Из чего состоит оптическая часть микроскопа. Отличия между цифровыми микроскопами и оптическими. По величине апертуры объективы делятся на

Лекция №7

Методы визуализации поверхности

Оптическая микроскопия

Человеческий глаз, позволяющий нам видеть и изучать окружающий мир, представляет собой довольно простую оптическую систему, главным элементом которой является хрусталик, фактически представляющий собой линзу из жидкокристаллического вещества. Минимальные объекты, которые можно разглядеть при помощи такой оптической системы, имеют размеры около 0,1 мм, а для разглядывания и изучения более мелких предметов сперва стали применять очки или лупы, а затем и сложные конструкции из оптических линз, называемые оптическими микроскопами.

Микроскоп (от греч. mikros – малый и skopeo – смотрю) – прибор для получения сильно увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), не видимых невооруженным глазом .

Оптическая схема и принцип действия оптического микроскопа . Одна из типичных схем оптического микроскопа приведена на рис. 1. Объект 7, расположенный на предметном столике 10, освещается обычно искусственным светом от осветителя (лампа 1 и линза-коллектор 2) с помощью зеркала 4 и конденсора 6. Для увеличения объекта служит объектив 8 и окуляр 9. Объектив создает действительное перевернутое и увеличенное изображение 7" объекта 7. Окуляр образует вторично увеличенное мнимое изображение 7" обычно на расстоянии наилучшего видения D=250 мм. Если окуляр сдвинуть так, чтобы изображение 7" оказалось перед передним фокусом окуляра F ок, то изображение, даваемое окуляром, становится действительным и его можно получить на экране или фотопленке. Общее увеличение равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра: x=bX ок. Увеличение объектива выражается формулой: b=D/F об, где D – расстояние между задним фокусом объектива F об и передним фокусом окуляра F ок (так называемая оптическая длина тубуса микроскопа); F об – фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра, подобно увеличению лупы, выражается формулой: X ок = 250/F ок, где F ок – фокусное расстояние окуляра. Обычно объективы оптических микроскопов имеют увеличения от 6,3 до 100, а окуляры от 7 до 15. Поэтому общее увеличение такого микроскопа лежит в пределах от 44 до 1500. Полевая диафрагма 3 и апертурная 5 служат для ограничения светового пучка и уменьшения рассеянного света. Важной характеристикой оптического микроскопа является его разрешающая способность, определяемая как величина, обратная тому наименьшему расстоянию, на котором два соседних элемента структуры еще могут быть видимы раздельно . Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена, что объясняется дифракцией света. Вследствие дифракции изображение бесконечно малой светящейся точки, даваемое объективом такого микроскопа, имеет вид не точки, а круглого светлого диска (окруженного темными и светлыми кольцами), диаметр которого равен: d = 1,22  /А , где  – длина волны света и А –числовая апертура объектива, равная: А = n sin(a/2) (n – показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом, a – угол между крайними лучами конического светового пучка, выходящего из точки предмета и попадающего в объектив). Если две светящиеся точки расположены близко друг от друга, их дифракционные картины накладываются одна на другую, давая в плоскости изображения сложное распределение освещенности. Наименьшая относительная разница освещенностей, которая может быть замечена глазом, равна 4%. Этому соответствует наименьшее расстояние, разрешаемое в оптическом микроскопе, d=0,51  /А . Для несамосветящихся объектов предельное разрешение d пр составляет  /(А+А") , где А" – числовая апертура конденсора микроскопа. Таким образом, разрешающая способность (1/d ) прямо пропорциональна апертуре объектива и для ее повышения пространство между предметом и объективом заполняется жидкостью с большим показателем преломления. Апертуры иммерсионных объективов большого увеличения достигают величины А =1,3 (у обычных «сухих» объективов А =0,9). Существование предела разрешающей способности влияет на выбор увеличения оптического микроскопа. Увеличение оптического микроскопа в пределах 500А – 1000А называется полезным, так как при нем глаз различает все элементы структуры объекта, разрешаемые микроскопом. При увеличениях свыше 1000А не выявляются никакие новые подробности структуры объекта; все же иногда такие увеличения применяются, например, в микрофотографии, при микропроекции.

Методы наблюдения при оптической микроскопии . Структуру объекта можно различить, если разные его части по-разному поглощают и отражают свет, либо отличаются одна от другой (или от среды) показателями преломления. Эти свойства обусловливают разницу амплитуд и фаз световых волн, отраженных или прошедших через различные участки объекта, от чего, в свою очередь, зависит контрастность изображения. Поэтому методы наблюдения, применяемые в оптической микроскопии, выбираются в зависимости от характера и свойств изучаемого объекта.

Метод светлого поля в проходящем свете применяется при исследовании прозрачных объектов с включенными в них абсорбирующими (поглощающими свет) частицами и деталями. Таковы, например, тонкие окрашенные срезы животных и растительных тканей, тонкие шлифы минералов и материалов радиоэлектроники. В отсутствии объекта пучок лучей из конденсора 6 (см. рис. 1) проходит через объектив 8 и дает равномерно освещенное поле вблизи фокальной плоскости окуляра 9. Если в объекте 7 имеется абсорбирующий объект, то он отчасти поглощает и отчасти рассеивает падающий на него свет (штриховая линия), что и обусловливает, согласно дифракционной теории, возникновение изображения. Метод может быть полезен и при неабсорбирующих объектах, если они рассеивают освещающий пучок настолько сильно, что значительная часть пучка не попадает в объектив.

Метод светлого поля в отраженном свете (рис. 2) применяется для наблюдения непрозрачных объектов, например, шлифов металлов 4.

Освещение объекта производится от осветителя 1 и полупрозрачного зеркала 2 сверху через объектив 3, который выполняет одновременно и роль конденсора. Изображение создается в плоскости 6 объективом совместно с тубусной линзой 5; структура объекта видна из-за различия в отражающей способности ее элементов; на светлом поле выделяются неоднородности, рассеивающие падающий на них свет.

Метод темного поля в проходящем свете (рис. 3) применяется для получения изображений прозрачных, неабсорбирующих объектов. Свет от осветителя 1 и зеркала 2 проходит специальный конденсор темного поля 3 в виде полого конуса и непосредственно в объектив 5 не попадает. Изображение создается только светом, рассеянным микрочастицами объекта 4. В поле зрения 6 на темном фоне видны светлые изображения частиц, отличающихся от окружающей среды по показателю преломления.

Метод ультрамикроскопии , основанный на этом же принципе (освещение объекта в ультрамикроскопах производится перпендикулярно направлению наблюдения), дает возможность обнаруживать сверхмелкие детали, размеры которых (2 нм) лежат далеко за пределами разрешения оптического микроскопа. Возможность обнаружения таких объектов, например, мельчайших коллоидных частиц, с помощью ультрамикроскопа обусловлена дифракцией света на них. При сильном боковом освещении каждая частица в ультрамикроскопе отмечается наблюдателем как яркая точка (светящееся дифракционное пятно) на темном фоне. Вследствие дифракции на мельчайших частицах рассеивается очень мало света. Поэтому в ультрамикроскопии применяют, как правило, сильные источники света. В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности показателей преломления частицы и среды обнаруживаемые частицы имеют размеры (2–50) нм. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц: ультрамикроскоп не дает изображений оптических исследуемых объектов. Однако, используя ультрамикроскоп, можно установить наличие и численную концентрацию частиц, изучать их движение, а также рассчитать средний размер частиц, если известна их весовая концентрация и плотность. Ультрамикроскоп создали в 1903г. немецкий физик Г. Зидентопф и австрийский химик Р. Зигмонди. В предложенной ими схеме щелевого ультрамикроскопа (рис. 4, а) исследуемая система неподвижна. Кювета 5 с изучаемым объектом освещается источником света 1 (2 – конденсор; 4 – осветительный объектив) через узкую прямоугольную щель 3, изображение которой проецируется в зону наблюдения.

