Ett optiskt eller ljusmikroskop (från andra grekiska μικρός "liten" och σκοπέω "Jag undersöker") är en optisk anordning för att erhålla förstorade bilder av objekt (eller detaljer om deras struktur) osynliga för blotta ögat .
Det är omöjligt att avgöra exakt vem som uppfann mikroskopet. Den holländska glasögonmakaren Hans Jansen och hans son Zachary Jansen tros ha uppfunnit det första mikroskopet 1590 , men detta var ett påstående från mitten av 1600-talet av Zachary Jansen själv . Datumet är naturligtvis inte exakt, eftersom det visade sig att Zachary föddes runt 1590. Möjligheten att kombinera två linser så att en större ökning uppnåddes föreslogs först 1538 av den berömda läkaren från Verona, Girolamo Fracastoro . En annan utmanare till titeln uppfinnare av mikroskopet var Galileo Galilei . Han utvecklade "occhiolino" ("occhiolino"), eller sammansatt mikroskop med konvexa och konkava linser, 1609. Galileo presenterade sitt mikroskop för allmänheten på Accademia dei Lincei , som grundades av Federico Cesi 1603. Francesco Stellatis bild av de tre bin var en del av påven Urban VII:s sigill och anses vara den första publicerade mikroskopiska symbolen (se "Stephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, 2000"). Tio år efter Galileo uppfinner Cornelius Drebbel en ny typ av mikroskop, med två konvexa linser. Christian Huygens , en annan holländare, uppfann ett enkelt okularsystem med två linser i slutet av 1600 -talet som var akromatiskt justerbart och därför ett stort steg framåt i optikens historia (Huygens designade teleskopokularet). Huygens okular tillverkas än i dag, men de saknar synfältets latitud, och placeringen av okularen under mikroskopi är obekvämt för ögat jämfört med dagens bredfältsokular. 1665 designade engelsmannen Robert Hooke sitt eget mikroskop och testade det på en kork. Som ett resultat av denna forskning dök namnet "celler" upp. Anthony van Leeuwenhoek ( 1632 - 1723 ) anses vara den förste som lyckades fånga biologernas uppmärksamhet till mikroskopet, trots att enkla förstoringslinser redan hade tillverkats sedan 1500 -talet , och de förstorande egenskaperna hos vattenfyllda glaskärl var nämns av de gamla romarna ( Seneca ). Handgjorda, Van Leeuwenhoeks mikroskop var relativt små bitar med en enda, mycket stark lins. De var obekväma att använda, men de gjorde det möjligt att undersöka bilder i detalj bara för att de inte antog bristerna hos ett sammansatt mikroskop (flera linser i ett sådant mikroskop fördubblade bilddefekterna). Det tog cirka 150 år av utveckling inom optik för att det sammansatta mikroskopet skulle kunna ge samma bildkvalitet som enkla Leeuwenhoek-mikroskop. Så medan Anthony van Leeuwenhoek var en stor mästare i mikroskopet, var han inte dess uppfinnare, tvärtemot vad många tror.
Teamet av den tyske vetenskapsmannen Stefan Hell (Stefan Hell) från Institutet för biofysikalisk kemi i forskarsamhället Max Planck ( Göttingen ) i samarbete med den argentinske vetenskapsmannen Mariano Bossi (Mariano Bossi) utvecklade 2006 ett optiskt mikroskop kallat Nanoscope , som gör det möjligt att övervinna Abbe- barriären och observera objekt med en storlek på cirka 10 nm (och ännu mindre 2010), samtidigt som de förblir i det synliga ljusområdet, samtidigt som man erhåller högkvalitativa tredimensionella bilder av objekt som tidigare var otillgängliga för konventionella ljus- och konfokalmikroskopi [1] [2] .
Arbete pågår för att erhålla kristaller av bornitrid med ett hexagonalt gitter (hBN) från 99% rena borisotoper. På grund av polaritonerna som bildas på kristallens yta gör ett sådant linsmaterial det möjligt att upprepade gånger minska diffraktionsgränsen och uppnå upplösningar i storleksordningen tiotals och jämna enheter av nanometer [3] .
