справа).

Фазово-контрастная микроскопия - это метод освещения в оптической микроскопии , при котором небольшие фазовые сдвиги света, проходящего через прозрачный образец, преобразуются в изменения амплитуды или контраста изображения. Использование фазового контраста не требует окрашивания для просмотра слайда. Этот метод микроскопа позволил изучить клеточный цикл в живых клетках.

Традиционный оптический микроскоп совсем недавно превратился в цифровой микроскоп . В дополнение к прямому просмотру объекта через окуляры или вместо него для получения изображения, которое затем отображается на мониторе компьютера, используется датчик, аналогичный тем, что используется в цифровой камере . В этих датчиках может использоваться технология CMOS или устройства с зарядовой связью (CCD), в зависимости от приложения.

Цифровая микроскопия с очень низким уровнем освещенности во избежание повреждения уязвимых биологических образцов доступна с использованием чувствительных цифровых камер для подсчета фотонов . Было продемонстрировано, что источник света, обеспечивающий пары запутанных фотонов, может минимизировать риск повреждения наиболее светочувствительных образцов. В этом применении фантомной визуализации к фотонно-разреженной микроскопии образец освещается инфракрасными фотонами, каждый из которых пространственно коррелируется с запутанным партнером в видимом диапазоне для эффективного получения изображения камерой для подсчета фотонов.

Современный просвечивающий электронный микроскоп

Электрон

Просвечивающая электронная микрофотография делящейся клетки, подвергающейся цитокинезу

Двумя основными типами электронных микроскопов являются просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) и сканирующие электронные микроскопы (СЭМ). У них обоих есть серия электромагнитных и электростатических линз для фокусировки высокоэнергетического пучка электронов на образце. В ПЭМ электроны проходят через образец, аналогично базовой оптической микроскопии . Это требует тщательной подготовки образца, так как большинство материалов сильно рассеивают электроны. Образцы также должны быть очень тонкими (менее 100 нм), чтобы электроны могли проходить через них. Поперечные срезы клеток, окрашенных осмием и тяжелыми металлами, выявляют прозрачные мембраны органелл и белки, такие как рибосомы. При уровне разрешения 0,1 нм можно получить подробные изображения вирусов (20–300 нм) и цепи ДНК (шириной 2 нм). В отличие от этого, SEM имеет растровые катушки для сканирования поверхности объемных объектов тонким электронным лучом. Следовательно, образец не обязательно должен быть разрезан, но для непроводящих образцов может потребоваться покрытие нанометровым слоем металла или углерода. СЭМ позволяет быстро получать изображения поверхности образцов, возможно, в тонком водяном паре для предотвращения высыхания.

Сканирующий зонд

Различные типы сканирующих зондовых микроскопов возникают в результате множества различных типов взаимодействий, которые происходят, когда маленький зонд просматривается и взаимодействует с образцом. Эти взаимодействия или режимы могут быть записаны или нанесены на карту в зависимости от местоположения на поверхности, чтобы сформировать характеристическую карту. Три наиболее распространенных типа сканирующих зондовых микроскопов - это атомно-силовые микроскопы (AFM), сканирующие оптические микроскопы ближнего поля (MSOM или SNOM, сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия) и сканирующие туннельные микроскопы (STM). Атомно-силовой микроскоп имеет тонкий зонд, обычно из кремния или нитрида кремния, прикрепленный к кантилеверу; зонд сканируется по поверхности образца, и силы, вызывающие взаимодействие между зондом и поверхностью образца, измеряются и наносятся на карту. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля похож на АСМ, но его зонд состоит из источника света в оптическом волокне, покрытом наконечником, который обычно имеет отверстие для прохождения света. Микроскоп может улавливать проходящий или отраженный свет для измерения очень локализованных оптических свойств поверхности, обычно биологического образца. Сканирующие туннельные микроскопы имеют металлический наконечник с одним апикальным атомом; наконечник прикреплен к трубке, по которой течет ток. Зонд сканируется по поверхности проводящего образца до тех пор, пока не протечет туннельный ток; ток поддерживается постоянным за счет компьютерного движения наконечника, а изображение формируется записанными движениями наконечника.

Поверхность листа просматривается с помощью растрового электронного микроскопа.

Другие типы

Сканирующие акустические микроскопы используют звуковые волны для измерения изменений акустического импеданса. Подобно сонару в принципе, они используются для таких работ, как обнаружение дефектов в подповерхностных слоях материалов, в том числе обнаруженных в интегральных схемах. 4 февраля 2013 года австралийские инженеры построили «квантовый микроскоп», обеспечивающий беспрецедентную точность.

Смотрите также

Рекомендации

Первый атомно-силовой микроскоп

Внешние ссылки