Микроскоп история: Применение микроскопов в археологии. — Необычная история

история создания, устройство и принцип работы

Туннельный микроскоп — чрезвычайно мощный инструмент для изучения электронной структуры твердотельных систем. Его топографические изображения помогают при применении поверхностных методов анализа с химической спецификой, приводя к структурному определению поверхности. Узнать об устройстве, функциях и значении, а также посмотреть фото туннельного микроскопа можно в этой статье.

Создатели

До изобретения подобного микроскопа возможности изучения атомарного строения поверхностей в основном ограничивались дифракционными методами с использованием пучков рентгеновских лучей, электронов, ионов и других частиц. Прорыв произошел, когда швейцарские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер разработали первый туннельный микроскоп. Они выбрали поверхность золота для своего первого изображения. Когда изображение выводилось на экран телевизионного монитора, они видели ряды точно расположенных атомов и наблюдали широкие террасы, разделенные ступенями высотой в один атом. Бинниг и Рорер открыли простой метод создания прямого образа атомной структуры поверхностей. Их впечатляющее достижение было признано Нобелевской премией по физике в 1986 году.

Предшественник

Подобный микроскоп под названием Topografiner был изобретен Расселом Янгом и его коллегами в период с 1965 по 1971 год в Национальном бюро стандартов. В настоящее время это Национальный институт стандартов и технологий. Данный микроскоп работает по принципу, согласно которому левый и правый пьезо-драйверы сканируют наконечник над и немного выше поверхности образца. Центральный пьезоуправляемый серверный привод управляется серверной системой для поддержания постоянного напряжения. Это приводит к постоянному вертикальному разделению между наконечником и поверхностью. Электронный умножитель обнаруживает крошечную долю туннельного тока, которая рассеивается на поверхности образца.

Схематический вид

Устройство туннельного микроскопа включает следующие компоненты:

• сканирующий наконечник;
• контроллер для перемещения наконечника от одной координаты к другой;
• систему виброизоляции;
• компьютер.

Наконечник часто изготавливается из вольфрама или платины-иридия, хотя также используется золото. Компьютер применяется для улучшения изображения с помощью его обработки и для выполнения количественных измерений.

Как работает

Принцип работы туннельного микроскопа достаточно сложен. Электроны на вершине наконечника не ограничены областью внутри металла потенциальным барьером. Они движутся через препятствие подобно их движению в металле. Создается иллюзия свободно перемещающихся частиц. В действительности электроны движутся от атома к атому, проходя через потенциальный барьер между двумя атомными участками. Для каждого подхода к барьеру вероятность туннелирования равна 10:4. Электроны пересекают его со скоростью 1013 шт в секунду. Этот высокий темп передачи значит, что движение существенно и непрерывно.

Перемещая наконечник металла по поверхности на очень маленькое, перекрывающее атомные облака расстояние производится атомный обмен. При этом образуется небольшое количество электрического тока, протекающего между наконечником и поверхностью. Его можно измерить. Благодаря этим текущим изменениям туннельный микроскоп предоставляет информацию о структуре и топографии поверхности. На ее основе строится трехмерная модель в атомном масштабе, которая дает изображение образца.

Туннелирование

Когда наконечник перемещается близко к образцу, расстояние между ним и поверхностью уменьшается до величины, сравнимой с промежутком между соседними атомами в решетке. Туннельный электрон может двигаться либо к ним, либо к атому на кончике зонда. Ток в зонде измеряет плотность электронов на поверхности образца, и эта информация отображается на картинке. Периодический массив атомов хорошо виден на таких материалах, как золото, платина, серебро, никель и медь. Вакуумное туннелирование электронов от кончика к образцу может происходить даже при том, что окружающая среда не является вакуумом, а заполнена молекулами газа или жидкости.

Формирование высоты барьера

Спектроскопия высоты локального барьера обеспечивает информацию о пространственном распределении микроскопической функции работы поверхности. Изображение получают путем измерения по пунктам логарифмического изменения туннельного тока с учетом трансформации в разделительный разрыв. При измерении высоты барьера расстояние между зондом и образцом модулируется по синусоидальному закону с помощью дополнительного переменного напряжения. Период модуляции выбирается гораздо короче, чем константа времени петли обратной связи в туннельном микроскопе.