В окуляр наблюдательного микроскопа 6 видны светящиеся точки частиц, находящихся в плоскости изображения щели. Выше и ниже освещенной зоны присутствие частиц не обнаруживается. В поточном ультрамикроскопе (рис. 4, б) изучаемые частицы движутся по трубке навстречу глазу наблюдателя. Пересекая зону освещения, они регистрируются как яркие вспышки визуально или с помощью фотометрического устройства. Регулируя яркость освещения наблюдаемых частиц подвижным фотометрическим клином 7, можно выделять для регистрации частицы, размер которых превышает заданный предел. Ультрамикроскоп применяют при исследованиях дисперсных систем, для контроля чистоты атмосферного воздуха, воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями.

При наблюдении по методу темного поля в отраженном свете (рис. 5) непрозрачные объекты (например, шлифы металлов) освещают сверху специальной кольцевой системой, расположенной вокруг объектива и называемой эпиконденсором .

Лучи света от лампы осветителя темного поля 1, отражающиеся от эпиконденсора 2 и падающие под углом к поверхности подложки 3, рассеиваются инородными частицами. Эти рассеянные от инородных частиц лучи света проходят через линзы объектива микроскопа 4 и 5, отражаются от зеркала призмы микроскопа 6 и, проходя через линзу окуляра микроскопа 7, различаются наблюдателем в виде светящихся точек в темном поле.

Метод наблюдения в поляризованном свете (в проходящем и отраженном) применяется для исследования анизотропных объектов, таких как минералы, руды, зерна в шлифах сплавов, некоторые животные и растительные ткани и клетки. Оптическая анизотропия – это различие оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и его поляризации . Поляризация света – физическая характеристика оптического излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн , то есть неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Поперечность электромагнитных волн лишает волну осевой симметрии относительно направления распространения из-за наличия выделенных направлений (вектора Е – напряженности электрического поля и вектора Н – напряженности магнитного поля) в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поскольку векторы Е и Н электромагнитной волны перпендикулярны друг другу, для полного описания состояния поляризации светового пучка требуется знание поведения лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирается вектор Е. Свет, испускаемый каким-либо отдельно взятым элементарным излучателем (атомом, молекулой), в каждом акте излучения всегда поляризован. Но макроскопические источники света состоят из огромного числа таких частиц-излучателей; пространственные ориентации векторов Е и моменты актов испускания света отдельными частицами в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем излучении направление Е в каждый момент времени непредсказуемо. Подобное излучение называется неполяризованным , или естественным светом. Свет называется полностью поляризованным , если две взаимно перпендикулярные компоненты (проекции) вектора Е светового пучка совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз. Обычно состояние поляризации света изображается с помощью эллипса поляризации – проекции траектории конца вектора Е на плоскость, перпендикулярную лучу (рис. 6)

Оптическая анизотропия проявляется в двойном лучепреломлении, изменении поляризации света и во вращении плоскости поляризации, происходящем в оптически активных веществах. Естественная оптическая анизотропия кристаллов обусловлена неодинаковостью по различным направлениям поля сил, связывающих атомы решетки. Естественная оптическая активность веществ, которые проявляют ее в любом агрегатном состоянии, связана с асимметрией строения отдельных молекул таких веществ и обусловленным ею различием во взаимодействии этих молекул с излучением различных поляризаций, а также с особенностями возбужденных состояний электронов и «ионных остовов» в оптически активных кристаллах. Наведенная (искусственная) оптическая анизотропия возникает в средах, от природы оптически изотропных под действием внешних полей, выделяющих в таких средах определенное направление. Это может быть электрическое поле, магнитное поле, поле упругих сил, а также поле сил в потоке жидкости. В методе наблюдения в поляризованном свете с помощью анализаторов и компенсаторов, которые включены в оптическую систему, изучается изменение поляризации света, прошедшего через объект.

Метод фазового контраста служит для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля. К числу таких объектов относятся, например, живые неокрашенные животные ткани. Метод основан на том, что даже при малом различии показателей преломления объекта и среды световая волна, прошедшая сквозь них, претерпевает разные изменения по фазе и приобретает фазовый рельеф . Эти фазовые изменения преобразуются в изменения яркости («амплитудный рельеф») с помощью специальной фазовой пластинки (фазового кольца), расположенной вблизи заднего фокуса объектива. Лучи, прошедшие через объект, полностью проходят через фазовое кольцо, которое изменяет их фазу на /4. В то же время лучи, рассеянные в объекте (отклоненные), не попадают в фазовое кольцо и не получают дополнительного сдвига фазы. С учетом фазового сдвига в объекте разность фаз между лучами отклоненными и неотклоненными оказывается близкой к 0 или /2, и в результате интерференции света в плоскости изображения объекта они заметно усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры объекта, в котором распределение яркостей воспроизводит указанный выше фазовый рельеф.

Метод интерференционного контраста состоит в том, что каждый луч, входящий в микроскоп, раздваивается: один проходит сквозь наблюдаемую частицу, а второй – мимо нее. В окулярной части микроскопа оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Результат интерференции определяется разностью хода лучей d , которая выражается формулой: d=N  =(n 0 -n m )d 0 , где n 0 , n m – показатели преломления соответственно частицы и окружающей среды, d 0 – толщина частицы, N – порядок интерференции. Принципиальная схема одного из способов осуществления интерференционного контраста показана на рис. 4. Конденсор 1 и объектив 4 снабжены двоякопреломляющими пластинками (помечены на рисунке диагональными стрелками), первая из которых расщепляет исходный световой луч на два луча, а вторая воссоединяет их. Один из лучей, проходя через объект 3, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом); величина этого запаздывания измеряется компенсатором 5. Метод интерференционного контраста в некоторых отношениях сходен с методом фазового контраста – оба они основаны на интерференции лучей, прошедших через микрочастицу и миновавших ее. Отличие интерференционного метода от метода фазового контраста заключается главным образом в возможности с высокой точностью (до /300) измерять разности хода, вносимые микрообъектом, используя компенсаторы. На основании этих измерений можно производить количественные расчеты, например, общей массы и концентрации сухого вещества в клетках биологических объектов.

Метод исследования в свете люминесценции основан на том, что под микроскопом изучается зелено-оранжевое свечение объекта, возникающее при его освещении сине-фиолетовым или УФ светом. Для этой цели перед конденсором и после объектива микроскопа вводят соответствующие светофильтры. Первый из них пропускает от источника-осветителя только излучение, вызывающее люминесценцию объекта, второй (после объектива) пропускает к глазу наблюдателя только свет люминесценции. Метод применяется в микрохимическом анализе, дефектоскопии.