Ryska forskare från Tomsk State Polytechnic University har förbättrat nanoskopet genom att inte använda mikrolinser, som i den klassiska konfigurationen, utan speciella diffraktionsgitter med guldplåtar. När en bild erhålls från en sådan anordning utlöses effekten av anomal amplitudapodisering, Fabry-Perot-resonansen och Fano-resonansen samtidigt. Tillsammans bidrar de till att öka upplösningen, jämfört med ett konventionellt diffraktionsgitter, upp till 0,3 λ. [fyra]
Det mänskliga ögat är ett biologiskt 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 särskiljas från varandra. För ett normalt öga, när man rör sig bort från föremålet genom den så kallade. bästa siktavstånd (D = 250 mm), genomsnittlig normal upplösning är 0,176 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. Mikroskop av olika slag är utformade för att observera och studera sådana föremål. Med hjälp av mikroskop bestämdes formen, storleken, strukturen och många andra egenskaper hos mikroobjekt. Ett optiskt mikroskop i synligt ljus gjorde det möjligt att urskilja strukturer med ett avstånd mellan elementen upp till 0,20 μm . Så var det före skapandet av det optiska mikroskopet nanoskop [5] .
Utvecklingen av videoteknik har haft en betydande inverkan på optiska mikroskop. Förutom att förenkla dokumentationen av observationer gör elektroniken det möjligt att automatisera rutinoperationer. Och när du vägrar direkt observation med ögat, finns det inget behov av ett klassiskt okular. I det enklaste fallet, vid uppgradering av ett mikroskop, i stället för ett okular, installeras en speciell optisk design för att projicera en bild på en matrisfotodetektor. Bilden av fotodetektorn sänds till datorn och/eller till displayen. Det finns också kombinerade professionella mikroskop utrustade med en tredje optisk port för installation av fotografisk utrustning. I vissa moderna enheter kan möjligheten till direkt observation med ögat vara helt frånvarande, vilket möjliggör skapandet av enkla och lättanvända enheter med en kompakt design. Användningen av fotodetektorer med flera element gör det möjligt att utföra observationer inte bara i det synliga utan också i de områden av spektrumet som gränsar till det.
Det optiska systemet i ett mikroskop består av huvudelementen - ett objektiv och ett okular. De är fixerade i ett rörligt rör placerat på en metallbas, på vilken det finns ett objektbord. Förstoringen av ett optiskt mikroskop utan extra linser mellan objektivet och okularet är lika med produkten av deras förstoringar [6] .
Ett modernt mikroskop har nästan alltid ett belysningssystem (särskilt en kondensor med irisbländare), makro- och mikroskruvar för att justera skärpan och ett kontrollsystem för kondensorposition.
Beroende på syftet kan ytterligare enheter och system användas i specialiserade mikroskop.
Ett mikroskopobjektiv är ett komplext optiskt system som bildar en förstorad bild av ett objekt och är den huvudsakliga och viktigaste delen av ett mikroskop. Linsen skapar en bild som ses genom okularet. Eftersom okular kan ge betydande förstoring, kommer den optiska distorsionen som introduceras av linsen också att förstoras av okularet. Detta ställer mycket större krav på linsens kvalitet än på okularet.
Målen för biologiska mikroskop och andra mikroskop (förutom stereoskopiska) är i stort sett enhetliga och utbytbara. Utbytbarheten påverkas i första hand av linsens mekaniska (anslutande) parametrar.
Mekaniska parametrar för linsenDen sammanbindande tråden för objektiven standardiserades 1858 av Royal Microscopical Society ( RMS , ISO 8038, GOST 3469). Idag används denna tråd i nästan alla mikroskop utom stereomikroskop eller speciella. Gängdiameter 4/5" (~20 mm), stigning 1/36".
