Тема: Микроскоп Работа № 1. Устройство светового микроскопа

Оборудование: микроскоп, постоянный препарат, пенал.

Оформление работы: Записать устройство микроскопа, назначение его частей, правила работы.

Микроскоп – оптико-механический прибор, позволяющий увеличивать рассматриваемый предмет (объект, препарат).

В микроскопе различают оптическую и механическую системы.

ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА:

Объектив – самая важная часть микроскопа, который привинчивается к нижней части тубуса. Объектив в микроскопе находится в непосредственной близости от рассматриваемого предмета, за что он и получил свое название. Он состоит из системы оптических линз, вставленных в латунную оправу, и требует весьма бережного обращения и тщательного ухода (никоим образом не следует надавливать объективом на лежащий на предметном столике препарат, так как это может вызвать повреждение или даже выпадение линзы).

Назначение объектива:

1) Строить в трубе микроскопа изображение, геометрически подобное изучаемому предмету.

2) Увеличивать изображение в то или иное число раз.

3) Выявлять подробности, недоступные невооруженному глазу. Объективы в количестве 2-3 штук ввинчиваются в особое приспособление, называемое револьвером (4).

Окуляр – вставляется в верхнюю часть тубуса. В него рассматривается изображение предмета (а не предмет), направленное объективом вверх. Он состоит из системы линз, вставленных в металлический цилиндр. Окуляр строит изображение, увеличивает его, но не выявляет подробности строения.

Конденсор – собирает и концентрирует в плоскости препарата весь свет, отраженный от зеркала. Конденсор состоит из цилиндра (оправы) внутри которого расположены 2 линзы. Поднимая и опуская конденсор можно регулировать освещение препарата.

Диафрагма – расположена в нижней части конденсора. Также как и конденсор служит для регулирования силы света.

Зеркало – служит для улавливания света от источника освещения. Оно подвижно прикреплено под столиком, вращаясь вокруг горизонтальной оси. Зеркало с одной стороны - плоское, с друзой - вогнутое.

МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА:

основание (штатив) или массивная ножка (1); коробка с микромеханизмом (2) и микровинтом (3);

податочный механизм для грубой наводки – макровинт или кремальера (8); предметный столик (4);

винты (5, 6, 12, 13);

головка (9); револьвер (10); клеммы; тубус (11);

дуга или тубусодержвтель(7); Кремальера (макровинт) – служит для приблизительной «грубой» установки на фо-

Микровинт - служит для более тонкой и точной наводки.

Предметный столик – прикрепляется к передней части колонки, на которой помещают исследуемый предмет. На столике имеется 2 клеммы; с их помощью закрепляется препарат. Передвижение препарата осуществляется с помощью винтов, которые расположены сбоку столика.

Тубус – служит для соединения объектива и окуляра, и соединен со штативом таким образом, что может подниматься и опускаться. Передвижение тубуса осуществляется с помощью двух винтов: макрометрического и микрометрического.

Штатив – соединяет все вышеуказанные части микроскопа.

Определение общего увеличения микроскопа

Определение фокусного расстояния

F8 = 0,9 см ~ 1 см

F40 = 1,2 мм ~ 1 мм

Вспомогательное оборудование (запомнить названия):

1. предметные и покровные стекла;

2. стаканчик или колбочка для воды, пипетка;

3. бритва (лезвие), препаровальные иглы;

4. полоски фильтровальной бумаги, салфетка.

Правила работы с микроскопом:

Работать с микроскопом следует без торопливых и резких движений. В работе с микроскопом соблюдайте чистоту и аккуратность. Оберегайте микроскоп от пыли и загрязнения.

1. Перенос микроскопа осуществляется двумя руками: одной рукой – за тубусодержатель, другой – снизу за основание.

2. Микроскоп устанавливается прямо перед работающим, напротив его левого глаза, и не перемещается.

3. С правой стороны располагаются необходимые инструменты, материалы и альбом для зарисовок.

4. Перед началом работы мягкой (желательно батистовой) тряпочкой протираются от пыли окуляр, объектив, зеркало.

5. Поставив микроскоп на постоянное место, опускаем при помощи микровинта тубус микроскопа, глядя при этом сбоку микроскопа, так, чтобы объектив малого увеличения находился на расстоянии ~ 1 см. от предметного стекла.

6. Каждый объект изучается сначала при малом увеличении, в затем переводят на большое.

7. Для освещения используются естественный свет, но не прямой, солнечный или электрический, лучше матовый.

8. Установка освещения:

а) удалить матовое стекло под конденсором; б)установить конденсор фронтальной линзой на уровень столика микроскопа (под-

нять его с помощью винта; в) открыть полностью диафрагму;

г) установить объектив малого увеличения; д) движением зеркала направить свет так, чтобы, пройдя через объектив, пучок све-

та полностью освещал плоскость входного зрачка объектива.

