Микроскоп

(источник)

Учебно-образовательный фильм: Микроскоп

УДК	681.72‎

Микроско́п  — оптический прибор для получения увеличенных изображений малых объектов, которые невозможно рассмотреть невооружённым глазом. До изобретения микроскопа, для изучения мелких предметов использовали искусно выточенную стеклянную линзу в зажиме без обрамления, и — уже позже, в специальном ободе с ручкой (нередко оформленных в декоративно-художественном вкусе мастера-изготовителя) для удобства удерживания в руке, под наименованием — лупа.

Этимологические изыскания

Слово микроскоп, происходит от греч. μικρός — «малый» + греч. σκοπέω — «наблюдаю, смотрю», из праиндоевр. *(s)pek'- «смотреть». Русск. микроскоп (в стар. форме микроскопий) — в эпоху Петра I; вероятно, заимств. через франц. miсrоsсоре.

Микроскоп Левенгука — середины XXVII века

Историческая справка

Изобретению и первым конструкциям микроскопов мы обязаны нидерландскому натуралисту и основоположнику научной микроскопии, член Лондонского королевского общества (с 1680 года) — исследовавшему с помощью своих приборов, структуру различных форм живой материи — Антони ван Левенгуку.

Разрешающая способность микроскопов

Получение изображений осуществляется путём использования соответствующих оптических систем — Микроскопов.

Степень проникновения в микромир, при изучении микромира зависит от возможности рассмотреть величину микрообъектов, от разрешающей способности прибора, определяемой длиной волны используемого в микроскопии опорного излучения (естественный солнечный свет, УФ, ИК, рентгеновское излучение). Главным ограничением возможности рассматривать более мелкие частицы является достижение предела возможности применяемой опорной длины волны излучения (освещения) объекта. Например, наш глаз способен рассмотреть две риски в пределах 0,176мм c расстояния 250 мм. Уменьшение расстояний между рисками мы воспринимаем как сплошное изображение без видимых деталей. То есть «проникнуть глубже» в микромир возможно при использовании более коротковолнового излучения, то есть излучения с меньшими длинами волн. В настоящее время достигнут предел разрешающей способности микроскопа (микроскопии), равный длине волны «жёсткого» рентгеновского излучения, что соответствует длинам волн 1—10нм (10⁻⁹—10⁻⁸м) .

Виды микроскопов

Оптические схемы различных микроскопов. Слева направо: оптический, электронный, сканирующий (СЭМ), Сканирующий атомно-силовой микроскоп (САМ), Ближнепольный оптический микроскоп (БОМ вместо STM), Оптический сканирующий зондовый микроскоп(СЗМ)

Для исследования объектов разного типа, и в зависимости от требуемой величины оптического разрешения и других требований, созданы разные микроскопы:

• Оптические микроскопы
  • Микроскопы универсального назначения
    • Монокулярные микроскопы
    • Бинокулярный (стереоскопический) микроскоп и настольный стереоувеличитель, обычно с небольшим увеличением (до 100 крат)
    • Биологический микроскоп
    • Поляризационный микроскоп
  • Специальные микроскопы:
    • Металл-микроскоп
    • Поляризационный микроскоп
    • Петрологический микроскоп
    • Флуоресцентный микроскоп (Люминесцентный микроскоп)
    • Ближнепольный оптический микроскоп(БОМ)
    • Оптический сканирующий зондовый микроскоп((СЗМ) или (SNOM))
    • Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп
    • Эллипсометрический микроскоп
    • рентгенооптический аналитический микроскоп
    • интерференционный микроскоп
    • голографический интерференционный микроскоп
    • офтальмологический микроскоп
    • микрохирургический микроскоп
• Электронные микроскопы
• Рентгеновские микроскопы
  • Рентгеновские микроскопы отражательные
  • Рентгеновские микроскопы проекционные
  • Рентгеновские микроскопы флюоресцентные с применением планарных преломляющих, фокусирующх Х-лучи линз.
  • Лазерный рентгеновский микроскоп

Оптические микроскопы

Антикварный оптический микроскоп 19-го века

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, т. е. наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта 0,176 мм c расстояния 250 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п., наконец атомов и молекул — 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. Их фотографируют для дальнейшего изучения.