Метод наблюдения в УФ лучах позволяет увеличить предельную разрешающую способность микроскопа, пропорциональную 1/. Этот метод расширяет возможности микроскопических исследований также за счет того, что частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ излучение определенных длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ изображениях. Изображения в УФ микроскопии регистрируют либо фотографированием, либо с помощью электронно-оптического преобразователя или люминесцирующего экрана.

Метод наблюдения в ИК лучах также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путем его фотографирования или с помощью электронно-оптического преобразователя. ИК микроскопия позволяет изучать внутреннюю структуру объектов, непрозрачных в видимом свете, например, темных стекол, некоторых кристаллов, минералов.

Основные узлы оптического микроскопа . Кроме указанных выше оптических узлов (например, объектив, окуляр), в оптическом микроскопе имеются также штатив или корпус, предметный столик для крепления исследуемого объекта, механизмы для грубой и точной фокусировки, устройство для крепления объективов и тубус для установки окуляров. Применение того или иного типа конденсора (светлопольные, темнопольные и т. д.) зависит от выбора необходимого метода наблюдения. Объективы в большинстве современных оптических микроскопов съемные. Объективы различаются:

а) по спектральным характеристикам – на объективы для видимой области спектра и для УФ и ИК микроскопии (линзовые и зеркально-линзовые);

б) по длине тубуса, на которую они рассчитаны (в зависимости от конструкции микроскопа);

в) по среде между объективом и объектом – на сухие и иммерсионные;

г) по методу наблюдения – на обычные, фазово-контрастные и др.

Тип применяемого окуляра при данном методе наблюдения определяется выбором объектива оптического микроскопа. Приспособления к оптическим микроскопам позволяют улучшить условия наблюдения и расширить возможности исследований, осуществлять разные виды освещения объектов, определять размеры объектов, фотографировать объекты через микроскоп, и т. п. Типы микроскопов определяются либо областью применения, либо методом наблюдения. Например, биологические микроскопы предназначены для исследований в микробиологии, гистологии, цитологии, ботанике, медицине, а также для наблюдения прозрачных объектов в физике, химии и т. д. Металлографические микроскопы предназначены для исследования микроструктур металлов и сплавов. Снятые с помощью такого микроскопа микрофотографии нетравленого шлифа металла представлены на рис. 5 (а – в светлом поле, б – с фазово-контрастным устройством). Поляризационные микроскопы снабжены дополнительно поляризационными устройствами и предназначены главным образом для исследования шлифов минералов и руд. Стереомикроскопы служат для получения объемных изображений наблюдаемых предметов. Измерительные микроскопы предназначены для различных точных измерений в машиностроении. Кроме этих групп микроскопов имеются специализированные оптические микроскопы , например: микроустановка для киносъемки быстрых и медленных процессов (движение микроорганизмов, процессы деления клеток, роста кристаллов и т. п.); высокотемпературные микроскопы для исследования объектов, нагретых до 2000°С; хирургические микроскопы слабого увеличения , применяемые при операциях. Весьма сложными приборами являются микроспектрофотометрические установки для определения спектров поглощения объектов, телевизионные анализаторы микроизображений и др.

Как уже было сказано, независимо от вида используемых линз и способа их соединения, разрешающая способность оптических микроскопов ограничивается основным правилом оптической техники, сформулированным еще в 1873г. (так называемый дифракционный предел разрешения Рэлея), в соответствии с которым минимальные размеры различаемых деталей рассматриваемого объекта не могут быть меньше, чем половина длины волны света, используемого для освещения. Поскольку самые короткие длины волн диапазона соответствуют примерно 400 нм, разрешающая способность оптических микроскопов принципиально ограничена половиной этой величины, то есть составляет около 200 нм. Единственным выходом из возникшей ситуации стало создание приборов, в которых используются волновые излучения с меньшей длиной волны, то есть излучения не световой природы.

Электронная микроскопия

В квантовой механике электрон может рассматриваться в качестве волны, на которую, в свою очередь, можно воздействовать электрическими или магнитными линзами (в полной аналогии с законами привычной геометрической оптики). На этом основан принцип действия электронных микроскопов, позволяющих значительно расширить возможности исследования вещества на микроскопическом уровне (за счет увеличения разрешающей способности на порядки). В электронном микроскопе вместо света используются сами электроны, представляющие собой в данной ситуации излучение со значительно более короткой длиной волны (примерно в 50 000 раз меньше световой). В таких устройствах вместо стеклянных линз, естественно, применяются электронные линзы (то есть поля соответствующей конфигурации). Электронные пучки не могут распространяться без рассеяния даже в газовых средах, поэтому внутри электронного микроскопа, вдоль всей траектории электронов, должен поддерживаться высокий вакуум (давление до 10 –6 мм.рт.ст. или 10 –4 Па). Электронные микроскопы разделяются на два больших класса по методике применения: просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) и сканирующие (СЭМ) или по-другому растровые (РЭМ). Основное различие между ними заключается в том, что в ПЭМ электронный пучок пропускается через очень тонкие слои исследуемого вещества, с толщиной менее 1 мкм (как бы «просвечивая» эти слои насквозь), а в сканирующих микроскопах электронный пучок последовательно отражается от маленьких участков поверхности (структура поверхности и ее характерные особенности могут быть определены при этом регистрацией отраженных электронов или вторичных электронов, возникающих при взаимодействии пучка с поверхностью).

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) . Конструкция ПЭМ похожа на схему обычного оптического микроскопа (рис. 1), только вместо лучей света используются электроны (то есть соответствующие им волны). Первое устройство такого типа было создано в 1932г. немецкими учеными М. Кноллом и Е. Руска. В таком микроскопе источник света заменен так называемой электронной пушкой (источником электронов). Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Металлический катод 2 испускает электроны, которые собираются в пучок с помощью фокусирующего электрода 3 и получают энергию под действием сильного электрического поля в пространстве между катодом и анодом 1. Для создания этого поля к электродам прикладывается высокое напряжение – 100 кВ и более. Выходящий из электронной пушки пучок электронов с помощью линзы-конденсора 4 направляется на рассматриваемый объект, который рассеивает, отражает и поглощает электроны. Они фокусируются линзой-объективом 5, которая создает промежуточное изображение объекта 7. Проекционная линза 6 снова собирает электроны и создает второе, еще более увеличенное изображение объекта на люминесцентном экране, на котором под действием электронов создается светящееся изображение объекта. С помощью помещенной под экраном фотопластины получают фотографию рассматриваемого объекта.

МИКРОСКОП - оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов или деталей их структуры, не видимых невооруженным глазом; относится к числу наиболее распространенных приборов, применяемых в биологии и медицине.

Историческая справка

Способность систем из двух линз увеличивать изображение предметов была известна мастерам, изготовлявшим очки (см.). О таких свойствах полушаровидных и плосковыпуклых линз знали оптики-ремесленники Нидерландов и Сев. Италии в 16 в. Есть сведения, что приблизительно в 1590 г. прибор типа М. был построен Янсеном (Z. Jansen) в Нидерландах.