9. После установки освещения помещаем препарат на предметный столик, чтобы рассматриваемый объект находился под фронтальной линзой объектива малого увеличения. Затем снова опускаем тубус при помощи кремальеры так, чтобы между фронтальной линзой малого объектива и покровным стеклом препарата было расстояние 3-4 мм (при опускании тубуса нужно смотреть не в окуляр, а сбоку на объектив).

10. Глядя в окуляр левым глазом (не закрывая правый), плавно поворачиваем правой рукой винт кремальеры не себя, находим изображение, одновременно левой рукой придаем объекту выгодное положение.

11. Переходя на большое увеличение, переводим револьвер и на место малого увеличения ставим объектив 40 х . При большом увеличении, вращая микровинт, добиваются четкого изображения (вращают микровинт не более чем на пол-оборота). Помните, что при вращении микро- и макровинта по часовой стрелке тубус с объективами опускается вниз, а при обратном вращении поднимается.

12. После работы опять устанавливаем объектив малого увеличения.

13. Только при малом увеличении следует снимать препарат со столика микроскопа. Микроскоп после работы нужно протереть салфеткой и поместить под чехол.

Работа № 2. Работа с микроскопом на малом и большом увеличении.

Оформление работы: Записать технику приготовления препаратов.

Препараты и их приготовление.

Препараты могут быть временные и постоянные. При изготовлении временного препарата объект помещается в каплю прозрачной жидкости - воды или глицерина. Та-

кие препараты не подлежат долгому хранению. В том случае, когда объект исследования помещается в каплю горячего глицерин-желатина или канадского бальзама, затвердевающих при охлаждении. Получается постоянный препарат, который может храниться годами.

На практических занятиях по анатомии растений студенты пользуются как постоянными, так и временными препаратами, изготовленными ими самостоятельно. Для изготовления временного препарата необходимо:

o с помощью пипетки нанести каплю воды или глицерина в центр предметного стекла; o препаровальной иглой поместить объект в каплю приготовленной жидкости;

o осторожно накрыть объект тонким (хрупким) покровным стеклом. Сверху покровное стекло должно оставаться сухим, т.е. вода не должна выходить за его пределы. Избыток воды удаляется с помощью полоски фильтровальной бумаги. Если же жидкости под стеклом мало, можно добавить ее, подведя пипетку к краю покровного стекла, не поднимая его.

o в препарате часто оказываются пузырьки воздуха, которые попадают в него вместе с объектом или при резком, неосторожном опускании покровного стекла и своими контурами мешают изучению объекта. Удалить их можно добавлением воды с одной стороны покровного стекла с одновременным удалением ее с противоположной стороны или легким постукиванием препаровальной иглой по покровному стеклу, держа препарат почти вертикально.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ШКОЛЕ

Полученные знания и практические навыки используются в школьном курсе биологии на уроке «Знакомство с увеличительными приборами» и в процессе преподавания всего курса ботаники и других биологических дисциплин.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ : Выучить устройство микроскопа, правила работы с ним и технику приготовления препаратов.

Отличия между цифровыми микроскопами и оптическими

Отличия между цифровыми микроскопами и оптическими

Оптический микроскоп, который также называют световой микроскоп, является устройством использующим видимый свет и систему линз для увеличения изображения образцов. Оптические микроскопы являются самым старейшим видом оптических приборов для получения увеличенных изображений объектов, возможно, первые из них были разработаны в 17 веке. Изображение полученное с помощью оптического микроскопа может быть захвачено обычной светочувствительной фотокамерой для создания микрофотографий. Фотокамера может монтироваться вместо штатных окуляров или в отдельный оптический порт. Такие микроскопы именуются тринокулярными.

Оптический микроскоп - прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. (от др.-греч. μικρός «маленький» и σκοπέω «рассматриваю») — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом. Источник: Википедия .

Области применения микроскопов

Оптические микроскопы различаются по видам и модификациям для разнообразных областей применения.

Методы микроскопии в современном мире используются практически во всех сферах человеческой деятельности: «перечислить области использования»

В последние десятилетия для микроскопических исследований широко применяется специальное оптическое программное обеспечение. С помощью компьютерных программ достигается непрерывное наблюдение за объектами исследований, что особенно важно для изучения биологических объектов.

Благодаря современным алгоритмам, применяемых в оптическом программном обеспечении, значительно сокращаются затраты рабочего времени

Принципы устройства

Главными компонентами микроскопа являются:

Система оптического микроскопа включает в себя ряд компонентов, основным из которых является объектив.

Оптика микроскопа состоит из двух элементов — окуляра и объектива которые закреплены в подвижном тубусе, находящимся на металлическом основании с предметный столиком. Увеличение микроскопа без дополнительных линз между окуляром и объективом равно произведению их увеличений

В наше время в микроскопе почти всегда есть система освещения и микро и макро винтами для настройки резкости.