Utöver tråden påverkas linsernas utbytbarhet av det parfokala avståndet - avståndet mellan preparatet och linssätet i mikroskopet. De flesta moderna mikroskop är designade för objektiv med ett parfokalavstånd på 45 mm. Tidigare användes 33 mm-objektiv i stor utsträckning. Mikroskopet tillåter dig inte alltid att installera linser med ett onormalt parfokalavstånd, eftersom det inte finns tillräckligt med rörelse på scenen med förberedelserna för att kompensera för skillnaden. På grund av den växande komplexiteten hos den optiska designen visas stora objektiv med stora parfokala avstånd (till exempel 60 mm och 95 mm) [7] . Det fria avståndet från linsen till föremålet som studeras kallas linsens arbetsavstånd . Vanligtvis är detta avstånd ju mindre desto större förstoring är linsen. Objektivets arbetsavstånd plus längden på objektivet är lika med objektivets parfokala avstånd.
Optiska parametrar för linsenMikroskopobjektivet kännetecknas av en nominell förstoring (som regel från intervallet 2,5; 3,2; 4; 5; 10; 20; 40; 63; 100; 120). Förutom:
Dessutom anges bokstavsbeteckningen för distorsionskorrigering:
Bokstavsbeteckningar för linsapplikationsfunktioner:
Okularet är den del av mikroskopet som är vänd mot ögat, avsett för visning med viss förstoring av den optiska bilden som ges av mikroskopobjektivet . Typiska förstoringar av okular för mikroskop är från 5 till 25 enheter. Precis som linser skiljer sig okularen i kvalitet, det vill säga mängden optisk distorsion som introduceras av okularet. Emellertid dominerar linsförvrängningsbidraget vanligtvis i ett balanserat mikroskop på grund av att linsförvrängningen ökas ytterligare av okularet, medan förvrängningen av själva okularet inte gör det. Därför kännetecknas okular vanligtvis av andra parametrar, i första hand operatörens bekvämlighet. Som regel förstås denna bekvämlighet som synfältets bredd och ögonavlastning.
Borttagning av pupillen - avståndet från okularet till ögat. Ligger som regel i intervallet 5..20 mm. Om operatören bär glasögon är det praktiskt taget omöjligt att använda ett okular med en förskjutning på 5 mm. Det bekvämaste avståndet är 10..20 mm: med fler glasögon utan mindre glasögon. För stor ögonavlastning är också obekvämt.
Okularets synfält är vinkelstorleken på bilden sedd genom okularet. Man tror att ett brett synfält (stor vinkelstorlek på bilden) är bekvämare för arbete än en smal. Okular med breda fält är ofta märkta med bokstaven W och kännetecknas visuellt av ett stort linsområde.
I de första mikroskopen tvingades forskare använda naturliga ljuskällor. För att förbättra belysningen började de använda en spegel och sedan en konkav spegel, med vilken solens strålar eller lampor riktades mot preparatet. I moderna mikroskop styrs belysningen av en kondensor.
KondensorKondensator (från latin kondensera - tjockna, kondensera), en kortfokuserad lins eller linssystem som används i en optisk enhet för att belysa objektet som betraktas eller projiceras. Kondensorn samlar in och riktar strålar från ljuskällan till föremålet, inklusive de som, i dess frånvaro, passerar förbi föremålet; som ett resultat av en sådan "förtjockning" av ljusflödet ökar belysningen av föremålet kraftigt. Kondensatorer används i mikroskop, i spektralinstrument, i olika typer av projektorer (till exempel diaskop, epidiaskop, fotografiska förstoringsglas, etc.). Kondensatorns design är ju mer komplex, desto större öppning . För numeriska bländare upp till 0,1 används enkla linser; vid öppningar på 0,2–0,3, tvålinskondensatorer, över 0,7, trelinskondensatorer. Den vanligaste kondensorn består av två identiska plankonvexa linser som är vända mot varandra med sfäriska ytor för att minska sfärisk aberration . Ibland har kondensorlinsernas ytor en mer komplex form - paraboloid, ellipsoid, etc. Upplösningen hos ett mikroskop ökar med en ökning av öppningen på dess kondensor, så mikroskopkondensatorer är vanligtvis komplexa två- eller trelinssystem. Spegel- och spegel-linskondensatorer används också i stor utsträckning i mikroskop och filmprojektionsanordningar, vars öppning kan vara mycket stor - öppningsvinkeln 2u för den insamlade strålen av strålar når 240°. Ofta orsakas närvaron av flera linser i kondensorerna inte bara av önskan att öka dess bländare, utan också av behovet av enhetlig belysning av objektet med en olikformig struktur av ljuskällan [5] .