Сначала появились» простые М., состоящие из одного объектива (см. Лупа), а затем были сконструированы более сложные М., имеющие, кроме объектива, и окуляр.

Быстрое распространение и совершенствование М. началось после того, как Галилей (G. Galilei), совершенствуя сконструированную им зрительную трубу, стал использовать ее как своеобразный М. (1609 -1610), изменяя расстояние между объективом и окуляром.

Позднее, в 1624 г., добившись изготовления более короткофокусных линз, Галилей значительно уменьшил габариты своего микроскопа.

В 1625 г. членом Римской «Академии зорких» («Academia dei lincei») И. Фабером был предложен термин «микроскоп».

Первые успехи, связанные с применением М. в научных биол, исследованиях, были достигнуты Гуком (R. Hooke), к-рый первым описал растительную клетку (ок. 1665 г.).

А. Левенгук с помощью М. обнаружил и зарисовал сперматозоиды, различных простейших, детали строения костной ткани (1673 - 1677).

В 1668 г. Б]. Дивини, присоединив к окуляру полевую линзу, создал окуляр современного типа; в 1673 г. Гавелий ввел микрометрический винт, а Гертель предложил под столик микроскопа поместить зеркало. Таким образом, М. стали монтировать из тех основных деталей, к-рые входят в состав современного биол. М.

В начале 18 в. М. появились в России; здесь Эйлер (Z. Euler) впервые разработал методы расчета оптических узлов микроскопа.

В 18 и 19 вв. М. продолжали совершенствоваться. В 1827 г. Амичи (G. В. Amici) впервые применил в М. иммерсионный объектив.

В конце 18 - начале 19 в. была предложена конструкция и дан расчет ахроматических объективов для М., благодаря чему их оптические качества значительно улучшились, а увеличение объектов, обеспечиваемое такими М., возросло с 500 до 1000 раз.

В 1850 г. англ. оптик Сорби (Н. С. Sorby) сконструировал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете.

В 1872-1873 гг. Аббе (Е. Abbe) разработал ставшую классической теорию образования изображений несамосветящихся объектов в М. Труды англ. оптика Дж. Сиркса (1893) положили начало интерференционной микроскопии.

В 1903 г. Р. Жигмонди и Зидентопф (H. Siedentopf) создали ультрамикроскоп, в 1911 г. Саньяком (М. Sagnac) был описан первый двухлучевой интерференционный М., в 1935 г. 3ернике (F. Zernicke) предложил использовать метод фазового контраста для наблюдения в М. прозрачных, слабо рассеивающих свет объектов. В середине 20 в. был изобретен электронный микроскоп, в 1953 г. финским физиологом Вильской (A.Wilska) был изобретен аноптральный М.

Большой вклад в разработку проблем теоретической и прикладной оптики, усовершенствование оптических систем М. и микроскопической техники внесли М. В. Ломоносов, И. П.Кулибин, Л. И. Мандельштам, Д. С. Рождественский, А. А. Лебедев, С. И. Вавилов, В.П. Линник, Д. Д. Максутов и др.

Устройство биологического микроскопа

Биологический М. (рис. 1) крепится на массивном штативе (основании), чаще всего имеющем подковообразную форму. Основание снабжено кронштейном, внутри которого находится коробка микромеханизма тонкой настройки тубуса М. Кроме того, коробка микромеханизма имеет направляющую для кронштейна конденсора. Сверху к коробке микромеханизма при помощи особого кронштейна прикреплен вращающийся центрирующийся столик. Дугообразный тубусодержатель в нижней своей части снабжен макровинтом с двумя барашками, служащим для грубого движения тубуса. Верхняя часть тубусодержателя снабжена снизу головкой для крепления револьвера с гнездами для объективов, а сверху - специальным посадочным гнездом для крепления сменных тубусов: бинокулярной насадки для визуальных исследований и монокулярного прямого тубуса для фотографирования.

Предметный столик М. имеет устройство для перемещения рассматриваемого препарата в направлениях, перпендикулярных друг другу. Отсчет передвижения препарата в том или другом направлении может быть произведен по шкалам с нониусами с точностью до 0,1 мм.

Рис. 2. Принципиальная оптическая схема биологического микроскопа с осветителем: 1 - глаз наблюдателя; 2 - окуляр; 3 - рассматриваемый объект (препарат); 3 - образуемое окуляром мнимое перевернутое изображение объекта, лучи от которого, проходя через оптические системы глаза наблюдателя, создают на сетчатке глаза действительное изображение объекта; 3" - перевернутое и увеличенное действительное изображение объекта; 4 - объектив; 5 - конденсор, концентрирующий на объекте пучок света, отражающегося от зеркала; 6 - апертурная диафрагма; 7 - зеркало; 8 - полевая диафрагма; 9 - линза-коллектор осветителя; 10 - источник света; 11 - предметное стекло, на котором располагают рассматриваемый объект; D - расстояние наилучшего видения; стрелками показан ход лучей в оптической системе микроскопа.

Принципиальная оптическая схема биол. М. приведена на рисунке 2.

Лучи света, отраженные зеркалом, собираются конденсором. Конденсор (рис. 3) состоит из нескольких линз, вмонтированных в металлическую оправу, закрепляемую винтом в гильзе кронштейна конденсора, и представляет собой светосильный короткофокусный объектив. Светосила (апертура) конденсора зависит от числа линз. В зависимости от методов наблюдения применяют различные виды конденсоров: конденсоры светлого и темного поля; конденсоры, создающие косое освещение (под углом к оптической оси М.); конденсоры для исследования по методу фазового контраста и др. Конденсор темного поля для проходящего света обеспечивает освещение препарата полым конусом света с большим углом; конденсор для отраженного света представляет собой кольцеобразную зеркальную или зеркально-линзовую систему вокруг объектива, так наз. эпиконденсор.

Между зеркалом и конденсором расположена ирисовая диафрагма (ирис-диафрагма), иначе называемая апертурной, т. к. степень ее раскрытия регулирует апертуру конденсора, к-рая всегда должна быть чуть-чуть ниже апертуры применяемого объектива. Диафрагма в конденсоре может располагаться и между его отдельными линзами.

Основным оптическим элементом М. является объектив. Он дает действительное перевернутое и увеличенное изображение изучаемого объекта. Объективы представляют собой систему взаимно центрированных линз; ближняя к объекту линза называется фронтальной. Даваемое ею действительное изображение объекта страдает рядом аберраций (см.), свойственных каждой простой линзе, к-рые устраняются вышележащими коррекционными линзами. Большинство этих линз весьма сложно: они изготовлены из разных сортов стекла или даже других оптических материалов (напр., флюорита). Объективы по степени исправления аберраций делятся на несколько групп. Наиболее простыми являются ахроматические объективы, у них исправлена хроматическая аберрация для двух длин волн и сохраняется лишь небольшая остаточная окраска изображения (ореол). Несколько меньшие хроматические аберрации имеют полуапохроматические, или флюоритовые, системы: их хроматическая аберрация исправлена для трех длин волн. Планахроматические и планапохроматические системы устраняют кривизну изображения (т. е. дают плоское поле изображения) и хроматические аберрации. Каждый объектив характеризуется свойственным ему собственным увеличением, фокусным расстоянием, численной апертурой и нек-рыми другими константами. Собственное увеличение зависит от переднего фокусного расстояния объектива, по величине к-рого объективы делятся на сильные (с фокусным расстоянием 1,5-3 мм), среднесильные (с фокусным расстоянием 3,5 мм), средние (фокусное расстояние 5-12 мм) у слабые (фокусное расстояние 12-25 мм) и слабейшие (фокусное расстояние более 25 мм).