В зависимости от назначения к исследовательскиму микроскопу могут прилагаться дополнительные системы и устройства, такие как

объективы с увеличеным разрешением 40, апертурой 0,65, коррекцией на толщину покровного стекла 0,17 мм и бесконечную длину тубуса

Объективы оптического микроскопа являются одной из главных частей и представляют собой сложный механизм для увеличения изображения изучаемого предмета. Увеличенное с помощью оптического объектива изображение предмета рассматривается через окуляр, который также в свою очередь может создавать увеличение. Если объектив микроскопа каким-то образом искажает изображение, то это искажение будет усилено окуляром. Объектив микроскопа это сложная оптическая система, увеличевающее изображение объекта. Она является наиболее ответственной и основной частью исследовательского оборудования. Рассмотреть изображение созданное объективом, можно через окуляр.

Объективы исследовательских и других микроскопов кисключая стереоскопические в большей степени взаимозаменяемые и унифицированые. На взаимную заменяемость в первую очередь влияют присоединительные параметры объектива.

Объектами исследований микроскопов могут являться любые органические и не органические предметы, живые и не живые ткани, целые биологические организмы или их отдельные части.

Микроскоп имеет в качестве осветительной оптической системы галогеновую лампу или светодиодную систему. Достоинством светодиода является крайне долгое время работы, по сравнению с обычными галогеновыми лампами (в 100 и более раз превышающее данный показатель); малое энергопотребление (составляющее от 1/3 до 1/10 энергопотребления обычной лампы); спектральная “чистота” и т.д.

Конденсоры

Конденсоры оптического микроскопа являются главным элементом системы и большей частью представляют собой отдельный, чаще - съёмный, агрегат. Конденсоры монтируются непосредственно рядом с предметным столиком и осуществляют освещение объекта. Неотъемлемой деталью конденсора является апертурная ирисовая диафрагма.

Диафрагма предназначена для ограничения количества света только в той части препарата, которая изучается в данный момент времени. Особенно это полезно при работе с большими увеличениями, когда необходимо подсветить только небольшую площадь образца.

Открытая полевая диафрагма увеличивает ширину луча света. Данная настройка применяется при работе с малыми увеличениями (большее поле зрения)

Закрытие диафрагмы приводит к сужению луча света

Предметный столик под микроскоп

Неотъемлемой частью конструкции, которой обладает микроскоп является предметный столик , представляющий собой поверхность на которую устанавливают препарат для исследований. Предметные столики разделяются на подвижные и неподвижные. Неподвижные предметные столики монтируются на самом простом и дешёвом оборудовании используемом для обучения детей в школах.

Даже самые простые предметные столики под микроскоп позволяют перемещение в двух координатных плоскостях, а более сложные обеспечивают перемещение по трём осям и поворот на определённый угол.

Применяемые объективы и их основные характеристики

Как уже говорилось ранее, оптические микроскопы объективы которых являются одной из самых главных частей. Это весьма сложная оптическая конструкция, которая интегрирует в себе фронтальную линзу и комбинацию внутренних линз. В зависимости от уровня поставленных задач в объективе может быть до четырнадцати различных линз.

Основные данные обычно указываются на корпусе оптического объектива.

Микроскоп может иметь следующие объективы:

• Ахроматы (ахроматические);
• Планапохроматические
• Планахроматические
• Планфлуораты

Ахроматические объективы корректируют аберрацию красного и фиолетового спектров. Также они уменьшают сферическую аберрацию, сферохроматическую аберрацию.

Планахроматические объективы практически полностью уничтожают сферическую аберрацию. В отличие от ахроматических объективов апохроматические -почти не искажают природный цвет объекта.

Основным преимуществом планапохроматических оптических объективов является возможность с их помощью получать резкое и не искажённое изображение по всему полю. Кроме этого некоторые модификации объективов плоского поля корректируют хроматические аберрации.

Степень увеличения изображения изучаемого предмета является одним из основных параметров оптических объективов. По степени увеличения объективы подразделяются на:

• малого увеличения - до 10х;
• среднего увеличения - от 10х до 50х;
• большого увеличения - от 50х до 100х;

Следующей важной характеристикой объективов является их числовая апертура, которая показывает разрешающую способность оптической системы микроскопа и определяется величиной минимального расстояния при котором объектив может различить две соседние точки.

По величине апертуры объективы делятся на

• объективы с малой апертурой - до 0,25;
• со средней апертурой - до 0,65;
• с большой апертурой - больше 0,65.

Микроскопы компании Nikon

Микроскопы торговой марки Nikon занимают высшую ступеньку. Это современные микроскопы, в которых конструкторы интегрировали самые новые и современные инновационные технические решения и возможности мировой науки и техники.

По сфере применения микроскопы компании Nikon подразделяются на следующие группы:

• биологический микроскоп;
• стереомикроскопы.

Биомедицинские или биологические микроскопы Nikon используются для современных биологических и медицинских исследований по изучению живых организмов и объектов, а также для автоматизированных и многоцелевых лабораторных анализов.

Среди биомедицинских Nikon выделяются следующие модельные ряды:

• Микроскоп Nikon Eclipse Е;
• Микроскоп Nikon Eclipse Ci;
• Микроскоп Nikon Ni ;
• Микроскоп Nikon Ti .

