Подборка материала по теме

«Микроскоп. Для чего он нужен?»

Шаронова С.М.

учитель физики, математики

Для чего нужен микроскоп?

Основные области применения оптических микроскопов - биология и исследование материалов. Различия в устройстве микроскопов определяются именно областью их применения. Для того, чтобы купить микроскоп, подходящий именно для ваших целей, необходимо понимать, чем они различаются, и на какие моменты стоит обратить внимание при выборе.

Биологические микроскопы предназначены для исследования очень небольших объектов - клеток растений, простейших и микроорганизмов и применяются в основном в биологических и медицинских исследованиях. Для таких микроскопов характерен большой диапазон увеличений и наличие револьверной головки, которая позволяет резко менять увеличение. Хотя, конечно, подбор оборудования для научных и медицинских исследований определяется спецификой задачи, и точных рецептов здесь быть не может.

• 
  Профессиональный микроскоп, предназначенный для биохимических, патологоанатомических, цитологических, гематологических, урологических, дерматологических, биологических и общеклинических исследований в лабораториях любого медицинского учреждения. Увеличение от 40х до 1600х. Четырехгнездная револьверная головка. Плавная регулировка освещения. Монокулярная насадка.

Микроскопы, применяющиеся на производстве (при пайке микросхем, сборке и обработке мелких деталей, в ювелирном деле), должны обладать достаточно большим полем зрения и плавной регулировкой увеличения. При больших увеличениях уменьшается глубина резкости, что не позволяет четко видеть обрабатываемый предмет, поэтому на производстве пользуются микроскопами с небольшим увеличением и относительно большим полем зрения.

Для детских или школьных биологических исследований подходят с относительно небольшим увеличением, легкие и удобные в работе. Диапазон увеличений таких микроскопов обычно от 40х до 1000х, можно исследовать прозрачные или тонкие объекты в проходящем свете, в светлом поле.

• 
  Самый популярный на сегодняшний день микроскоп для начинающих исследователей. Предназначен для школьников, но может применяться и в биологии, ветеренарии, медицине и пр. Позволяет наблюдать прозрачные объекты (биологические и зоологические) в проходящем свете и в светлом поле. Увеличение объектива - от 64х до 640х. Рекомендуем сразу купить наборы готовых препаратов, чтобы начать захватывающие исследования сразу же после открытия коробки.

• 
  Микроскоп улучшенной комплектации для начинающих исследователей. Увеличение микроскопа: 64-640x. В комплекте поставки: зеркало, пинцет, коробочка для разведения артемии, микротом, флакон с дрожжами, флакон со смолой для изготовления препаратов, флакон с морской солью, флакон с артемией, чистые предметные стекла, 5 образцов, руководство «Интересный микроскоп. Изучаем Микромир».

Как смотреть в микроскоп

Очень часто приходится смотреть в микроскоп в течение продолжительного времени или - нескольким людям одновременно. Это вызывает необходимость подключения фотоаппарата или специальной камеры к микроскопу. Изображение, получаемое через микроскоп, может быть сфотографировано, записано на пленку или спроецировано на экран компьютера. Сейчас наибольшей популярностью пользуются .

Классификация микроскопов

По расположению оптической системы относительно исследуемого объекта можно разделить микроскопы на прямые и инвертированные. В прямых микроскопах объект наблюдения расположен под оптической системой. Инвертированные микроскопы позволяют рассматривать объект, расположенный над окуляром и объективом - т.е. над оптической частью прибора. Большинство оптических микроскопов являются прямыми.

По типу изображения микроскопы делятся на и . Монокулярный микроскоп позволяет наблюдать двумерное изображение объекта. Стереоскопический микроскоп представляет собой соединение двух монокуляров и в него можно увидеть объемные изображения. Стереоскопический микроскоп рассчитан на небольшое увеличение. Обычно применяется для сборки миниатюрных электронных компонентов, технического контроля, хирургических операций. Для домашних исследований или учебных целей вполне достаточно купить монокулярный.

По способам освещения выделяют микроскопы отраженного и проходящего света. В микроскопах отраженного (падающего) света пучок света отражается от объекта, и именно этот отраженный свет формирует изображение. В микроскопах проходящего света пучок света проходит через объект. Самые простые микроскопы позволяют наблюдать объекты только в проходящем свете, к таким относятся, в частности, все .