Численная апертура объективов (и конденсоров) определяется произведением Sin половины отверстного угла, под к-рым объект «видит» центр фронтальной линзы объектива (ее «зрачок») и фронт линзы конденсора, на показатель преломления среды, заключенной между этими оптическими системами. Если этой средой является воздух, чередующийся с пластинкой предметного стекла, на к-ром лежит объект, то численная апертура не может быть выше 0,95, т. к. показатель преломления воздуха равен 1. Для того чтобы повысить численную апертуру, объектив погружают (иммергируют) в воду, глицерин или иммерсионное масло, т. е. в такую среду, показатель преломления к-рой выше 1. Такие объективы называют иммерсионными. Объективы М. для изучения объектов в проходящем свете рассчитаны на применение покровных стекол, объективы для исследований в падающем свете позволяют рассматривать объект без покровного стекла.

Рис. 4. Схематическое изображение окуляра Гюйгенса (I) и хода лучей в нем, образующих изображение (II): 1,9 - полевая линза; 2,6 - диафрагма; 3 - оправа окуляра; 4,8 - глазная линза; 5 - главная оптическая ось; 7 - выходной зрачок; 10 - первичное изображение; H и H" - основные плоскости.

Изображение, к-рое дает объектив, рассматривают через оптическую систему, называемую окуляром. Изображение в окуляре - увеличенное мнимое. Увеличение окуляров обычно указано на их оправе, напр. 5х, 10х, 15х и т.п. Окуляры можно разделить на две основные группы: нормальные, с обычным полем зрения, и широкоугольные. Из различных систем окуляров наиболее распространенными являются окуляр Гюйгенса и окуляр Рамсдена. Окуляр Гюйгенса (рис. 4), который состоит из двух плоско-выпуклых линз, обращенных выпуклой стороной к объективу, применяется при работе с ахроматическими и планахроматическими объективами при небольших увеличениях. Окуляр Рамсдена (рис. 5) состоит также из двух плоско-выпуклых линз, но обращенных выпуклыми сторонами друг к другу. Этот окуляр можно использовать и в качестве лупы (см.).

Для исправления (компенсации) остаточных хроматических аберраций объектива служат так наз. компенсационные окуляры; наиболее сильные из них дают увеличение в 20 раз.

Компенсационные окуляры состоят из комбинации склеенных и одиночных линз, подобранных таким образом, что их хроматическая ошибка обратна остаточному хроматизму апохроматического объектива, и поэтому компенсирующих остаточный хроматизм объектива. Фотоокуляры и проекционные окуляры служат для проектирования изображения на фотопленку или экран. В нек-рых случаях в М. вместо окуляров применяют так наз. гомалы - оптические системы, исправляющие кривизну изображения апохроматических объективов и предназначенные для проектирования изображения и фотографирования. Для измерения размеров изучаемых микроскопических объектов применяют окуляр-микрометр (см.).

Осветители для микроскопа

Источником света для М. могут служить самые разнообразные лампы: лампы накаливания, ртутно-кварцевые и др.

При работе с мощными источниками света для предохранения препаратов от перегревания или высыхания применяют теплозащитные фильтры (цельностеклянные или заполненные жидкостью полупрозрачные пластинки), поглощающие световые лучи неиспользуемых длин волн (напр., лучи длинноволнового участка спектра) и тепловые лучи. При исследовании препарата в проходящем свете источник света располагается под объектом, при исследовании в отраженном свете - над объектом или сбоку от него. В нек-рых, гл. обр. исследовательских, М., напр. МБИ-6, МБИ-15 и др., специальные осветители входят в состав конструкции М. В других случаях применяют выпускаемые промышленностью осветители различных марок. Нек-рые из них имеют трансформаторы, стабилизирующие напряжение, подаваемое на лампу, и реостаты для регулирования накала лампы.

Наиболее простым по устройству является осветитель ОС-14. Его применяют при наблюдении микрообъектов в проходящем свете в светлом поле. Осветитель ОИ-19 имеет более интенсивный источник света и используется для наблюдений в светлом и темном полях, методом фазового контраста и пр., а также для микрофотографирования в светлом поле. Осветитель ОИ-25 предназначен для наблюдений в проходящем свете. Он устанавливается непосредственно под конденсором вместо зеркала. Этот осветитель часто используют при работе с портативными моделями М. Осветитель ОИ-9М применяют гл. обр. при работе в проходящем свете с поляризационными М.; осветитель ОИ-24 используют при работе с биологическими и поляризационными М. Он предназначен для фотографирования микрообъектов и имеет набор светофильтров. Люминесцентный осветитель СИ-18 применяют для работы с биол., люминесцентными и другими М. Источником света в нем служит ртутно-кварцевая лампа, позволяющая работать со светом УФ-части спектра, как проходящим, так и отраженным.

Оптическая схема и принцип действия микроскопа

Построение изображения в М. можно объяснить с точки зрения геометрической оптики. Лучи света от источника света через зеркало и конденсор попадают на объект. Объектив строит действительное изображение объекта. Это изображение рассматривается через окуляр. Общее увеличение М. (Г) определяется как произведение линейного увеличения объектива (β) на угловое увеличение окуляра (Г ок) : Г = β*Г ок; β = Δ/f" об, где Δ - расстояние между задним фокусом объектива и передним фокусом окуляра, a f" об - фокусное расстояние объектива. Увеличение окуляра Г ок = 250/f" ок, где 250 - расстояние от глаза до изображения в мм, f" ок - фокусное расстояние окуляра. Увеличение объективов обычно составляет от 6,3 до 100, а окуляров - от 7 до 15. Общее увеличение М. находится в пределах 44-1500; его можно подсчитать путем умножения величин, характеризующих увеличение окуляра и объектива. Технически возможно создать М., объективы и окуляры к-рых дадут общее увеличение, значительно превышающее 1500. Однако обычно это нецелесообразно. Существенный вклад в построение изображения в М. вносят явления дифракции и интерференции света. Каждая малая точка освещенного объекта, согласно теории Гюйгенса, сама становится как бы центром новой световой волны, распространяющейся по всем направлениям. Все возникающие волны при этом интерферируют, образуя дифракционные спектры, при этом возникают темные и светлые участки (минимумы и максимумы). По теории Аббе изображение в М. получается подобным объекту лишь в том случае, если в объектив попадут все достаточно интенсивные максимумы. Чем меньше максимумов участвует в построении изображения объекта, тем меньше изображение сходно с объектом.