MörkfältskondensorMörkfältskondensatorer används i optisk mörkfältsmikroskopi . Ljusstrålarna riktas av kondensorn på ett sådant sätt att de inte kommer direkt in i linsentrén. Bilden bildas av ljus som sprids av optiska inhomogeniteter hos provet. I vissa fall tillåter metoden att man studerar strukturen hos transparenta föremål utan att färga dem. Ett antal konstruktioner av mörkfältskondensatorer med en lins eller spegel-lins optiskt schema har utvecklats.
Många objekt är svåra att särskilja mot bakgrunden av miljön på grund av deras optiska egenskaper. Därför är mikroskop utrustade med en mängd olika verktyg som underlättar valet av ett föremål mot bakgrund av miljön. Oftast är dessa olika metoder för att belysa ett objekt:
Metod för interferens kontrasterande av ett objekt. Eftersom ljus är en elektromagnetisk våg, har det begreppet en fas. Fasförvrängningar av ljus på observationsobjektet visualiseras. För detta används en kombination av en speciell kondensor och objektiv.
Objektbordet fungerar som en yta på vilken ett mikroskopiskt preparat placeras. I olika utformningar av mikroskop kan scenen ge koordinerad rörelse av provet i objektivets synfält, vertikalt och horisontellt, eller rotation av provet i en given vinkel.
Diabilder och täckglasDe första observationerna genom ett mikroskop gjordes direkt över något föremål (en fågelfjäder, snöflingor, kristaller, etc.). För att underlätta observation i genomsläppt ljus började preparatet placeras på en glasskiva (glasskiva). Senare fixades preparatet med ett tunt täckglas, vilket gjorde det möjligt att skapa samlingar av exemplar, till exempel histologiska samlingar. För forskning med hängande droppmetoden används diabilder med hål - Ranvier-kammare .
Räkna kammareFör kvantitativ redovisning av celler suspenderade i en vätska används räknekammare - glasskivor av en speciell design. Inom medicin används en Goryaev-kamera för att ta reda på blodkroppar .
LinsskyddUnder fokussökningen är en situation möjlig när linsoptiken vilar mot ett bord eller ett prov. I mikroskop finns det mekanismer för att förhindra kontakt eller minska svårighetsgraden av konsekvenserna. Den första inkluderar justerbara begränsare för bordets vertikala rörelse. Den andra inkluderar fjäderbelastade linser, i vilka linsenheten är omgiven av en kroppsvåg och är rörlig. När linsen kommer i kontakt med läkemedlet förhindrar kroppens tidvatten påverkan på linsen, och rörligheten minskar slagkraften.
MätfixturerNärvaron av ett exemplifierande mönster (kläckning eller andra tecken med en känd projicerad storlek) i mikroskopets optiska väg gör det möjligt att bättre uppskatta storleken på de observerade objekten.
Bilden som bildas av linsen kan matas direkt in i okularet eller delas upp i flera identiska bilder. Mikroskop utan division kallas monokulära, de ser genom ena ögat. Bekvämligheten att observera med två ögon förutbestämde den utbredda användningen av binokulära mikroskop med två identiska okular. Dessutom kan mikroskopet utrustas med fotografisk utrustning, som kan monteras antingen istället för standardokular eller i en separat optisk port. Sådana mikroskop kallas trinokulära.
