Для чего используется электронный микроскоп
5 разных типов микроскопов и их применение
Как и многие другие технологические устройства, микроскопы имеют очень долгую историю. Самые ранние микроскопы содержали простое увеличительное стекло с малой мощностью (до 10 раз). Их использовали для наблюдения за маленькими насекомыми, такими как блохи.
Ранние версии оптических микроскопов были разработаны в конце 15 века. Хотя изобретатель неизвестен, за эти годы было сделано несколько заявлений. Использование микроскопов для исследования органических тканей появилось только в 1644 году.
Сегодня у нас есть микроскопы, которые могут обеспечить разрешение в 50 пикометров с увеличением до 50 миллионов раз, что достаточно для наблюдения ультраструктуры различных неорганических и биологических образцов.
1. Оптические микроскопы
Оптические микроскопы являются наиболее распространенными микроскопами, которые используют свет, чтобы пройти через образец для генерации изображений. Они могут иметь очень простую конструкцию, хотя сложные оптические микроскопы направлены на повышение разрешения и контрастности образца.
В дальнейшем их можно подразделить на два типа: простые и сложные микроскопы. Простой микроскоп использует одну линзу (например, увеличительное стекло) для увеличения, в то время как сложные микроскопы используют несколько линз для увеличения образца.
Они часто оснащены цифровой камерой, поэтому образец можно наблюдать с помощью компьютера. Это позволяет провести глубокий анализ микроскопического изображения.
Оптические микроскопы могут обеспечивать увеличение до 1250 раз с теоретическим пределом разрешения 0,250 микрометров. Тем не менее развитие сверхразрешенной флуоресцентной микроскопии в последнее десятилетие привело оптическую микроскопию в наноразмерность.
Варианты оптического микроскопа
Применение
Основные оптические микроскопы часто встречаются в классах и дома. Сложные широко используются в фармацевтических исследованиях, микробиологии, микроэлектронике, нанофизике и минералогии.
Они часто используются для исследования тканей с целью изучения проявлений заболеваний. В клинической медицине исследование биопсии или хирургического образца относится к гистопатологии.
2. Электронные микроскопы
Электронный микроскоп использует пучок ускоренных электронов для получения изображения образца. Точно так же, как оптические микроскопы используют стеклянные линзы, электронные микроскопы используют фасонные магнитные поля для создания систем электронно-оптических линз.
Поскольку длина волны электрона может быть намного короче, чем у фотонов, электронные микроскопы имеют более высокую разрешающую способность и увеличение, чем обычные оптические микроскопы. Они могут выявить структуры объектов размером с пикометр.
Первый электронный микроскоп, который превысил разрешение, достигнутое с помощью оптического микроскопа, был разработан немецким физиком Эрнстом Руской в 1933 году. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для дальнейшего улучшения увеличения и разрешения микроскопа.
Современные электронные микроскопы способны увеличивать образцы до 2000000 раз, однако они все еще полагаются на прототип Руска (разработанный в 1931 году) и его связь между разрешением и длиной волны.
Электронные микроскопы имеют некоторые ограничения: они дороги в изготовлении, обслуживании и должны быть размещены в стабильных средах, таких как системы подавления магнитного поля. Также объекты должны просматриваться в вакууме.
Современный просвечивающий электронный микроскоп | Предоставлено: Дэвид Морган из Кембриджа, Великобритания.
Два основных типа электронного микроскопа
1. Просвечивающий электронный микроскоп: используется для наблюдения за тонкими образцами, через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение. Он может захватывать мелкие детали размером с колонку атомов.
В этом случае образец обычно представляет собой очень тонкий срез (
Современный сканирующий зондовый микроскоп
Распространенные типы сканирующих зондовых микроскопов
А) Атомно-силовой микроскоп: имеет разрешение порядка долей нанометра, что позволяет получать изображения практически любого типа поверхности, включая стекло, полимеры и биологические образцы.
B) Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля: может достигать производительности пространственного разрешения сверх классического дифракционного предела. Он может быть использован для изучения всех проводящих, непроводящих и прозрачных образцов.
C) Сканирующие туннельные микроскопы: могут достигать бокового разрешения 0,1 нм и глубины 0,01 нм. Образцы могут быть отображены в экстремальных условиях, при температурах от почти абсолютного нуля до более 1000 ° C.