Типы микроскопов

Кроме биологического М. различают стереоскопический, контактный, темнопольный, фазово-контрастный, интерференционный, ультрафиолетовый, инфракрасный, поляризационный, люминесцентный, рентгеновский, сканирующий, телевизионный, голографический, микроскопы сравнения и другие типы М. Нек-рые из них, напр, фазово-контрастный и люминесцентный, могут быть при необходимости созданы на базе обычного биол. М. с помощью соответствующих приставок.

Стереоскопический микроскоп представляет собой, по сути дела, два М., объединенных единой конструкцией таким образом, что левый и правый глаза видят объект под разными углами. Это дает стереоскопический эффект, облегчающий исследование многих объемных объектов. Этот М. широко применяется в различных сферах медико-биологических исследований. Особенно необходим он при проведении микроманипуляций в ходе наблюдения (биол, исследования, микрохирургических операций и т. п.). Удобство ориентировки в поле зрения М. создается включением в его оптическую схему призм, к-рые играют роль оборачивающих систем: изображение в таких стереоскопических М. прямое, а не перевернутое.

Стереоскопические М. имеют, как правило, небольшое увеличение, не более чем в 120 раз. Выпускаемые М. можно разделить на две группы: М. с двумя объективами (БМ-56 и др.) и М. с одним объективом (МБС-1, МБ С-2, МБС-3 и др.). Бинокулярный М. БМ-56 является наиболее простым из стереоскопических М. и состоит из двух самостоятельных оптических систем, каждая из к-рых дает отдельное изображение.

Стереоскопический М. МБС-1 работает в проходящем и отраженном свете (рис. 6). Стереоскопический М. МБ С-2 имеет универсальный штатив, к-рый позволяет работать с объектами больших размеров. Стереоскопический М. МБС-3 отличается от предыдущих оптической конструкцией, в к-рой в значительной степени уменьшена сферохроматическая аберрация, исправлена кривизна изображения.

Существуют также специальный бинокулярный налобный М., предназначенный для микрохирургических операций (см. Микрохирургия , Микрургия), и операционный микроскоп (см.).

Микроскопы сравнения состоят из двух конструктивно объединенных обычных М. с единой окулярной системой. В таком М. в двух половинах поля зрения видны изображения сразу двух объектов, что дает возможность сравнивать их по цвету, структуре, распределению элементов и т. д. М. такого типа применяют при сравнительном изучении каких-либо объектов в норме и патологии, прижизненном состоянии и после фиксации или окраски различными методами. М. сравнения используются и в судебной медицине.

Контактный микроскоп , используемый для прижизненного изучения различных биол, структур, отличается от других М. наличием особых контактных объективов, к-рые представляют собой видоизмененные иммерсионные объективы. К ним первоначально приклеивали тонкую пластинку стекла и создавали непосредственный контакт с поверхностью изучаемого объекта. В 1963 г. А. П. Грамматин предложил и рассчитал объективы, предназначенные специально для контактной микроскопии. Фокусировка в контактном М. осуществляется специальной оптической системой, т. к. объектив неподвижно прижат к объекту. В флюоресцентном контактном М. изучаемый участок объекта освещается коротковолновыми лучами через контактный объектив с помощью опак-иллюминатора с интерференционным светоделителем.

Темнопольный микроскоп , используемый в работе по методу темного поля (см. Темнопольная микроскопия), позволяет наблюдать изображения прозрачных, не поглощающих свет объектов, не видимых при освещении по методу светлого поля. Такими объектами часто являются биол. объекты. В темнопольном М. свет от осветителя и зеркала направляется на препарат специальным конденсором, так наз. конденсором темного поля. По выходе из конденсора основная часть лучей света, не изменившая своего направления при прохождении через прозрачный препарат, образует пучок в виде полого конуса, к-рый не попадает в объектив, находящийся внутри этого конуса. Изображение в темнопольном М. создается лишь небольшой частью лучей, рассеянных микрочастицами препарата внутрь этого полого конуса и прошедшими через объектив. Темно-польные М. применяют при микрургических операциях на отдельных клетках, при изучении механизма репарационного процесса, регистрации различного состояния клеточных элементов и т. п. Методом темнопольной микроскопии можно также исследовать объекты, размеры к-рых гораздо меньше разрешающей способности светового М. (см. Ультрамикроскоп).

Фазово-контрастный микроскоп и его разновидность - аноптральный М. служат для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, не видимых при наблюдении по методу светлого поля. Обычно эти объекты не могут быть окрашены, т. к. окраска губительно действует на их структуру, локализацию хим. соединений в клеточных органеллах и т. п. (см. Фазово-контрастная микроскопия). Этот метод широко применяется в микробиологии. В клинико-диагностических лабораториях он используется для исследования мочи, нефиксированных тканей (напр., при диагностике злокачественных опухолей), нек-рых фиксированных гистол. препаратов (cм. Гистологические методы исследования).

Рис. 7. Оптическая схема фазово-контрастного микроскопа с осветителем: 1 - осветитель; 2 - апертурная диафрагма; 3 - конденсор; 4 - изучаемый объект; 4" - изображение изучаемого объекта; 5 - объектив; 6 - фазовая пластинка, на поверхности которой имеется кольцевой выступ или кольцевая канавка, так называемое фазовое кольцо (сплошными стрелками показан ход обычных лучей, пунктирными - диафрагмированных).

В фазово-контрастном М. (рис. 7) в переднем фокусе конденсора устанавливают апертурную диафрагму, отверстие к-рой имеет форму кольца. Изображение, построенное ею, образуется вблизи заднего фокуса объектива, и там же устанавливают фазовую пластинку. Она может быть установлена и не в фокусе объектива (часто фазовое кольцо наносят прямо на поверхность одной из линз объектива), но лучи света от осветителя, проходя через объект, должны полностью проходить через фазовое кольцо, к-рое значительно их ослабляет и изменяет их фазу на четверть длины волны. Лучи, даже немного отклоненные (рассеянные) в препарате, не попадают в фазовое кольцо и не претерпевают сдвига фазы. С учетом фазового сдвига лучей света в материале препарата разность фаз между отклоненными и неотклоненными лучами усиливается; в результате интерференции света в плоскости изображения лучи усиливают или ослабляют друг друга, давая контрастное изображение структуры препарата.

Промышленность выпускает различные фазово-контрастные устройства к М. Фазово-контрастное устройство КФ-4 состоит из конденсора и набора объективов. Его можно применять с биол., поляризационными, люминесцентными и другими М. Фазово-контрастное устройство КФ-5 отличается от КФ-4 тем, что фазовые пластинки на его объективах нанесены в виде двух колец, контрастность изображения также несколько выше. Фазово-контрастное устройство МФА-2 отличается от КФ-4 размером фазовых колец и способом их нанесения.

Аноптральный М. является разновидностью фазово-контрастного М. и позволяет исследовать малоконтрастные живые объекты (простейшие, бактерии, вирусы), но дает более контрастное изображение, чем обычный фазово-контрастный микроскоп. Нежелательным при применении аноптрального М. можно считать появление в нек-рых случаях ореолов вокруг изображения объектов. Промышленностью выпускается комплект для аноптральной микроскопии КАФ-2 и др.