Методы контраста

Светлое поле

На светлом поле выделяется более темный объект. Этот метод применяется для исследования прозрачных препаратов в проходящем свете, в отраженном свете - для наблюдения непрозрачных объектов. В обоих случаях изображение создается за счет того, что разные участки препарата неодинаково отклоняют падающий на них свет, а отраженные лучи имеют различную интенсивность.

Темное поле

На темном поле выделяется светлый объект. Темнопольная микроскопия основана на способности микроорганизмов сильно рассеивать свет. Для темнопольной микроскопии пользуются обычными объективами и специальными темнопольными конденсорами. У конденсоров темного поля затемнена центральная часть, поэтому объект освещается только косыми боковыми лучами.

На фото: макротрикс, съемка в темном поле, увеличение 200х.

Поляризация

Поляризованный свет нередко позволяет выявлять структуру объектов, лежащую за пределами обычного оптического разрешения. При наблюдении анизотропных объектов (это минералы, угли, некоторые животные и растительные ткани и клетки, искусственные и естественные волокна) используются их поляризационные свойства. В микроскоп помещается поляризатор (перед осветительной системой) и анализатор (после объектива). Поляризатор пропускает к предмету только поляризационный свет с определенными свойствами. В случае, когда сам предмет создает поляризацию, он может изменять плоскость поляризации падающего света, так что видимый образ может порождаться анализатором. При скрещенных поляризаторе и анализаторе в темном поле зрения микроскопа видны темные, светлые или окрашенные анизотропные элементы объекта. Вид этих элементов зависит от положения объекта относительно плоскости поляризации и от величины двойного лучепреломления.

На фото: разложение аспирина в поляризованном свете, увеличение 200х.

Фазовый контраст

На светло-сером фоне наблюдается темно-серый рельефный объект с ярко выраженным контуром. Применяется для исследования неокрашенных прозрачных объектов, в частности, живых клеток. Фазово-контрастное устройство может быть установлено на любом световом микроскопе и состоит из набора объективов со специальными фазовым пластинками, конденсора с поворачивающимся диском. В нем установлены кольцевые диафрагмы, соответствующие фазовым пластинкам в каждом из объективов и вспомогательного микроскопа для настройки фазового контраста.

На фото: хетонат, увеличение 60х.

Флюорисценция

На темном фоне выделяются светящиеся объекты или части объекта. Метод основан на способности некоторых объектов излучать свет при ультрафиолетовом освещении. Во флюоресцентной микроскопии падающее освещение исключается, и можно наблюдать лишь вторично излучаемый свет разной длины волны, использующий фосфоресценцию или флюоресценцию. Микроскопы такого типа применяются в биологии, а также в медицине - для диагностики (особенно рака).

Хоффмановский контраст

Метод косого освещения, повышающий контраст объекта за счет образования градиента оптических фаз. Хоффмановский контраст пoзвoляeт нaблюдaть тpexмepнoe изoбpaжeниe живыx oбpaзцoв в плacтикoвыx чaшкax c выcoкoй чeткocтью, чтo дaeт pacшиpeнныe вoзмoжнocти для peшeния нaучныx и cпeциaльныx мeдицинcкиx зaдaч. За счет использования бoльшиих paбoчих paccтoяний и выcoких чиcлoвых aпepтуp метод позволяет тoчнo oтcлeживaть движeние в пoлe зpeния, нaпpимep, пpи проведении микроманипуляций.

На фото: гидра, увеличение 100х.

Дифференциально-интерференционный контраст

Интерференционный микроскоп - это дальнейшее развитие фазово-контрастного микроскопа. В интерференционном контрастном микроскопе пучок света разделен таким образом, что которой контрольный пучок отклоняется на небольшое расстояние, обычно меньшее, чем диаметр дифракционного кружка. При таком методе получаются окрашенные изображения, дающие очень ценную информацию при исследовании живого материала.