Применение
Сканирующие зондовые микроскопы используются в широком спектре естественных наук, включая медицину, клеточную и молекулярную биологию, физику твердого тела, химию полимеров и полупроводниковую науку и технику.
Например, в молекулярной биологии этот метод микроскопии используется для анализа структуры и механических характеристик белковых комплексов и сборок. В клеточной биологии он используется для определения взаимодействия между определенными клетками и различения нормальных клеток и раковых клеток на основе твердости клеток.
В физике твердого тела он используется для изучения взаимодействия между соседними атомами и изменений в расположении атомов посредством атомных манипуляций.
4. Сканирующие акустические микроскопы
Сканирующий акустический микроскоп измеряет изменения акустического импеданса с помощью звуковых волн. Он в основном используется для неразрушающей оценки, анализа отказов и выявления дефектов в недрах материалов, в том числе обнаруженных в интегральных микросхемах.
Этот тип микроскопа был впервые разработан в 1974 году в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для повышения его точности и разрешения.
Микроскоп непосредственно фокусирует звук от датчика в маленькой точке на образце. Звук, падающий на объекты, либо поглощается, либо рассеивается под разными углами. Эти рассеянные импульсы, распространяющиеся в определенном направлении, дают полезную информацию об образце.
Разрешение образца изображения либо ограничено шириной звукового луча (зависит от частоты звука), либо физическим разрешением сканирования.
В отличие от обычных оптических микроскопов, которые позволяют наблюдать поверхность образца, акустические микроскопы фокусируются на определенной точке и получают изображения из более глубоких слоев. Кроме того, они обеспечивают более точные результаты и увеличивают объём данных, сохраняя при этом целостность образца.
Сканирующий акустический микроскоп Sonix HS 1000
Применение
Многие компании используют этот тип микроскопии в аналитических лабораториях для определения качества своих электронных компонентов. Производители также используют его для контроля качества, квалификации поставщиков, тестирования надежности продукции, а также для исследований и разработок.
В биологии эти микроскопы предоставляют полезные данные о физических силах, удерживающих структуры в определенных формах, таких как эластичность клеток и тканей. Это чрезвычайно полезно при изучении процесса подвижности клеток (способность организма самостоятельно передвигаться, используя метаболическую энергию).
5. Рентгеновский микроскоп
Рентгеновские микроскопы генерируют увеличенные изображения объектов, используя электромагнитное излучение в мягком луче. Они способны выдавать 3D-изображение компьютерной томографии относительно больших образцов с высоким разрешением.
Для идентификации рентгеновских лучей, проходящих через образец, используется детектор с зарядовой связью. Поскольку рентгеновские лучи легко проникают сквозь вещество, микроскопы этого типа могут отображать внутреннюю часть образцов, непрозрачных для видимого света.
Современные рентгеновские микроскопы позволяют наблюдать различные образцы, в том числе те, которые имеют низкий контраст поглощения и более плотный материал, например керамические композиты. Чтобы достичь этого, микроскоп изменяет длину волны рентгеновского излучения, что увеличивает контраст или проникновение.
Его разрешение лежит между оптической микроскопией и электронной микроскопией. В отличие от традиционных электронных микроскопов, рентгеновские микроскопы могут отображать толстые биологические материалы в их естественном состоянии.
Рентгеновский микроскоп ZEISS Xradia 510 Versa
Применение
Рентгеновская микроскопия оказалась чрезвычайно полезной в области медицины и материаловедения. Он был использован для анализа структуры различных тканей и образцов биопсии.
В области материаловедения рентгеновские микроскопы могут определять структуру кристалла вплоть до размещения отдельных атомов внутри его молекул. Он также обеспечивает неразрушающий, неинвазивный метод поиска дефектов в трех измерениях.
Что можно увидеть в оптический и цифровой микроскопы и как ими пользоваться
Содержание
Содержание
При проведении научных и любительских исследований невозможно обойтись без микроскопа. Он не только приблизит исследователя к новым открытиям, но и поможет рассмотреть удивительный мир, открывающийся в окружающих нас вещах. Что именно можно увидеть в микроскоп, как им пользоваться и какой лучше подойдет — в этом материале.