Интерференционный микроскоп предназначен для решения тех же задач, что и фазовоконтрастный М., однако между ними имеются и существенные различия. В интерференционном М. можно наблюдать участки объектов не только с большими, но и с малыми градиентами показателя преломления или толщины, т. е. можно изучать детали прозрачных объектов независимо от их формы и размеров, а не только их контуры, как в фазово-контрастном М.

Принцип, лежащий в основе конструкции интерференционного М., состоит в том, что каждый луч, входящий в М., раздваивается: один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу объекта, а другой - мимо нее по той же или дополнительной оптической ветви М. (рис. 8). В окулярной части такого М. оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой.

Интерференционный М. пригоден для изучения живых и нефиксированных тканей, он позволяет с помощью различных устройств производить измерения, на основании к-рых можно вычислить, напр., массу сухого вещества растительной: или животной клетки, концентрацию, размеры объекта, содержание белков в живых и фиксированных объектах и т. п. (рис. 9).

Промышленность выпускает большое число различных интерференционных М., предназначенных для биол., мед., металлографических и других исследований. Примером может служить интерференционный биол, микроскоп МБИН-4, предназначенный для исследования образцов в проходящем свете интерференционным методом. Он позволяет так-же измерять разности хода- лучей, возникающие при их прохождении через различные участки объекта.

Метод интерференционного контраста часто сочетают с другими методами микроскопии, напр. с наблюдением объектов в поляризованном свете, в УФ-свете и т. п., что позволяет, напр., определить содержание нуклеиновых к-т в общей сухой массе объекта.

Ультрафиолетовый и инфракрасный микроскопы предназначены для исследования объектов в ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (ИК) лучах. Эти М. снабжены фотокамерами, флюоресцирующими экранами или электронно-оптическими преобразователями для фиксации изображения. Разрешающая способность УФ-микроскопов значительно выше, чем разрешающая способность обычных М., т. к. их предельное разрешение, зависящее от длины волны, ниже. Длина волны света, используемого в УФ-микроскопии, 400 - 250 нм, тогда как длина волны видимого света 700-400 нм. Однако главное преимущество УФ-микроскопов заключается в том, что частицы многих веществ, прозрачные в видимом свете, сильно поглощают УФ-излучение определенных длин волн и, следовательно, легко различимы в УФ-изображениях. Характерными спектрами поглощения в УФ-области спектра обладает ряд веществ, содержащихся в растительных и животных клетках. Такими веществами являются белки, пуриновые основания, пиримидиновые основания, ароматические аминокислоты, нек-рые липиды, витамины, тироксин и другие биологически активные соединения.

Исследовательский УФ-микроскоп МУФ-6 (рис. 10) предназначен для биол, исследований в проходящем и отраженном свете. Он позволяет проводить фотографирование объектов, а также фотографическую регистрацию оптической плотности и спектров поглощения участков образца при освещении их монохроматическим светом.

Микрофотометрическая ультрафиолетовая установка МУФ-5 предназначена для исследования биол, объектов в проходящем свете. На ней можно производить автоматическую запись спектров поглощения, с помощью сканирующего предметного столика записывать изменения оптической плотности вдоль выбранного направления в нужном спектральном интервале, фотографировать флюоресценцию объектов.

Наблюдение объектов с помощью инфракрасного микроскопа также требует преобразования невидимого для глаза изображения в видимое путем его фотографирования или с помощью электронно-оптического преобразователя. Инфракрасный микроскоп, напр. МИК-1 (рис. 11), позволяет изучить внутреннюю структуру непрозрачных для видимого света объектов (напр., зоол., палеонтол., антропол, препаратов и пр.). Выпускаемый промышленностью инфракрасный микроскоп МИК-4 позволяет рассматривать объекты при свете с длиной волн от 750 до 1200 нм, в т. ч. и в поляризованном свете.

Поляризационный микроскоп позволяет наблюдать изучаемые объекты в поляризованном свете и служит для изучения препаратов, оптические свойства к-рых неоднородны, т. е. так наз. анизотропных объектов (см. Анизотропия). Такими объектами являются мио- и нейрофибриллы, коллагеновые волокна и т. п. Свет, излучаемый осветителем в системе такого М., пропускают через поляризатор; поляризация (см.), сообщенная при этом свету, меняется при последующем его прохождении через препарат (или отражении от него). Это дает возможность выделить различные элементы в препарате и их ориентацию в пространстве, что особенно важно при изучении медико-биол. объектов. В поляризационном М. исследования можно производить как в проходящем, так и в отраженном свете. Узлы поляризационных М. предназначены для точных количественных измерений: окуляры имеют перекрестия, микрометрические шкалы и т. п.; вращающийся предметный столик имеет угломерный лимб.

Промышленность выпускает поляризационные М. различного назначения. Примером такого М. является универсальный поляризационный микроскоп МИН-8 (рис. 12), к-рый имеет необходимое оснащение и дополнительные принадлежности для других поляризационных исследований, кроме микроскопических. Лучшими зарубежными приборами такого типа являются универсальные микроскопы «Ортолюкс-Поль» фирмы «Лейтц» (ФРГ) и «Поль» фирмы «Оптон».

Люминесцентный микроскоп. Устройство люминесцентных М. основано на нек-рых физ.-хим. законах люминесценции (см. Люминесцентная микроскопия). Высокая чувствительность люминесцентных М. используется в микробиол., иммунол., цитол, и биофизических исследованиях.

Выпускаемый промышленностью люминесцентный микроскоп МЛ-3 предназначен для наблюдения и фотографирования объектов в свете их видимой флюоресценции в отраженном свете. Люминесцентный микроскоп МЛ-2 отличается от МЛ-3 возможностью наблюдения объектов в проходящем свете. Люминесцентные устройства, используемые чаще вместе с обычными М., содержат осветитель с ртутной лампой, набор светофильтров и так наз. опак-иллюминатор для освещения препаратов сверху. В сочетании с обычными люминесцентными М. используют фотометрическую наладку ФМЭЛ-1, к-рая служит для количественного измерения интенсивности видимой флюоресценции. Микрофлюориметр МЛИ-1 применяют для исследования ультрафиолетовой и видимой флюоресценции в отраженном свете. Прибор позволяет производить количественные измерения флюоресценции, фотографирование, измерение спектров флюоресценции, возбуждения флюоресценции.

Рентгеновский микроскоп предназначен для исследования объекта в рентгеновских лучах. Фокусировка лучей в рентгеновских М. имеет свои особенности: для этого в них используются изогнутые зеркальные плоскости. В рентгеновском М. имеются также микрофокусный источник рентгеновского излучения и детекторы изображения: фотопленки или электтронно-оптические преобразователи. Рентгеновские М. этого типа имеют ряд недостатков, связанных со структурными несовершенствами монокристаллов и сложностями точной обработки зеркал, ввиду чего они не получили широкого применения.

Принцип проекционных, или «теневых», рентгеновских М. основан на методе проекции в расходящемся пучке лучей от точечного сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей. Такие М. имеют также камеры для микрообъекта и регистрирующего устройства. Линейное разрешение М. этого типа до 0,1 мкм.

Рентгеновские М. применяют при исследовании объектов, различные участки к-рых избирательно поглощают рентгеновские лучи, а также объектов, непрозрачных для иных лучей. Нек-рые модели рентгеновских М. оснащены преобразователями рентгеновского излучения в видимое и телевизионными устройствами.