До середины ХХ века работали только с видимым 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 была ограничена расстоянием между точками до ~0,20 мкм. 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 не оптических 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. Учёные 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!

Флуоресцентный микроскоп

Флуоресцентный микроскоп

Флуоресцентный микроскоп (также используется название люминесцентный микроскоп) позволяет исследовать объекты, отдельные части структуры которых, самостоятельно или в присутствии специальных красителей, светятся под действием более коротковолнового ультрафиолетового освещения.

В основе систем сверх высокого оптического разрешения лежит новый метод, впервые сформулированный российским ученым Андреем Климовым, позволяющий увеличить разрешение оптических микроскопов на два порядка. Однако патент, который оспаривается, принадлежит разработчикам и создателям Флуоресцентного микроскопа Штефану Хеллу (Stefan Hell) из Института биофизической химии (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry (Karl Friedrich Bonhoeffer Institute)) — 2006 год.

Метод Флуоресцентной микроскопии состоит в том, что окрашенные контрастируемыми флуоресцентными красителями образцы удаётся анализировать с разрешениями вплоть до пределов 1‒10 нанометров.

Поляризационный микроскоп

.

Ближнепольный оптический микроскоп

.

Оптический сканируюший зондовый микроскоп

.

Электронные микроскопы

Электронный микроскоп

Электрон обладая свойствами не только частицы, но и волны, позволяет использовать, как опорное электронное излучение в микроскопии.

Длина волны электронного излучения зависит от его энергии, а энергия электрона равна E = Ve, где V — разность потенциалов, проходимая электроном, e — заряд электрона. Длины волн электронного излучения при прохождении разности потенциалов 200 000 В составляет порядка 0,1 нм. Электронное излучение легко фокусировать электромагнитными линзами, так как электрон — заряженная частица. Электронное изображение может быть легко переведено в видимое. Современные электронные микроскопы обеспечивают субатомное разрешение.

Рентгеновские микроскопы

Применение методов рентгеновской микроскопии (РМКС), у которых Разрешающая способность (оптика) достигает до 100нм, что в 2раза выше, чем у оптических микроскопов (200нм), что в 2 раза меньше. Тем не менее современный оптический микроскоп — наноскоп имеет разрешение до порядка 1‒10нм. Оптическая наноскопия находит применение в биологии, медицине, где рассматриваются живые клетки, где испльзуется эффект свечения атомов, молекул, окрашенных флюоресцентными красителями.

Применение методов (РМКС) для исследования кристаллов, структур металлов и др. материалов, с величиной элементов с размерами, равными длинам волн рентгеновских лучей, используются в качестве опорного освещения коротковолновые лучи — рентгеновские лучи. Возможность применения рентгеновской оптики, которая используется в рентгеновских микроскопах, стала возможной благодаря ученому М. А. Кумакову, разработавшему первое рентгеновское зеркало. Именно благодаря этому, получена возможность преломлять рентгеновские лучи и разрабатывать рентгеновскую оптику. Рентгеновские лучи стали использовать вместо видимого света и электронных лучей. С момента «обуздания» Х-излучения положено начало новому направлению микроскопии рентгеновской микроскопии.

Новое направление в рентгеноскопии

Планарные параболические линзы

Рентгеновская оптика преломления

В настоящее время на основе оптических материалов монокристаллического кремния исследованы и созданы линзы и призмы, преломляющие Х-лучи. Это аналоги оптических устройств (тонких линз), используемых в диапазоне видимых лучей света. До последнего времени считались невозможными использовать преломляющие системы для рентгеновского излучения. Как известно, показатель преломления Х-лучей мало отличается от единицы. Рентгеновская оптика являлась предметом постоянных оценок и рассуждений. Получение и появление составных рентгеновских линз и призм — начало новых шагов во всём мире в деле создания новых оптических устройств микроскопов, телескопов с использованием диапазона спектра длин волн жёстких Х-лучей, способных их преломлять и фокусировать с разрешением 5‒10нм

Получение изображений в реальном и фурье-пространствах

Файл:Mikroscopiya.jpg

Рис.1,Применение планарных линз на примере прохождения Х-лучей в кристаллах

Фокусирующие элементы могут передавать рентгеновские изображения в реальном (видимом) пространстве объектов в виде стереоизображений 3D. В данном случае важно при создании методов рентгеноскопии, когда пространственное разрешение фиксируется предельным разрешением сфокусированного объекта на субмикронном атомно-молекулярном уровне. Эти методы уже с 1980 годов реализованы, но в диапазоне «мягких» Х-волн при использовании зонных пластинок Френеля и рентгеновской зеркальной оптикой. В данном случае, например, получают двумерные рентгеновские изображения при использовании мягких Х-лучей с энергией 1‒1,5 кэВ, где глубина поглощения менее 1 мкм, что не на много больше разрешения, то есть 20‒100 нм.