Что такое микроскоп
Прообраз первого микроскопа появился еще в 16 веке и с тех пор устройство прошло длинный путь своего становления и развития. Микроскопом называют прибор, предназначенный для увеличения мелких или практически не видимых человеческим глазом предметов и объектов. Процессы такого изучения называют микроскопией, которая подразделяется на категории в зависимости от вида микроскопа.
Где же можно использовать данное устройство:
На вопрос «Кто изобрел микроскоп?» до сих пор нет однозначного ответа, так как многие ученые и любители работали над похожими системами. Тем не менее часто выделяют Иоанна Липперсгея, Захария Янсена и, конечно же, Галилео Галилея.
Многие помнят или представляют микроскоп, как прибор с одним или двумя окулярами, которые при увеличении позволяют исследователю рассмотреть предмет в многократном увеличении. Это и есть классический прямой оптический микроскоп. Современная микроскопия использует множество типов приборов: электронные, инвертированные, лазерные, люминесцентные, стереоскопические и другие.
Так, например, люминесцентные подсвечивают изучаемый объект и позволяют изучать его как бы освещенным изнутри собственным светом за счет специальной лампы и системы светофильтров. А электронные, в отличие от оптических, используют вместо света пучки электронов. В общем для каждой отрасли науки и даже изучаемого объекта нужен определенный прибор. Мы же рассмотрим наиболее популярные и доступные рядовым пользователям модели.
Основные элементы микроскопа
И так, микроскопы отличаются друг от друга видами и целевым назначением. Соответственно, и устроены они по-разному. Существует две системы — оптическая и механическая. Первая включает в себя все элементы без которых микроскоп не будет микроскопом.
Окуляр
Глядя в глазной окуляр исследователь и будет изучать какой-либо объект. Окуляр дает некоторое фиксированное увеличение (10x, 20x, 25x и т.д.). Современные окуляры имеют несколько линз, встроенных в металлический корпус (тубус). В зависимости от количества окуляров микроскопы подразделяются на монокулярные, бинокулярные и тринокулярные. Бинокулярные создают стереокартинку, более удобны чем молекулярные, но в отличие от последних требуют привыкания и дополнительных настроек при использовании двух окуляров. Если используется цифровой микроскоп, то в нем окуляр как таковой отсутствует — его роль выполняет камера.
Объектив
Важнейшая и самая сложная часть прибора, позволяющая в купе с окуляром детально рассмотреть любой объект исследования. Чаще всего состоит из металлической трубки с несколькими линзами, дающими кратное увеличение. Объектив смотрит непосредственно на предмет изучения, точнее сказать — на предметный столик. Полученное с помощью объектива изображение мы и видим в окуляр.
В любительских и профессиональных устройствах может быть несколько объективов (не менее 3-х) встроенных в устройство или насадку револьверного типа. Пользователь просто проворачивает насадку и смотрит в нужный объектив. Чем больше объективов разной кратности, тем лучше для пользователя. Кратность указывается на корпусе объектива.
У каждого окуляра и объектива есть свое увеличение, которое вместе образует общее увеличение микроскопа. Чтобы высчитать его? нужно перемножить кратность увеличения окуляров и объективов. Так, например, если кратность окуляра составляет 10х, а объектива 40х, то общее увеличение будет составлять 400х. В некоторых приборах общее увеличение может составлять до 1200х. При таком увеличении можно рассматривать клетки растений и животных, строение насекомых, пыльцу растений и т.п.
Подсветка
При изучении объект, когда он расположен на подставке, необходимо подсвечивать снизу пучком света. Свет можно направить как простым зеркалом, так и более сложными устройствами, например, электроосветителями. Также подсветка может быть комбинированная для просмотра прозрачных и непрозрачных объектов. На нижних фотографиях указана комбинированная подсветка. На правом фото также виден небольшой винт регулировки подсветки.
Микроскопы используют при реставрациях образцов мировой культуры. Например, для восстановления терракотовой армии или полотен эпохи Возрождения.
А сейчас перейдем к механической системе микроскопа. Вот некоторые элементы, которые она включает в себя.