Сканирующий микроскоп позволяет осуществлять последовательный осмотр объекта в каждой точке или его изображения фотоэлектрическим преобразователем с измерением интенсивности света, прошедшего через объект или отраженного от него. Сканирование объекта сводится к последовательному измерению коэффициента пропускания или отражения лучей света от объекта в каждой его точке и преобразованию его в электрический сигнал. Вид характеристик микроструктур, получаемых в результате обработки видеосигналов, определяется алгоритмами (см.), вводимыми в соответствующие вычислительные устройства; т. о., сканирующий М. представляет собой сочетание собственно М. и информационной сканирующей системы. Он является составной частью конструкции анализаторов и счетчиков частиц, телевизионных М., сканирующих и интегрирующих микрофотометров и т. д. Сканирующие М. используют в микробиологии, цитологии, генетике, гистологии, физиологии и других областях биологии и медицины.

Является перспективным использование сканирующих М. или конструкций, в состав к-рых они входят, в диагностических целях, для изучения строения и структуры тканей, в т. ч. и крови, выявления в них возрастных и патол, изменений, обнаружения атипичных клеток в срезах тканей и т. п. В экспериментальной медицине сканирующие М. применяют с целью контроля роста и развития тканей и клеток в культурах и т. п.

Промышленность выпускает сканирующие устройства, выполненные в виде насадок к световому микроскопу.

Системы сканирования могут быть телевизионными и механическими. Телевизионные применяют в основном для анализа геометрических и статистических характеристик и классификации микрообъектов. Механические более универсальны и точны. Они позволяют работать в заданном спектральном интервале в УФ-области спектра и часто применяются для фотометрических измерений.

Телевизионный микроскоп конструктивно сочетает в себе М. с телевизионной техникой. Телевизионные М. работают по схеме микропроекции: изображение объекта преобразуется в последовательные электрические сигналы, к-рые затем воспроизводят это изображение в увеличенном масштабе на экране кинескопа. В зависимости от способа освещения исследуемого объекта телевизионные М. подразделяют на два типа: М. с передающей трубкой и М. с бегущим пятном.

Телевизионный М. с передающей трубкой представляет собой простую комбинацию оптического М. и телевизионного канала. Изображение, даваемое М., проецируется на экран кинескопа. При этом изображение сигналов можно наблюдать и на большом экране даже при малом освещении самого объекта.

В телевизионном М. с бегущим пятном используют оптическое сканирование объекта движущимся лучом света.

Телевизионные устройства часто используют в сочетании с фазовоконтрастными М. Этим достигается наибольшая контрастность изображения. Высокая яркость изображений в телевизионных М. позволяет использовать их для проведения фото- и киносъемок как неподвижных, так и движущихся объектов. Телевизионные М. можно использовать и как дистанционный прибор, т. е. сам телевизионный приемник может быть установлен на значительном расстоянии от М., что особенно важно при исследовании объектов, близость к к-рым опасна для наблюдателя (напр., радиоактивных). В телевизионном микроскопе возможно изучение объектов в УФ- и ИК-лучах; его используют также как телевизионный микроспектрофотометр. При использовании дополнительных электронных систем возможно получение цветного изображения. На основе телевизионных М. созданы автоматические счетчики микрочастиц (см. Автоанализаторы). Изображение в этом случае специальными счетными приспособлениями преобразуется в серию электрических сигналов, что позволяет просто и с большой скоростью производить подсчет числа различных частиц в препарате (эритроцитов и лейкоцитов в крови, колоний бактерий, частиц аэрозолей в воздухе, кристаллов и зерен в минералах и т. п.), а также целый комплекс других измерений.

Промышленность выпускает телевизионные М. различных типов. Ультрафиолетовый телевизионный М. амер. фирмы «Ньютроникс Рисерч» представляет собой телевизионный микроспектрофотометр. Он дает трехцветное изображение объекта, соответствующее трем выбранным длинам волн в УФ-части спектра. Такой М. позволяет производить абсорбционные измерения.

Количественный телевизионный М. «КТМ» англ. фирмы «Металз Рисерч» дает возможность измерять отдельно элементы изображения с разной освещенностью в пределах шести ступеней интенсивности, определять процент площади, занимаемой нек-рой составной частью структуры, определять среднее число частиц для расчета их среднего размера, оценивать распределение частиц по группам крупности.

Голографический микроскоп служит для построения изображений объектов голографическим методом, т. е. методом получения объемного изображения объекта, основанным на интерференции волн (см. Голография). Голограмма позволяет получить изображение, к-рое является результатом регистрации не только амплитуд (как в фотографии), но и фаз световых волн, рассеянных объектом. В голографическом М. источником волн служит лазерный луч (см. Лазер). При использовании импульсных лазерных источников возможно получение голограмм движущихся объектов. Конструктивное сочетание голографических устройств с обычным М. позволяет располагать объект вертикально, что необходимо при исследовании, напр., клеточных суспензий. Голограмма получается с изображения, созданного объективом. Восстановленная голограмма воспроизводит изображение, к-рое наблюдают через окуляр М. Применение голографического метода является перспективным для изучения прозрачных (фазовых) объектов; его можно также использовать для получения изображений микрообъектов, содержащих медленно движущиеся области в статическом окружении (циркуляция крови, поглощение пузырьков воздуха в капиллярах и т. д.). Голографический М. нашел применение в криоскопии для изучения различных клеток в норме и при замораживании (напр., наблюдение за процессами внутриклеточной кристаллизации). В голографическом М. возможно получение разрешения ок. 1 мкм, а также черно-белых и цветных голограмм.

Голографические устройства находят все более широкое применение в качестве автоматических анализаторов микрочастиц. Распознавание микрочастиц с использованием этого метода ускоряется в десятки тысяч раз. Поиск объекта ведут одновременно по всей голограмме. Для управления работой и обработки результатов голографические установки соединяют с ЭВМ.

Библиография: Барский И. Я., Поляков Н. И. и Якубенас В. А. Контактная микроскопия, М., 1976, библиогр.; Бернштейн А. С., Джохад-з e Ш. Р. и Перова Н. И. Фотоэлектрические измерительные микроскопы, М., 1976, библиогр.; Воронин В. В. Основы теории микроскопа, Тбилиси, 1965; М а й с т р о в Л. Е. Приборы и инструменты исторического значения, Микроскопы, М., 1974; Машинный анализ микроскопических объектов, под ред. Г. М.Франка, М., 1968; Панов В. А. и А н д-р e e в Л. Н. Оптика микроскопов, Л., 1976, библиогр.: Сканирующая техника в исследовании клеточных популяций, клеток, органоидов и макромолекул, под ред. Г. М. Франка, Пущино-на-Оке, 1973; Скворцов Г. Е.и др. Микроскопы, Л., 1969, библиогр.; Федин Л. А. Микроскопы, принадлежности к ним и лупы, М., 1961, библиогр.; ЧернухА. М. и др. Некоторые вопросы применения голографии в медико-биологических исследованиях, Мед. техн., № 1, с. 30, 1976, библиогр.

Ю. В. Агибалов, Н. Г. Будковская, А. Б. Цыпин.

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.

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.