В диапазоне жёсткого излучения (мощностью от 6‒10 до 100 кэВ) работают преломляющие линзы c глубиной поглощения, достигающих величин больших значенийй разрешения самих линз.

Лазерные рентгеновские микроскопы

Лазерный рентгеновский микроскоп (ЛРМ) использует принцип лазерного луча свободных электронов установки (FEL), которая произвела инфрокрасный луч с длиной волны 1,61 микрона мощностью 14,2 киловатта. В 2004 году Американский национальный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч формировала в вигглере. Принципиальная схема работы лазерного рентгеновского микроскопа

Рис. 1, Принципиальная схема работы Лазерного рентгеновского микроскопа

Из Рис.1: ‎

• 1 — Ультрафиолетовое излучение или Инфракрасное излучение лазерные
• 2 — Вынужденное излучение
• 3 — Зона встречи Лазерного импульса с частицей материи
• 4 — Генератор частиц
• 5 — Фотосенсор — приёмник спектра электромагнитных излучений возбужденных элементов плазменного облака
• 6 — Рентгеновская оптика
• 7 — Вигглер
• 8 — Линейный источник когерентного света Linac Coherent Light Source — LCLS
• 9 — Частица до взрыва
• 10 — Единичная параболическая кремниевая Х-линза

Микроскопы будущего

Рис.2,Схема Лазерного рентгеновского микроскопа будущего

Одно из главных преимуществ лазерной Х-микроскопии — возможность фотографировать непрозрачные элементы благодаря образцам дифракции, получаемым в результате взрыва частиц фотонами рентгеновского лазера с диаметром луча в 0,1 нанометра.

Применение микроскопов

Микроскоп — прежде всего исследовательский прибор. Разные типы микроскопов были разработаны для работ прежде всего в области биологии (от оптических просветных — до электронных).

Различные поляризационные микроскопы, и металл-микроскопы, работающие в отражённом свете, позволяют исследовать поверхность твёрдых тел, её структуру, а также строение прозрачных кристаллиических тел (минералы и биообъекты).

В медицине микроскопы используются для проведения микрохирургических операций.

Разработан даже подводный лазерный микроскоп для поиска внеземной жизни на Европе.

Развитие нанотехнологий привело к бурному росту микроскопии, совершенствованию разнообразных микроскопов, позволяющих заглянуть всё глубже и глубже в тайны материи. Разнообразные элкетронные микроскопы являются составным элементом оборудования для микроэдектроники и нанотехнологических процессов.

Морфологические и синтаксические свойства слова

Падеж	отвечает на	ед.	мн.
Именительный	(кто/что?)	микроско́п	микроско́пы
Родительный	(кого/чего?)	микроско́па	микроско́пов
Дательный	(кому/чему?)	микроско́пу	микроско́пам
Винительный	(кого/что?)	микроско́п	микроско́пы
Творительный	(кем/чем?)	микроско́пом	микроско́пами
Предложный	(о ком/чём?)	микроско́пе	микроско́пах

УДК	80

мик-ро-ско́п

Существительное, неодушевлённое, мужской род, 2-е склонение (тип склонения 1a по классификации формульных склонений).

Морфемный анализ (или — разбор слова по составу) демонстрирует из каких минимально-значимых осознаваемых частей (морфем) состоит разбираемое слово: 

• Корень: -микро-; корень: -скоп-.

Произношение

• МФА: ед. ч. [mʲɪkrɐˈskop] мн. ч. [mʲɪkrɐˈskopɨ]

См. также

Файл:Optical microscope nikon alphaphot +.jpg

Современный бинокуляр оптический Nikon Stereo microscope

• Микроскопия
• Оптическое разрешение
• Оптические системы
• 3D-дисплей
• Трёхмерная графика