Значение

Этот тип сканирующих зондовых микроскопов позволил разработать нанотехнологии, которые должны манипулировать объектами нанометрического размера (меньше длины волны видимого света от 400 до 800 нм). Туннельный микроскоп наглядно иллюстрирует квантовую механику, измеряя квант оболочки. Сегодня аморфные некристаллические материалы наблюдаются с помощью атомно-силовой микроскопии.

Пример на кремнии

Поверхности кремния были изучены более широко, чем любой другой материал. Они подготавливались путем нагревания в вакууме до такой температуры, что атомы реконструировались в вызванном процессе. Реконструкция была изучена в мельчайших деталях. На поверхности образовался сложный узор, известный как Такаянаги 7 х 7. Атомы образовали пары, или димеры, которые вписались в ряды, простирающиеся по всей исследуемой части кремния.

Исследования

Исследования принципа действия туннельного микроскопа привели к выводу, что он может работать в окружающей атмосфере так же, как и в вакууме. Он эксплуатировался в воздухе, воде, изоляционных жидкостях и ионных разрешениях, используемых в электрохимии. Это гораздо удобнее, чем высоковакуумные приборы.

Туннельный микроскоп можно охладить до температуры минус 269 °C и нагреть до плюс 700 °C. Низкая температура используется для того, чтобы исследовать свойства сверхпроводящих материалов, а высокая — для изучения быстрой диффузии атомов через поверхность металлов и их коррозию.

Туннельный микроскоп используется в основном для визуализации, но есть много других применений, которые были изучены. Сильное электрическое поле между зондом и образцом было использовано для того, чтобы двинуть атомы вдоль поверхности образца. Изучено действие туннельного микроскопа в различных газах. В одном из исследований напряжение составляло четыре вольта. Поле на кончике было достаточно сильным, чтобы удалить атомы из наконечника и поместить их на подложку. Эту процедуру использовали с золотым зондом для изготовления небольших золотых островков на подложке с несколькими сотнями атомов золота в каждом. В ходе исследований был изобретен гибридный туннельный микроскоп. Изначальное устройство интегрировали с бипотенциостатом.

Кто изобрёл микроскоп? — История изобретений

До изобретения микроскопа самое маленькое, что люди могли видеть, было примерно такой же величины, как и человеческий волос. После изобретения микроскопа примерно в 1590 году мы внезапно узнали, что существует ещё удивительный микромир живых существ везде вокруг нас.

Правда до конца непонятно, кому стоит отдать лавры создания микроскопа. Некоторые учёные-историки утверждают, что это был Ханс Липперсгей, который известен за подачу первого патента на телескоп. Другие свидетельства указывают на Ханса и Захария Янссенов, отца и сына, настоящей команды изобретателей-энтузиастов, живших в том же городе, что и Липперсгей.

Липперсгей или Янссены?

Ханс Липперсгей родился в Везеле в Германии в 1570 году, но позже переехал в Голландию, которая затем стала местом инноваций в области искусства и науки, а эта эпоха была названа «Золотой век Голландии». Липперсгей поселился в Миддельбурге, где он изобрёл очки, бинокль и некоторые из самых ранних микроскопов и телескопов.

В Миддельбурге жили Ганс и Захарий Янссены. Часть историков приписывает изобретение микроскопа именно Янссенам, благодаря письмам голландского дипломата Уильяма Бореэля.

В 1650-х годах Бореэль написал письмо врачу французского короля, в котором он описал микроскоп. В своем письме Бореэль сказал, что Захарий Янссен начал писать ему о микроскопе в начале 1590-х годов, хотя Бореэль сам увидел микроскоп спустя годы. Некоторые историки утверждают, что Ханс Янссен помог построить микроскоп, поскольку Захария был подростком в 1590-х годах.

Ранние микроскопы

Ранние микроскопы Янссена были составными микроскопами, в которых использовались по меньшей мере две линзы. Линза объектива расположена близко к объекту и создает изображение, которое подбирается и увеличивается еще дальше второй линзой, называемой окуляром.

Музей Мидделбурга имеет один из первых микроскопов Янссена, датированный 1595 годом. Он имел три скользящих трубки для разных объективов без штатива и был способен увеличивать в три-девять раз истинные размеры объекта. Новости о микроскопах быстро распространились по всей Европе.

Галилео Галилей вскоре улучшил конструкцию сложного микроскопа в 1609 году. Галилей назвал свое устройство occhiolino или «маленький глаз».