Термины

Аберрации - В простейшей световой микроскопии насчитывается около восьми основных типов аберраций. Две важнейших из них - это сферическая и хроматическая аберрации. Первая является результатом того, что линза шлифуется движениями, направленными случайным образом. Для луча, проходящего под некоторым малым углом к оптической оси линзы, фокусное расстояние будет не то же самое, что для луча, который идет ближе к оси. Для углов i, таких, что sin i сильно отличается от i, мы не получим общего фокуса световых лучей, и точка на предмете будет видна через микроскоп как смазанное пятно. Для того, чтобы нейтрализовать аберрации, используются комбинации вогнутых и выпуклых линз.

Апертура - в оптике - диаметр отверстия, определяющего ширину светового пучка в оптической системе. Апертура определяется размерами линз или диафрагмами. От апертуры зависит разрешающая сила микроскопа.

Конденосор - система линз, предназначенная для фокусировки света на образце. Конденсор располагается между предметным столиком и источником света. Для исследования с помощью различных методов освещения и контраста используют разные конденсоры.

Объектив - система линз, находящаяся на противоположном от наблюдателя конце тубуса. Объективы различаются по коррекции оптических искажений, среди них выделяют ахроматичские и апохроматические. Ахроматические объективы в настоящее время являются наиболее распространенными. В них хроматические аберрации подавляются благодаря применению стеклянных элементов с разной дисперсией, обеспечивающих схождение крайних лучей видимого спектра - синих и красных - в одном фокусе. Небольшая окрашенность изображения остается и проявляется иногда в виде слабых зеленых полос вокруг объекта. Сферическая аберрация может быть скорректирована только для одного цвета. Во флюоритовых объективах используются добавки к стеклу, улучшающие цветовую коррекцию до такой степени, что окрашенность изображения почти полностью устраняется. Апохроматические объективы - это объективы с самой сложной цветовой коррекцией. В них не только почти полностью устранены хроматические аберрации, но и коррекция сферических аберраций выполнена не для одного, а для двух цветов. Увеличение апохроматов для синего цвета несколько больше, чем для красного, и поэтому для них нужны специальные "компенсирующие" окуляры.

Окуляр - система линз, в которую смотрит наблюдатель.

Рабочее расстояние - это свободное расстояние между объектом (плоскостью покровного стекла) и нижним краем оправы (линзы, если она выступает) фронтального компонента объектива.

Разрешающая способность - это возможность различения деталей образца. Увеличение бессмысленно, если оно "увеличивает" две разные точки в одно большое пятно. Необходимо разрешить две точки в два различных образа. Это можно сделать с помощью дифракции. Самый известный пример дифракции - это факт, относящийся к тому, что тени предметов с острыми краями расплывчаты. Это следствие волновой природы света. Когда свет проходит через две узкие щели, некоторая часть луча идет прямо, некоторая часть отклоняется на некий угол от основного луча, а некоторая часть луча отклоняется на больший угол: это лучи дифракции первого, второго и третьего порядков. Когда свет проходит чрез дифракционную решетку, большая часть его подвергается дифракции. Она испускается от решетки под углами дифракций первого, второго и третьего порядков, где величины углов дифракции частично зависят от расстояний между линиями решетки. Для того, чтобы увидеть щели на решетке, необходимо собрать не только основной прошедший свет, но и, по-крайней мере, дифракционные лучи первого порядка. То, что мы видим, на самом деле лучше всего представляется как синтез прошедших и рассеянных лучей. Таким образом, образ предмета производится интерференцией лучей света, излучаемых основным источником и вторичными образами источников света, являющихся результатами дифракции. Очевидно, что можно собрать большее количество рассеянных лучей с помощью более широкого отверстия на диафрагме объектива, но при этом больше будет и сферическая аберрация. Вместо этого можно изменить среду между предметом и линзой. В среде более плотной, чем воздух, как в случае с масляно-иммерсионным микроскопом, при данном размере диафрагмы можно получить большее количество дифракционных лучей и тем самым увеличить разрешение микроскопа.

Тубус - трубка, в которую вмонтированы линзовые системы, позволяет перемещать их относительно образца для фокусировки. На нижнем конце тубуса расположен объектив, на верхнем конце - окуляр. Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра. Для типичного исследовательского микроскопа увеличение окуляра равно 10, а увеличение объективов - 10, 45 и 100. Следовательно, увеличение такого микроскопа составляет от 100 до 1000. Увеличение некоторых микроскопов достигает 2000. Повышать увеличение еще больше не имеет смысла, так как разрешающая способность при этом не улучшается; наоборот, качество изображения будет хуже. По увеличению выделяют объективы малых (до 10х); средних (до 50х) и больших (более 50х) увеличений, а также объективы со сверхбольшим увеличением (свыше 100 х).