Подставка
Это основание микроскопа, отвечающее за его устойчивость. Если сюда прибавить еще и штатив, то вместе получится корпус микроскопа. На него крепятся все остальные части прибора. Чтобы фокусировать изображение, на корпусе обычно располагаются два винта, один из которых приближает или отдаляет объектив от объекта (грубая регулировка), а второй помогает произвести более тонкую фокусировку на предмете (тонкая регулировка).
Предметный столик
На него помещаются объекты для изучения. В центре столика есть небольшое круглое отверстие, через которое на предмет попадает пучок света. Снабжен зажимами. В некоторых моделях цифровых микроскопов, предметный столик отсутствует.
Дополнительные аксессуары
Помимо самого микроскопа потребуются и дополнительные инструменты, без которых работа будет невозможна или затруднительна. Главным здесь будет предметное стекло, на которое помещается предмет, подлежащий изучению. При необходимости он сверху накрывается покрывным стеклом. Также пригодятся скальпель, пипетка и пинцет. Пипетка будет полезна при наборе жидких образцов, пинцетом можно передвигать объекты изучения, а скальпелем отрезать небольшие частицы от предметов. Собирать и хранить какие-либо образцы желательно в специальных контейнерах, хотя можно обойтись и подручными средствами.
Принцип работы микроскопа
Кратко коснемся принца работы устройства и разберем его на примере оптического микроскопа. Для того, чтобы что-то рассмотреть в окуляры, нужна подсветка. В зависимости от вида прибора это может быть естественное или искусственное освещение, направление которого регулируется зеркалом. Кстати говоря, сейчас это уже устаревшая система. Все чаще используют свет, исходящий от встроенной в основание микроскопа лампы, которая питается от сети или батарейки. Подсветка лампы чаще всего регулируемая.
Поток света (естественного или от лампы) проходит через отверстие в предметном столике, пронизывает объект изучения насквозь и попадает на линзы объектива, а затем — окуляра, которые обеспечивают увеличение. Ну а далее в дело вступает опытный взгляд исследователя.
Как пользоваться оптическим микроскопом
Перед началом работы нужно подготовить рабочее место, очистить его от мусора и пыли. Желательно вымыть руки или использовать перчатки. Если есть пробелы в знаниях или сомнения, относящиеся к работе микроскопа, то обязательно нужно изучить инструкцию. В целом же работать с микроскопом не так сложно, как кажется на первый взгляд.
Изучаемый предмет помещается на предметный столик. Так можно изучать продукты питания, бумагу, насекомых, волосы и другие мелкие предметы. Несколько сложнее с жидкостью или в том случае, когда исследуемые объекты требуют предварительной подготовки. Например, тонкого среза или смеси в виде кашицы. На них нужно капнуть воды или специальной жидкости и сверху осторожно накрыть покровным стеклом. Также можно использовать готовые наборы микропрепаратов, в которые входит предметное стекло с уже нанесенным на него объектом исследования. Это может быть кошачья шерсть, голова мухи, срез дождевого червя, костная ткань, минералы и многое другое.
Далее нужно осуществить фокусировку. Винтом грубой регулировки следует приближать и отдалять предмет, пока не получится четкое изображение. После этого винтом (или колесиком) тонкой настройки добиваемся максимальной резкости картинки. Начинать фокусировать нужно с минимального значения, постепенно переключаясь на более высокое увеличение. Например, если прибор имеет два объектива значением 2х и 4х, то начинать фокусировку нужно с 2х, а затем, вращая револьверную насадку увеличивать значение.
Начав сразу же с максимального увеличения, пользователь рискует увидеть лишь малую часть объекта или же вообще ничего не увидеть. Если же прибор имеет только один объектив, то увеличение у него будет постоянным. Важно помнить, что винтом грубой фокусировки объектив приближается к предметному столику, поэтому есть большой риск сломать стекло, повредить сам объектив и даже получить порезы. Искать фокус следует не к стеклу, а от стекла. Стоит заметить, что на некоторых объективах, в первую очередь стократных, устанавливается специальная оправа, которая пружинит при встрече со стеклом. Однако, ее цель состоит не в защите линзы, а в создании более плотного контакта стекла с объективом.