Английский ученый Роберт Гук также улучшил микроскоп и исследовал структуру снежинок, блох, вшей и растений. Гук исследовал структуру пробкового дерева и придумал термин «клетка» из латинского cella, что означает «небольшая комната», потому что он сравнивал клетки, которые он видел у пробкового дерева, с небольшими комнатами, в которых жили монахи. В 1665 году он подробно описал свои наблюдения в книге «Микрография».

Микроскоп Гука около 1670-го года

Ранние составные микроскопы обеспечивали куда большее увеличение, чем микроскопы с одной линзой. Однако при этом они сильнее искажали изображение объекта. Голландский ученый Антуан ван Левенгук разработал мощные однообъективные микроскопы в 1670-х годах. Используя своё изобретение, он первым описал сперматозоиды собак и людей. Он также изучал дрожжи, эритроциты, бактерии из рта и простейших. Микроскопы Левенгука с одним объективом могут увеличивать в 270 раз фактические размеры рассматриваемого объекта. После ряда улучшений в 1830-х годах данный тип микроскопов стал очень популярным.

Ученые также разрабатывали новые способы подготовки и окраски образцов. В 1882 году немецкий врач Роберт Кох представил свое открытие микробактерии туберкулёза, бацилл, ответственных за туберкулез. Кох продолжил использовать свою методику окраски, чтобы изолировать бактерии, ответственные за холеру.

Самые лучшие микроскопы приближались к пределу увеличительной способности к началу 20-го века. Традиционный оптический (световой) микроскоп не способен увеличивать объекты, размер которых меньше длины волны видимого света. Но в 1931 году был преодолён этот теоретический барьер с помощью создания электронного микроскопа двумя учеными из Германии Эрнстом Руска и Максом Кноллом

Микроскопы развиваются

Эрнст Руска родился последним из пяти детей в Рождество 1906 года в Гейдельберге, Германия. Он изучал электронику в Техническом колледже в Мюнхене и продолжил изучать высоковольтные и вакуумные технологии в Техническом колледже в Берлине. Именно там Руска и его советник, доктор Макс Кнолл, сначала изобрели «линзу» магнитного поля и электрического тока. В 1933 году учёные смогли построить электронный микроскоп, который сумел превзойти предел увеличения светового микроскопа.

В 1986 году Эрнст был награждён Нобелевской премией по физике за своё изобретение. Увеличение разрешения электронного микроскопа достигалось за счёт того, что длина волны электрона была ещё меньше, чем длина волны видимого света, особенно при ускорении электронов в вакууме.

В XX веке развитие электронных и световых микроскопов не останавливалось. Сегодня лаборатории используют различные флуоресцентные метки, а также поляризованные фильтры для изучения образцов или использовать компьютеры для обработки изображений, которые не видны человеческому глазу. Имеются отражающие микроскопы, фазово-контрастные микроскопы, конфокальные микроскопы, а также ультрафиолетовые микроскопы. Современные микроскопы могут даже изображать один атом.

Атом C60

Оптический микроскоп — Википедия

Современный оптический люминесцентный тринокулярный микроскоп

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

История микроскопа

Микроскоп Гука Реплика однолинзового микроскопа Левенгука

Невозможно точно определить, кто изобрёл микроскоп. Считается, что голландский мастер очков Ханс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели первый микроскоп в 1590, но это было заявление самого Захария Янсена в середине 17 века. Дата, конечно, не точна, так как оказалось, что Захарий родился около 1590 г. Возможность скомбинировать две линзы так, чтобы достигалась большее увеличение впервые предложил в 1538 году знаменитый врач из Вероны Джироламо Фракасторо. Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей. Он разработал «occhiolino» («оккиолино»), или составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами в 1609 г. Галилей представил свой микроскоп публике в Академии деи Линчеи, основанной Федерико Чези в 1603 г. Изображение трёх пчёл Франческо Стеллути было частью печати Папы Урбана VII и считается первым опубликованным микроскопическим символом (см. «Stephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, 2000»). Десятью годами позже Галилея, Корнелиус Дреббель изобретает новый тип микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Кристиан Гюйгенс, другой голландец, изобрёл простую двухлинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась и, следовательно, стала огромным шагом вперёд в истории развития оптики (Гюйгенс разработал окуляр для телескопа).