Стереомикроскопы Nikon позволяют оператору наблюдать трёхмерный объект исследования с возможностью получения вполне естественного изображения.

Среди стереомикроскопов Никон выделяются следующие серии моделей:

• Микроскоп Nikon SMZ1270/1270i;
• Микроскоп Nikon SMZ800N;
• Микроскоп Nikon SMZ25/SMZ18;
• Микроскоп Nikon SMZ745/745T;
• Nikon SMZ 660;
• Nikon SMZ 445/460.

Документация(фиксирование) изображения.

Интеграция современных микроскопов Nikon с цифровыми камерами позволяет вести непрерывное наблюдение за рассматриваемыми объектами с одновременной фиксацией и записью их изображений. Цифровые камеры, в настоящее время широко применяются для наблюдений за живыми организмами, а также в других отраслях науки и техники.

Компания Nikon выпускает следующие цифровые камеры:

Nikon DS-Fi2 Nikon DS-Qi1 Nikon DS-Vi1 Nikon DS-Fi1c Nikon DS-Ri1

• цифровую камеру Nikon DS-Fi2 ;
• цифровую камеру Nikon DS-Qi1 ;
• цифровую камеру Nikon DS-Vi1 ;
• цифровую камеру Nikon DS-Fi1c ;
• цифровую камеру Nikon DS - Ri 1 .

Каталог микроскопов

Классификация по принципу построения изображения

В лабораторных микроскопах наблюдатель видит отраженный или проходящий через свет не всегда так, как если бы он смотрел невооруженным глазом. Луч света может быть подвергнут изменению, как по форме, так и по длине волны или другим свойствам. В связи с этим, выделяют несколько видов лабораторных микроскопов по принципу построения изображения:

• Метод светлого поля. Для обычного человека это наиболее удобная форма восприятия объекта: светлый фон и темное изображение. Используется в микроскопах проходящего света, поэтому наблюдатель получает то же самое изображение, но в увеличенном виде. Изменения могут вызываться только применением светофильтров из цветного стекла, которые надеваются на объектив. Реже используются интерференционные светофильтры, которые пропускают только определенную длину волны.
• Метод темного поля. В этих микроскопах все наоборот: темный фон и более светлое изображение либо яркий блестящий контур исследуемого объекта. Достигается это разными способами в зависимости от типа микроскопа. В проходящих падающий свет перекрывается до того момента, как он попадет на объект. В приборах отраженного света луч проходит через кольцевую диафрагму с непрозрачным диском, который по своему размеру превышает выходной зрачок объектива.
• Метод фазового контраста. Эти микроскопы, которые иногда так и называют - фазовые, - позволяют получить изображения с четко выраженными внешними и внутренними границами. Этот метод хорошо подходит для изучения клеток и тканей.
• Люминесцентные микроскопы. Их принцип действия строится на свойствах некоторых веществ возбуждать собственное излучение под действием ультрафиолетовых или сине-фиолетовых лучей. Соответствующий яркий источник света направляется на объект, а новые лучи от него «отсекаются» сложной системой светофильтров до получения излучения только определенной длины волны.
• «Иммерсионные» микроскопы. Эти приборы используются для сложных медико-биологических исследований, где нужно получить контрастное изображение объекта на фоне схожего оттенка. Прямой проходящий свет перекрывается в два этапа: часть до объекта, вторая часть - после объекта с ослаблением.
• Микроскопы интерференционного (или дифференциально-интерференционного) контраста. Позволяют получить на однотонном фоне объемное изображение того же цвета. Для разделения изображения и фона используется окантовка другого цвета.
• Ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы. В них освещение и формирование изображения происходит на длинах волн, невидимых для человеческого глаза. Соответственно, для удобства наблюдений такие микроскопы подключаются к компьютеру, который конвертирует изображение.

Современные лабораторные микроскопы далеко не всегда строятся по какому-либо одному принципу. Для лаборатории экономически невыгодно приобретать десятки моделей приборов для разных наблюдений, поэтому сейчас микроскопы выпускаются в модульном исполнении для формирования разных способов построения изображений. Кроме того, многие можно подключать к компьютеру для записи и обработки информации.

Классификация по способу освещения

Для получения качественных результатов наблюдения должны выполняться при хорошей освещенности. Естественный свет используют разве что игрушечные или школьные микроскопы, а для лабораторных приборов нужны дополнительные источники освещения. В зависимости от их вида и расположения в системе микроскопа, выделяют следующие варианты конструкции:

• Микроскопы проходящего света. Стандартный способ построения микроскопа, который использовался еще в самых первых моделях и часто встречается в наши дни. Принцип их работы связан с тем, что свет от внешнего источника проходит сквозь объект, а человек в этом время наблюдает его через бинокулярную насадку. По такому принципу могут строиться микроскопы всех видов, включая стереоскопические. С их помощью можно изучать прозрачные и полупрозрачные объекты.
• Микроскопы отраженного света. Здесь наблюдатель видит не сам объект исследования напрямую, а смотрит на изображение, которое от него отразилось. Микроскопы плоского поля (инвертированные или прямые), а также стереоскопические, могут изготавливаться по этому принципу. С помощью отраженного света хорошо исследовать непрозрачные предметы с разной степенью отражающей способности, а также полупрозрачные образцы.