Как пользоваться цифровым микроскопом
Цифровой микроскоп работает по-другому. У него отсутствует окуляр и сам он напоминает цифровую камеру, только с более многократным увеличением. Такие микроскопы можно встретить в нескольких вариантах, с различными характеристиками, назначением и соответственно ценами. Возьмем для примера стандартный настольный микроскоп, который больше относится к любительским. Подключив его через USB порт к компьютеру, пользователь также устанавливает специальное программное обеспечение, с помощью которого возможно рассмотреть изображение. После подключения, под объектив прибора размешается объект изучения, после чего исследователь сможет рассмотреть полученное изображение на мониторе компьютера. Считывается изображение посредством цифровой камеры.
Исследования через микроскоп — это не только полезно, но еще и увлекательно. Ученые используют профессиональные, мощные и дорогие устройства. Любителям же подойдут цифровые или бинокулярные оптические модели, с помощью которых можно изучать окружающий мир: насекомых, растения, продукты питания, камни, веточки деревьев и многое другое.
Электронный микроскоп
Д. Д. Галанин («Наука и жизнь» №2, 1934 год)
«Наука и жизнь» №10, 2009
Современная наука имеет глубокие корни. Гораздо более глубокие, чем может показаться на первый взгляд. Журнал «Наука и жизнь», основанный в 1890 году и возобновлённый после перерыва в октябре 1934 года, помогает проследить историю развития научно-технической мысли.
Волны и частицы
Как были открыты электроны
Представление об электронах как отдельных частичках, могущих в пустоте двигаться с большими скоростями, было создано английскими учёными В. Круксом и Дж. Дж. Томсоном в связи с рядом опытов по прохождению электричества через крайне разреженные газы.
Крукс помещал металлическую пластинку внутри стеклянной трубки, из которой выкачивался газ, и заряжал её до большого напряжения отрицательным электричеством. Если напряжение было достаточно велико, из пластинки во все стороны перпендикулярно к её поверхности начинали исходить какие-то лучи, невидимые глазу, но заставляющие стекло трубки светиться зелёным светом. Обнаружить эти лучи было очень легко, ставя между пластинкой и стеклом какой-нибудь предмет, так как на стекле получалась тень, форма которой ясно указывала, что из пластинки по прямым линиям исходят какие-то лучи, заставляющие стекло светиться (рис. 1).
Чтобы исследовать природу этих лучей, был придуман целый ряд необычайно остроумных опытов, и удалось с полной несомненностью доказать, что эти лучи представляют собой летящие с огромной скоростью частицы электричества, названные электронами.
Как можно управлять движением электронов
На рис. 2 схематично изображена стеклянная трубка, из которой выкачан воздух, снабжённая несколькими электродами, к которым можно подводить электрическое напряжение.
Электрод К (катод) заряжен отрицательно по отношению к пластинке А (анод) настолько сильно, что из него будут вылетать электроны. Обычно катод нагревают до высокой температуры, тогда напряжение между катодом и анодом может быть значительно меньше.
Электроны полетят от электрода к пластинке, и их скорость будет всё время возрастать; если в аноде сделано отверстие, то разогнавшиеся электроны, пролетая через отверстие, будут продолжать лететь с достигнутой скоростью по инерции прямолинейным пучком.
Если вдоль пучка расположить пластинку, покрытую веществом, светящимся от ударов электронов, то этот пучок делается видным в виде узкой светящейся полоски, указывающей путь электронов.
Статья об электронном микроскопе, написанная блестящим популяризатором науки, физиком и педагогом Дмитрием Дмитриевичем Галаниным, была опубликована в «Науке и жизни» 75 лет назад. Автор статьи не ошибся в своих предсказаниях: сейчас электронный микроскоп — вполне обычный научный прибор в арсенале физиков, химиков, биологов, благодаря которому можно увидеть отдельные молекулы и даже атомы. Более того, электронный микроскоп стал важнейшим инструментом нанотехнологий.
Вспомним некоторые важные научные вехи в развитии электронной микроскопии.
Поставим сверху и снизу от этого пучка летящих электронов две металлические пластинки и зарядим верхнюю пластинку (M) отрицательно, а нижнюю (N) положительно. Тогда электроны, отталкиваясь от верхней и притягиваясь к нижней, изогнут свой путь. Этот изгиб будет вполне похож на изгиб под влиянием силы тяжести струи воды, вытекающей из горизонтальной трубы. Величина изгиба будет зависеть от величины напряжения между пластинками M и N и от скорости электронов. Понятно, чем скорость будет больше, тем изгиб будет меньше и чем напряжение будет больше, тем больше будет и изгиб.
