Микроскопическая жизнь
Материал из Клуб Слідопитів
Перечислите четыре основных типа микроскопов. Назовите основные характеристики каждого типа. Вы должны быть способны отличить разные типы микроскопов на картинках или посетив лабораторию университета или предприятия, на которых есть такие микроскопы.
Основные типы микроскопов:
- оптические микроскопы
- электронные микроскопы
- сканирующий зондовый микроскоп
- рентгеновские микроскопы
ВАЖНО! Не следует путать виды микроскопов и методы наблюдения(светлое поле; фазовый контраст; интерференционный контраст; тёмное поле; флуоресценция(окраска акридиновым оранжевым); поляризованный свет; ультрафиолетовые лучи). Это значит, что фазово-контрастный, интерференционный, темнопольный и т.д. микроскопы все же остаются оптическими микроскопами.
Основными параметрами любого микроскопа являются увеличение и разрешающая способность(способность микроскопа разделять изображения двух близких друг к другу точек)
ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП
Принцип работы:
Объективом (к объекту) называют линзу или систему линз с очень коротким фокусом, что обеспечивает большое увеличение. Полученное изображение рассматривается глазом в окуляр (око), который является более длиннофокусной линзой (или системой), что позволяет обеспечить нормальное зрительное восприятие. Между линзами находится металлический корпус -- тубус, в котором предусмотрено перемещение линз для получения четкого изображения участка предмета(или всего небольшого объекта).Увеличение оптического микроскопа может доходить до 2000 раз(исключением из этого правила являются наноскопы, с помощью которых можно преодолеть эффект Аббе). Иначе размер линзы объектива будет таким, что появится явление дифракции
Ход лучей в микроскопе - за Вами. Максимальная разрешающая способность светового оптического микроскопа равна 0,2мкм
Примеры изображений, полученных с помощью оптических микроскопов:
 Кровь человека 400х |
 Кожура лука |
 Инфузория туфелька 400х |
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Здесь описан принцип просвечивающего(трансмиссионного) электронного микроскопа(ЭМ). В таком микроскопе электроны, прежде чем сформируется изображение, проходят сквозь образец.
ЭМ перевернут «вверх дном» по сравнению со световым микроскопом. Излучение подается на образец сверху, а изображение формируется внизу. Принцип действия ЭМ в сущности тот же, что и светового микроскопа. Электронный пучок направляется конденсорными линзами на образец, а полученное изображение затем увеличивается с помощью других линз.
В верхней части колонны ЭМ находится источник электронов — вольфрамовая нить накала, сходная с той, какая имеется в обычной электрической лампочке. На нее подается высокое напряжение (например, 50 000 В), и нить накала излучает поток электронов. Электромагниты фокусируют электронный пучок.
Внутри колонны создается глубокий вакуум. Это необходимо для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов из-за столкновения их с частицами воздуха. Для изучения в электронном микроскопе можно использовать только очень тонкие срезы или частицы, так как более крупными объектами электронный пучок почти полностью поглощается. Части объекта, отличающиеся относительно более высокой плотностью, поглощают электроны и потому на сформировавшемся изображении кажутся более темными. Для окрашивания образца с целью увеличения контраста используют тяжелые металлы, такие как свинец и уран.
Электроны невидимы для человеческого глаза, поэтому они направляются на флуоресцирующий экран, который воспроизводит видимое (черно-белое) изображение.
С помощью электронного микроскопа удается достичь высокое разрешение – на практике 0,5 нм. Максимально полезное увеличение х250 000
Примеры изображений, полученных с помощью электронного просвечивающегомикроскопа:
 Полиовирус. Размером 30 нм |
 тилакоиды в клетках листа кукурузы |
 Митохондрии. Легочная ткань млекопитающих |
Примеры изображений, полученных с помощью электронного сканирующего микроскопа:
 насекомые |
 Пыльца |
СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП
Сканирующие зондовые микроскопы(СЗМ) стали первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их.
Основой атомного сканирующего микроскопа(АСМ) служит зонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (ее называют кантилевером). На конце кантилевера (длина около 500 мкм, ширина около 50 мкм, толщина около 1 мкм) расположен очень острый шип (длина около 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм), оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов
При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком.
Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность АСМ метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.
Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 рА до 10 нА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности (см. рис. 12). В отличие от атомно-силового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп может изучать только поверхности металлов или полупроводников.
Примеры изображений, полученных с помощью СЗМ:
.jpg) Муравей |
 Бактерия кишечной палочки. Изображение получено с помощью СЗМ. Длина бактерии – 1,9 мкм, ширина – 1 мкм. Толщина жгутиков и ресничек – 30 нм и 20 нм, соответственно |
РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП
Действие таких микроскопов основано на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нм(т.е. на высокой проникающей способности и резком изменении поглощения рентгеновских лучей с изменением атомного номера. элементов), что позволяет исследовать с их помощью очень малые объекты. Исходя из разрешающей способности Р.М. по их мощности можно позиционировать как нечто среднее межу оптическими и электронными микроскопами (Разрешающая способность рентгеноскопии с применением опорного Х-илучения 0,01-1нм в настоящее достигает 5-10нм, что на несколько порядков выше, чем у оптических микроскопов).
Наиболее распространены проекционные (теневые) Р. М., в которых объект (металлический образец, ботанический срез и др.) располагается вблизи точечного источника рентгеновского излучения (микрофокусной рентгеновской трубки); расходящийся пучок рентгеновских лучей просвечивает образец и формирует на удалённой от него фотоплёнке/экране увеличеное изображение
Он позволяет изучать не только распределение общей плотности вещества, но и распределение плотностей отдельных химических элементов по их характеристическому рентгеновскому излучению (поглощению). В отличие от электронного микроскопа, Р. М. позволяет наблюдать непрепарированные живые клетки(При работе с рентгеновским проекционным микроскопом исследуемые образцы не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, и очень важно, что они не подвергаются разрушающему действию электронов.)
Муравей |
Бактерия кишечной палочки. Изображение получено с помощью СЗМ. Длина бактерии – 1,9 мкм, ширина – 1 мкм. Толщина жгутиков и ресничек – 30 нм и 20 нм, соответственно |