В свою очередь, лабораторные микроскопы отраженного света тоже делятся на две основные категории:

• «Оригинальные» микроскопы отраженного света, в которых свет проходит через оптическую систему микроскопа, отражается от объекта, а затем снова проходит через оптику. В первом случае объектив становится частью осветительной системы, во втором - основным элементом, который увеличивает отраженный от объекта свет и передает его наблюдателю.
• Во втором варианте конструкции свет падает на объект напрямую, а не через оптическую систему микроскопа. Увеличение происходит за счет прохождения отраженного света через объектив. По такому принципу, как правило, строятся стереоскопические микроскопы.

Существуют и люминесцентные приборы плоского поля, в которых есть осветитель отраженного света. В них рассматриваемое изображение строится не тем лучом света, который прошел через оптику, отразился от объекта и вновь прошел через объектив. Другими словами, используется один и тот же луч света, но вот его длина после отражения от объекта и повторного прохождения через оптику будет другой. Часто бывает так, что в одном микроскопе объединяют разные осветительные системы. Это делается для того, чтобы сделать прибор универсальным для изучения всех видов объектов.

Микроскоп - оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом.

Микроскоп применяют для получения больших увеличений при наблюдении мелких предметов. Увеличенное изображение предмета в микроскопе получается с помощью оптической системы, состоящей из двух короткофокусных линз - объектива O1 и окуляра O2. Объектив даст действительное перевернутое увеличенное изображение предмета. Это промежуточное изображение рассматривается глазом через окуляр, действие которого аналогично действию лупы. То есть изображение в микроскопе получается перевернутым. Окуляр располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось в его фокальной плоскости; в этом случае лучи от каждой точки предмета распространяются после окуляра параллельным пучком.

Полезное увеличение микроскопа - такое увеличение, при котором предмет, имеющий размер, равный пределу разрешения микроскопа, имеет изображение, размер которого равен пределу разрешения глаза.

Полезное увеличение микроскопа находится в области 500 - 1000-кратной величины апертуры объектива. Нормальным увеличением микроскопа называется такое, которое получается при 500 А и диаметре зрачка выхода, равном 1 мм.

Полезное увеличение микроскопа в среднем равно 1000-кратному.

Полезное увеличение микроскопа определяется увеличением объектива, поэтому на совершенствование объективов обращается серьезное внимание.

Полезное увеличение N микроскопа должно быть подобрано так, чтобы при этом была рациональным образом использована разрешающая сила объектива микроскопа. Для этого необходимо, чтобы угловая величина изображения наблюдаемой детали по отношению к центру зрачка глаза была бы не меньше 2 минут, а еще лучше, как принято считать, доходила бы до 4 минут, что обусловлено разрешающей способностью глаза.

23. Разрешающая способность и предел разрешения микроскопа. Пути повышения разрешающей способности.

Одной из важнейших характеристик микроскопа является его разрешающая способность . Разрешение - способность оптического прибора воспроизводить изображение близко расположенных объектов. Линейный предел разрешения микроскопа, то есть минимальное расстояние между точками предмета, которые изображаются как раздельные, зависит от длины волны и числовой апертуры микроскопа:

Апертура - характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения.

A = nSin(α/2), где n - показатель преломления той среды, в которой находится предмет и из которой исходят лучи, а α - угол, составляемый крайними лучами, идущими из предмета и попадающими еще в объектив.

Повысить разрешающую способность микроскопа можно двумя способами: либо увеличивая апертуру объектива, либо уменьшая длину волны света, освещающего препарат.

24.Специальные методы микроскопии: метод темного поля, поляризационный, люминесцентный микроскоп.

Метод исследования в темном поле впервые был предложен австрийскими

учеными Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом в 1903 году и подходит для

рассеивающих свет объектов.

В основе метода лежит освещение препарата полым конусом света,

внутренняя апертура которого превосходит числовую апертуру применяемого

объектива. Поскольку ни один прямой луч от

осветителя в объектив попасть не может, при

отсутствии объекта поле зрения микроскопа

будет темным. Объект, помещенный на

предметный столик, будет рассеивать свет во

все стороны, в том числе и в сторону объектива,

благодаря чему на темном фоне будет видно

контрастное изображение объекта.

В микроскопе проходящего света тип

освещения создается посредством кольцевой

диафрагмы в конденсоре (рис. 8). В случае,

когда в исследованиях используется объектив с

высокой числовой апертурой, есть вероятность,

что часть света все же будет попадать объектив.

По этой причине используются

специализированные объективы, имеющие

встроенную внутреннюю ирисовую диафрагму,

которая позволяет уменьшать эффективное значение NAobj до величины,

достаточной для наблюдения в темном поле.