Хроматические аберрации вызываются различиями в длинах волн разных цветов. Красный и синий свет, излучаемый одной и той же точкой предмета, сфокусируются в разных точках. Резкий красный образ накладывается на синее пятно или наоборот.

Оптический микроскоп

Оптический микроско́п ( от μικρός - маленький и σκοπέω - смотрю) - прибор для получения увеличенных малых , которые невозможно рассмотреть невооружённым .

Современный оптический Nikon Stereo microscope

"Большой микроскоп" фирмы Карл Цейс () с оптикой от Аббе , 1879 г.

Оптический иногда называется «световым микроскопом», в нём используют видимый и систему , чтобы увеличить изображения маленьких .

Оптические микроскопы являются самыми старыми, нередко и самыми простыми из микроскопов.

Цифровых микроскопы имеют видеокамеру с зарядовой связью, которая даёт возможность исследовать образец и получить непосредственно на экране компьютера без применения дорогой оптики, типа окуляров.

Общие сведения

Человеческий представляет собой естественную , характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого (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 , в простейшем случае - . Однако размеры , большинства растительных и животных , мелких , деталей микроструктуры 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 , которые можно фиксировать, окрашивать, фотографировать для дальнейшего изучения ().

До середины ХХ века работали только с видимым светом, в диапазоне 400-700 , а также с ближним ультрафиолетом (). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2-0,7 , или 200-700 ), 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 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 изображения (см. в журнале ). 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 с разрешением изображений в 1-10 !

История

Первый микроскоп был создан в 1595 году Захариусом Йансеном.

Старинные рисунки, выполненные с помощью одного из первых микроскопов: пчёлы. Автор - , 1630 г.

Устройство оптического микроскопа

Схема микроскопа (середина ХХ века): A) Окуляр, B) Объектив, C) Исследуемый объект, D) Конденсор, E) Предметный столик, F) Осветительное зеркало

Простейший микроскоп содержал лишь одну линзу (в качестве которой когда-то использовались даже воды). Микроскоп имел одну линзу, закреплённую в бронзовой пластинке, и винтовой механизм для фиксации исследуемого предмета. by British microscopist have images from such basic instruments.

Компоненты и узлы

Основные узлы оптического просветного микроскопа (1990-е гг.) 1 окуляр, 2 турель для объективов, 3 объектив, 4 макровинт, 5 микровинт, 6 предметный столик, 7 и/или , 8 и , чаще всего в одном блоке

Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов - и . Они закреплены в подвижном , расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. Основные компоненты оптико-механической системы представлены на фотографии справа.

В современном микроскопе практически всегда есть (в частности, с ), 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.

Объективы

Трёхкомпонентный объектив микроскопа (в разрезе): с численной 0,65 и увеличением 40 раз

Иммерсия

• Может быть сухой и масляной.

• а) сухая: равен n=1;

• б) масляная: используется при работе с мелкими объектами n=1,33.

Окуляры. Система освещения препарата

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.

Конденсор

Конденсор (от 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 . При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы; при апертурах 0,2-0,3- двухлинзовые конденсоры, выше 0,3-трёхлинзовые.

Предметный столик

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 .

Специальные модификации.

Современный оптический микроскоп

Виды оптических микроскопов:

• (рабочие микроскопы)

• монокулярные микроскопы, недорогие и простые и (ультрафиолетовый микроскоп)

• , минералогический микроскоп, имеет помимо и анализатора специальную пластинку из или слюды для исследования оптически объектов (, экструдированные материалы и пр.).

• ;

• Бинокулярный

(наноскоп)

Флуоресцентный микроскоп

В основе наноскопии лежит впервые сформулированный новый метод российского ученого Андрея Климова, позволяющий увеличить разрешение оптических микроскопов на два порядка.

Метод флюоресцентной микроскопии состоит в том, что покрашенные флуоресцентными красителями образцы просматриваются с разрешениями в границах 1-10 - откуда и пошло «наноскопия».