Придавая пластинкам соответствующую форму и меняя напряжение и скорость электронов, получают возможность управлять движением электронов. Надо только точно рассчитать, как эти пластинки будут влиять на полёт электронов. Это довольно трудная задача, но с ней легко может справиться хороший математик. То же отклонение пучка можно сделать при помощи магнитного поля.
Электронная линза
На рис. 3 изображён опыт с электронной линзой, из которого видно, как хорошо удаётся управлять потоком летящих электронов. Из ряда отверстий с левой стороны рисунка выходят несколько расходящихся пучков электронов, дальше они проходят через так называемую электронную линзу, состоящую из заряженных пластинок. Крайние пластинки линзы заряжены отрицательно, а средняя пластинка — положительно. Пучки электронов отклоняются линзой и пересекаются совершенно так же, как лучи света, проходящие через стеклянное оптическое стекло. На среднем рисунке напряжение сделано меньше, и пучки, отклоняясь, делаются параллельными, а на нижнем рисунке (без напряжения) остаются расходящимися.
На практике оказывается гораздо удобнее пользоваться не заряженными пластинками, а катушками, создающими магнитное поле. Влияние магнитных сил на полёт электрона несколько сложнее, но, по существу, ничем не отличается от влияния электрических сил, и при помощи магнитного поля соответственно подобранной катушки, по которой проходит электрический ток, можно также построить электронную линзу.
Электронный микроскоп
Получив возможность построить электронную линзу, нетрудно осуществить и сложный электронный микроскоп.
С внешней стороны электронный микроскоп изображён на рис. 4. Назначение отдельных частей указано на самом рисунке.
Результаты исследования при помощи электронного микроскопа
На рис. 5 представлен снимок, сделанный электронной линзой с нагретого, покрытого окисью катода, испускающего электроны. На снимке видно, что только отдельные части катода испускают электроны. Расположение этих пятен позволяет изучать структуру слоя окиси, что представляет очень большой интерес, так как такие окисные катоды применяются для катодных радиоламп.
На рис. 6 изображён тоновой снимок решётки из тонкой проволоки, причём расстояние между проволочками равно 0,3 мм. Слева — снимок при помощи электронного микроскопа, а справа — снимок при помощи светового микроскопа. Электронный снимок во всяком случае не хуже, чем световой.
Обычный световой микроскоп не может разделить двух точек или чёрточек, если расстояние между ними меньше четверти длины световой волны. Световые волны имеют заметные размеры, и поэтому «разрешающая способность» светового микроскопа достигает не более чем 0,4 μ (мкм, 10 –6 м. — Ред.), или 4000 Å (Å — ангстрем = 10 –8 см). Предел «разрешающей способности» электронного микроскопа ставится длиной волны того волнового процесса, который, согласно воззрениям современной физики, окружает летящий электрон, — длиной «волн материи» Де-Бройля.
Длина волны материи зависит от скорости летящего электрона и будет тем меньше, чем больше скорость электрона. Поэтому, увеличивая скорость электронов, можно сделать «разрешающую способность» электронного микроскопа почти безграничной. Можно подсчитать, по теории Де-Бройля, что при скорости электронов 750 вольт «разрешающая способность» электронного микроскопа уже достигает 22 ангстрем, а при легко достижимой скорости 75 000 вольт она делается около 2 ангстрем, то есть приближается к размерам атома.
Первые электронные микроскопы были построены всего 2–3 года назад (в начале 1930-х годов. — Ред.), но уже сейчас при их помощи можно получать снимки тонких листочков металла, прозрачных для электронов, с увеличением в 7–12 000 раз.
Электронный микроскоп, возможно, сделается скоро таким же обычным прибором, как световой микроскоп, и трудно сейчас представить, сколь интересные результаты могут быть получены при помощи этого прибора.
* См. статью акад. А. Ф. Иоффе в № 1, 1934 г. (перепечатана в журнале «Наука и жизнь» №10, 2004 год).