Поляризационная микроскопия – это метод наблюдения в поляризованном свете для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически анизотропные элементы (или целиком состоящих из таких элементов). Таковыми являются многие минералы, зёрна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и пр. Оптические свойства анизотропных микрообъектов различны в различных направлениях и проявляются по-разному в зависимости от ориентации этих объектов относительно направления наблюдения и плоскости поляризации света, падающего на них. Наблюдение можно проводить как в проходящем, так и в отражённом свете. Свет, излучаемый осветителем, пропускают через поляризатор. Сообщенная ему при этом поляризация меняется при последующем прохождении света через препарат (или отражении от него). Эти изменения изучаются с помощью анализатора и различных оптических компенсаторов. Анализируя такие изменения, можно судить об основных оптических характеристиках анизотропных микрообъектов: силе двойного лучепреломления, количестве оптических осей и их ориентации, вращении плоскости поляризации, дихроизме.

Метод исследования в свете люминесценции (люминесцентная микроскопия, или флуоресцентная микроскопия) состоит в наблюдении под микроскопом зелено-оранжевого свечения микрообъектов, которое возникает при их освещении сине-фиолетовым светом или не видимыми глазом ультрафиолетовыми лучами. В оптическую схему микроскопа вводятся два светофильтра. Один из них помещают перед конденсором. Он пропускает от источника-осветителя излучение только тех длин волн, которые возбуждают люминесценцию либо самого объекта (собственная люминесценция), либо специальных красителей, введённых в препарат и поглощённых его частицами (вторичная люминесценция). Второй светофильтр, который установлен после объектива, пропускает к глазу наблюдателя (или на фоточувствительный слой) только свет люминесценции. В люминесцентной микроскопии используют освещение препаратов как сверху (через объектив, который в этом случае служит и конденсором), так и снизу, через обычный конденсор. Наблюдение при освещении сверху иногда называют «люминесцентной микроскопией в отражённом свете» (этот термин условен - возбуждение свечения препарата не является простым отражением света). Его часто используют совместно с наблюдением по фазово-контрастному методу в проходящем свете. Метод нашел широкое применение в микробиологии, вирусологии, гистологии, цитологии, в пищевой промышленности, при исследовании почв, в микрохимическом анализе, в дефектоскопии. Такое многообразие применений объясняется очень высокой цветовой чувствительностью глаза и высокой контрастностью изображения самосветящегося объекта на тёмном нелюминесцирующем фоне. Кроме того, информация о составе и свойствах исследуемых веществ, которую можно получить, зная интенсивность и спектральный состав их люминесцентного излучения, имеет огромную ценность.

Как известно, основную долю информации об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Глаз человека - сложный и совершенный прибор. Этот созданный природой прибор работает со светом - электромагнитным излучением, диапазон длин волн которого находится между 400 и 760 нанометрами. Цвет, который при этом воспринимает человек, изменяется от фиолетового до красного.

Электромагнитные волны, соответствующие видимому свету, взаимодействуют с электронными оболочками атомов и молекул глаза. Результат этого взаимодействия зависит от того, в каком состоянии находятся электроны этих оболочек. Свет может поглощаться, отражаться или рассеиваться. Что именно произошло со светом, может многое рассказать об атомах и молекулах, с которыми он взаимодействовал. Диапазон размеров атомов и молекул от 0,1 до десятков нанометров. Это во много раз меньше, чем длина волны света. Тем не менее, объекты именно таких размеров - назовем их нанообъектами - очень важно увидеть. Что же надо для этого сделать? Обсудим сначала, что может рассмотреть человеческий глаз.

Обычно, когда говорят о разрешающей способности того или иного оптического прибора, оперируют двумя понятиями. Одно из них - угловое разрешение, а второе - линейное разрешение. Эти понятия взаимосвязаны. К примеру, для человеческого глаза угловое разрешение составляет приблизительно 1 угловую минуту. При этом глаз может различить два точечных объекта, удаленных от него на 25–30 см, только тогда, когда расстояние между этими объектами больше чем 0,075 мм. Это вполне сравнимо с разрешением обычного компьютерного сканера. В самом деле, разрешение 600 точек на дюйм означает, что сканер может различить точки, расположенные на расстоянии 0,042 мм друг от друга.

Для того чтобы можно было различать объекты, расположенные на еще меньших расстояниях друг от друга, был придуман оптический микроскоп - прибор, увеличивающий разрешающую способность глаза. Выглядят эти приборы по-разному (что видно из рисунка 1), но принцип действия у них один тот же. Оптический микроскоп позволил отодвинуть предел разрешения до долей микрона. Уже 100 лет назад оптическая микроскопия сделала возможным изучать объекты микронных размеров. Однако тогда же стало ясно, что простым увеличением количества линз и улучшением их качества добиться дальнейшего увеличения разрешающей способности невозможно. Разрешение оптического микроскопа оказалось ограничено свойствами самого света, а именно его волновой природой.