Vissa mikroskop låter dig belysa föremålet genom mikroskopets lins. I det här fallet används en speciell lins, som också utför funktionerna hos en ljuskondensor. En genomskinlig spegel och en ljuskällasport är installerad i mikroskopets optiska bana. Oftast används en sådan belysningsmekanism i fluorescensmikroskopi i ultravioletta strålar.
Stereomikroskop är designade för fint arbete under mikroskop, till exempel vid urtillverkning, mikroelektronik, mikromodellering, neurokirurgi, etc. För sådant arbete är det nödvändigt att korrekt bedöma positionen för de observerade objekten under mikroskopet i tre koordinater, vilket kräver stereo syn, stort skärpedjup (djupsyn) och stort utrymme under linsen för arbete. Stereomikroskop har en låg förstoring (några enheter eller tiotals), ett stort arbetsavstånd för linsen (avståndet från optiken till observationspunkten, vanligtvis några centimeter), de har inga justerbara bord och inbyggda belysningssystem. För enkelhetens skull "vänder" stereomikroskopet inte bilden. Linsen i ett stereomikroskop är oftast inte utbytbar.
Det specifika med metallografisk forskning ligger i behovet av att observera strukturen på ytan av ogenomskinliga kroppar. Därför är mikroskopet byggt enligt det reflekterade ljusschemat, där det finns en speciell belysning installerad på sidan av objektivet. Ett system av prismor och speglar riktar ljus mot ett föremål, sedan reflekteras ljuset från ett ogenomskinligt föremål och skickas tillbaka till linsen [5] .
Moderna raka metallurgiska mikroskop kännetecknas av ett stort avstånd mellan scenytan och objektiven och en stor vertikal scenrörelse, vilket möjliggör arbete med stora prover. Det maximala avståndet kan nå tiotals centimeter [9] . Men vanligtvis används inverterade mikroskop inom materialvetenskap , eftersom de inte har begränsningar för provets storlek (endast på vikten) och inte kräver parallellitet mellan referens- och arbetsytorna på provet (i det här fallet sammanfaller de).
När ljus reflekteras från föremål kan dess polarisering ändras. För att visuellt identifiera sådana föremål belyses de med polariserat ljus som erhålls efter ett speciellt polariserande filter . Reflekterat passerar ljuset genom den optiska vägen hos ett polariserande mikroskop, i vilket ett andra polariserande filter är installerat. Således kommer endast det ljuset att passera genom detta filterpar, vilket kommer att ändra sin polarisering i enlighet med detta när det reflekteras från den observerade förberedelsen. De återstående delarna av läkemedlet kommer att mörkas.
Vissa ämnen har självlysande egenskaper , det vill säga de kan avge ljus med en våglängd när de bestrålas med en annan. Luminescerande eller fluorescerande mikroskop är mikroskop utrustade med en våglängdskontrollerad illuminator för att observera glöden från sådana preparat. Eftersom glöden kommer från belysningssidan, är belysningen från sidan av observatören den mest effektiva, det vill säga direkt genom mikroskoplinsen, som framgångsrikt implementeras i sådana mikroskop. Dessutom är mikroskop utformade för att fungera i det ultravioletta området utrustade med speciella linser som överför ultraviolett ljus och inte har sin egen parasitiska luminescens i ultraviolett ljus. Sådana linser är märkta med FLUOR eller liknande. Fluorescensmikroskop är ofta konfokala , dessutom har sub-diffraktionsupplösningsteknologier implementerats för dem. Sådana mikroskop används i stor utsträckning för biologisk forskning.
Mätmikroskop används för att noggrant mäta de vinkel- och linjära dimensionerna av de observerade objekten. För att uppskatta dimensionerna i mikroskopets optiska väg finns ett exemplifierande mönster (kläckning eller andra tecken) med en känd projicerad storlek. Används i laboratorieverksamhet, inom teknik och maskinteknik.
Ordböcker och uppslagsverk |
|
---|---|
I bibliografiska kataloger |