Еще в конце позапрошлого века было установлено, что разрешение оптического микроскопа составляет . В этой формуле λ - длина волны света, а n sin u - числовая апертура объектива микроскопа, которая характеризует как микроскоп, так и то вещество, которое находится между объектом изучения и самой близкой к нему линзой микроскопа. И действительно, в выражение для числовой апертуры входят показатель преломления n среды, находящейся между объектом и объективом, и угол u между оптической осью объектива и самыми крайними лучами, которые выходят из объекта и могут попасть в этот объектив. Показатель преломления вакуума равен единице. У воздуха этот показатель очень близок к единице, у воды он составляет 1,33303, а у специальных жидкостей, используемых в микроскопии для получения максимального разрешения, n доходит до 1,78. Каким бы ни был угол u , величина sin u не может быть больше единицы. Таким образом, разрешение оптического микроскопа не превышает долей длины волны света.

Обычно считается, что разрешение составляет половину длины волны.

Интенсивность, разрешение и увеличение объекта - разные вещи. Можно сделать так, что расстояние между центрами изображений объектов, которые расположены в 10 нм друг от друга, будет 1 мм. Это будет соответствовать увеличению в 100 000 раз. Тем не менее, различить, один это объект или два, не получится. Дело в том, что изображения объектов, размеры которых очень малы по сравнению с длиной волны света, будут иметь одинаковые форму и размеры, не зависящие от формы самих объектов. Такие объекты называют точечными - их размерами можно пренебречь. Если такой точечный объект светится, то оптический микроскоп изобразит его в виде светлого кружка, окруженного светлыми и темными кольцами. Будем далее, для простоты, рассматривать именно источники света. Типичное изображение точечного источника света, полученное с помощью оптического микроскопа, показано на рисунке 2. Интенсивность светлых колец намного меньше, чем у кружочка, и убывает по мере удаления от центра изображения. Чаще всего видно только первое светлое кольцо. Диаметр первого темного кольца равен . Функция, которая описывает такое распределение интенсивности, называется функцией рассеяния точки. Эта функция не зависит от того, каково увеличение. Изображение нескольких точечных объектов будет представлять собой именно круги и кольца, как это видно из рисунка 3. Полученное изображение можно увеличивать, однако если изображения двух соседних точечных объектов сливаются, то они будут сливаться и дальше. Такое увеличение часто называют бесполезным - большие изображения просто будут более размытыми. Пример бесполезного увеличения показан на рисунке 4. Формула часто называется дифракционным пределом, и она настолько знаменита, что именно ее высекли на памятнике автору этой формулы - немецкому физику-оптику Эрнсту Аббе.

Конечно, со временем оптические микроскопы стали снабжать разнообразными устройствами, позволяющими запоминать изображения. Человеческий глаз дополнили сначала пленочные фото- и кинокамеры, а потом - камеры, в основе которых лежат цифровые устройства, преобразующие попадающий на них свет в электрические сигналы. Самыми распространенными из таких устройств являются ПЗС-матрицы (ПЗС расшифровывается как прибор с зарядовой связью). Количество пикселей в цифровых камерах продолжает расти, однако само по себе это не может улучшить разрешение оптических микроскопов.

Еще двадцать пять лет назад казалось, что дифракционный предел непреодолим и что, для того чтобы изучать объекты, размеры которых во много раз меньше, чем длина волны света, необходимо отказаться от света как такового. Именно таким путем пошли создатели электронных и рентгеновских микроскопов. Несмотря на многочисленные преимущества таких микроскопов, задача использования именно света для рассматривания нанообъектов оставалась. Причин для этого было много: удобство и простота работы с объектами, небольшое время, которое требуется для получения изображения, известные способы окрашивания образцов и многое другое. Наконец, после долгих лет напряженной работы стало возможным рассматривать нанообъекты с помощью оптического микроскопа. Наибольший прогресс в этом направлении достигнут в области люминесцентной микроскопии. Конечно, дифракционный предел никто не отменял, но его удалось обойти. В настоящее время существуют различные оптические микроскопы, позволяющие рассматривать объекты, размеры которых намного меньше длины волны того самого света, который создает изображения этих объектов. Все эти приборы объединяет один общий принцип. Попробуем пояснить, какой именно.

Из того, что уже говорилось о дифракционном пределе разрешения, ясно, что увидеть точечный источник не так уж сложно. Если этот источник обладает достаточной интенсивностью, его изображение будет отчетливо видно. Форма и размер этого изображения, как уже говорилось, будут определяться свойствами оптической системы. При этом, зная свойства оптической системы и будучи уверенными в том, что объект точечный, можно определить, где именно находится объект. Точность определения координат такого объекта достаточно высока. Иллюстрацией этого может служить рисунок 5. Координаты точечного объекта можно определить тем точнее, чем интенсивнее он светится. Еще в 80-х годах прошлого века с помощью оптического микроскопа умели определять положение отдельных светящихся молекул с точностью в 10–20 нанометров. Необходимым условием столь точного определения координат точечного источника является его одиночество. Ближайший к нему другой точечный источник должен находиться настолько далеко, чтобы исследователь точно знал, что обрабатываемое изображение соответствует одному источнику. Понятно, что это расстояние l должно удовлетворять условию . В этом случае анализ изображения может дать очень точные данные о положении самого источника.

Большинство объектов, размеры которых намного меньше разрешающей способности оптического микроскопа, можно представить как набор точечных источников. Источники света в таком наборе находятся друг от друга на расстояниях, намного меньших величины . Если эти источники будут светить одновременно, то сказать что-либо о том, где именно они расположены, будет невозможно. Тем не менее, если суметь заставить эти источники светить по очереди, то положение каждого них можно определить с высокой точностью. Если эта точность превышает расстояние между источниками, то, обладая знанием о положении каждого из них, можно узнать о том, каково их взаимное расположение. А это означает, что получена информация о форме и размерах объекта, который представлен как набор точечных источников. Другими словами, в таком случае можно рассмотреть в оптический микроскоп объект, размеры которого меньше, чем дифракционный предел!

Таким образом, ключевым моментом является получение информации о различных частях нанообъекта независимо друг от друга. Существуют три основные группы методов, позволяющие сделать это.

Первая группа методов целенаправленно заставляет светить ту или иную часть исследуемого объекта. Самый известный из этих методов - сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля. Рассмотрим ее подробнее.

Если внимательно изучить те условия, которые подразумеваются, когда речь идет о дифракционном пределе, обнаружится, что расстояния от объектов до линз значительно больше длины волны света. На расстояниях, сравнимых и меньших этой длины волны, картина получается другой. Вблизи любого объекта, попавшего в электромагнитное поле световой волны, существует переменное электромагнитное поле, частота изменения которого такая же, как частота изменения поля в световой волне. В отличие от световой волны, это поле быстро затухает по мере удаления от нанообъекта. Расстояние, на котором происходит уменьшение интенсивности, например, в e раз, сравнимо с размерами объекта. Таким образом, электромагнитное поле оптической частоты оказывается сконцентрированным в объеме пространства, размер которого намного меньше, чем длина волны света. Любой нанообъект, попавший в эту область, будет так или иначе взаимодействовать со сконцентрированным полем. Если тот объект, с помощью которого осуществляется это концентрирование поля, последовательно перемещать по какой-либо траектории вдоль изучаемого нанообъекта и регистрировать свет, излучаемый этой системой, то можно построить изображение по отдельным точкам, лежащим на этой траектории. Конечно, в каждой точке изображение будет выглядеть так, как показано на рисунке 2, но разрешение при этом будет определяться тем, насколько удалось сконцентрировать поле. А это, в свою очередь, определяется размерами того объекта, с помощью которого это поле концентрируется.

Самым распространенным способом такой концентрации поля является изготовление очень маленького отверстия в металлическом экране. Обычно это отверстие находится на конце заостренного и покрытого тонкой пленкой металла световода (световод часто называется оптическим волокном и широко используется для передачи данных на большие расстояния). Сейчас удается изготавливать отверстия с диаметрами от 30 до 100 нм. Таким же по величине получается и разрешение. Приборы, работающие по этому принципу, и называются сканирующими оптическими микроскопами ближнего поля. Они появились 25 лет тому назад.

Суть второй группы методов сводится к следующему. Вместо того чтобы заставлять соседние нанообъекты светить по очереди, можно использовать объекты, которые светятся разными цветами. В этом случае с помощью светофильтров, пропускающих свет того или иного цвета, можно определять положение каждого из объектов, а потом - составлять единую картину. Это очень похоже на то, что изображено на рисунке 5, только цвета для трех изображений будут различными.

Последняя группа методов, позволяющих преодолеть дифракционный предел и рассмотреть нанообъекты, использует свойства самих светящихся объектов. Существуют такие источники, которые можно «включать» и «выключать» с помощью специально подобранного света. Такие переключения происходят статистически. Иначе говоря, если имеется много переключаемых нанообъектов, то, подобрав длину волны света и его интенсивность, можно заставить «выключиться» только часть из этих объектов. Остальные объекты будут продолжать светить, и можно получить от них изображение. После этого надо «включить» все источники и снова «выключить» часть из них. Набор оставшихся «включенными» источников будет отличаться от набора, который остался «включенным» в первый раз. Повторяя такую процедуру много раз, можно получить большой набор изображений, отличающихся друг от друга. Анализируя такой набор, можно установить местоположение большой доли всех источников с очень высокой точностью, значительно превышающей дифракционный предел. Пример сверхразрешения, полученного таким способом, приведен на рисунке 6.

В настоящее время оптическая микроскопия со сверхразрешением быстро развивается. Можно со всей уверенностью предполагать, что в грядущие годы эта область будет привлекать все большее число исследователей, и хочется верить, что среди них будут и читатели этой статьи.