Окуляры Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а расположение окуляров при микроскопии неудобно для глаз по сравнению с современными широкообзорными окулярами. В 1665 году англичанин Роберт Гук сконструировал собственный микроскоп и опробовал его на пробке. В результате этого исследования появилось название «клетки». Антони Ван Левенгук (1632—1723) считается первым, кто сумел привлечь к микроскопу внимание биологов, несмотря на то, что простые увеличительные линзы уже производились с 1500-х годов, а увеличительные свойства наполненных водой стеклянных сосудов упоминались ещё древними римлянами (Сенека). Изготовленные вручную, микроскопы Ван Левенгука представляли собой относительно небольшие изделия с одной очень сильной линзой. Они были неудобны в использовании, однако позволяли очень детально рассматривать изображения лишь из-за того, что не перенимали недостатков составного микроскопа (несколько линз такого микроскопа удваивали дефекты изображения). Понадобилось около 150 лет развития оптики, чтобы составной микроскоп смог давать такое же качество изображения, как простые микроскопы Левенгука. Так что, хотя Антони Ван Левенгук был великим мастером микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространённому мнению.

Недавние достижения

В группе немецкого учёного Штефана Хелля (Stefan Hell) из Института Биофизической Химии^[de] научного сообщества Макса Планка (Гёттинген) в сотрудничестве с аргентинским учёным Мариано Босси (Mariano Bossi) в 2006 году был разработан оптический микроскоп под названием Наноскоп, позволяющий преодолевать барьер Аббе и наблюдать объекты размером около 10 нм (а на 2010 год и ещё меньше), оставаясь в диапазоне видимого излучения, получая при этом высококачественные трёхмерные изображения объектов, ранее недоступных для обычной световой и конфокальной микроскопии^[1][2].

Ведутся работы над получением кристаллов нитрида бора с гексагональной решёткой (hBN) из чистых на 99% изотопов бора. Такой материал линз за счёт поляритонов, образующихся на поверхности кристалла, позволяет многократно понизить дифракционный предел и достичь разрешений порядка десятков и даже единиц нанометров

[3].

Применение

Человеческий глаз представляет собой биологическую оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопов определяли форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов.

Оптический микроскоп в видимом свете давал возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм. Так было до создания оптического микроскопа наноскопа^[4].

Развитие видеотехники оказало существенное влияние на оптические микроскопы. Помимо упрощения документирования наблюдений электроника позволяет автоматизировать рутинные операции. А при отказе от непосредственного наблюдения глазом отпадает необходимость в классическом окуляре. В простейшем случае при модернизации микроскопа вместо окуляра устанавливается специальная оптическая конструкция для проецирования изображения на матричный фотоприёмник. Изображение фотоприёмника передаётся в ЭВМ и/или на дисплей. Существуют также комбинированные профессиональные микроскопы оснащённые третьим оптическим портом для установки фотоаппаратуры. В некоторых современных устройствах возможность прямого наблюдения глазом может отсутствовать полностью, что позволяет создавать простые и удобные в работе приборы компактного дизайна. Использование многоэлементных фотоприемников позволяет вести наблюдения не только в видимом, но и примыкающем к нему участках спектра.

Устройство оптического микроскопа: A — окуляр; B — объектив; C — объект; D — конденсор; E — предметный столик; F — зеркало.

Устройство микроскопа

Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. Увеличение оптического микроскопа без дополнительных линз между объективом и окуляром равно произведению их увеличений^[5].

В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления положением конденсора.

В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.

Объективы

Планахроматический объектив с увеличением 40, числовой апертурой 0,65, коррекцией на бесконечную длину тубуса и толщину покровного стекла 0,17 мм

Объектив микроскопа представляет собой сложную оптическую систему, образующую увеличенное изображение объекта, и является основной и наиболее ответственной частью микроскопа. Объектив создаёт изображение, которое рассматривается через окуляр. Поскольку окуляры могут давать существенное увеличение, то и оптические искажения, вносимые объективом, также будут увеличены окуляром. Это накладывает на качество объектива значительно большие требования чем на окуляр.

Объективы биологических микроскопов и других микроскопов (кроме стереоскопических) в значительной степени унифицированы и взаимозаменяемы. На взаимозаменяемость в первую очередь влияют механические (присоединительные) параметры объектива.

Механические параметры объектива

Присоединительная резьба объективов стандартизована в 1858 году Royal Microscopical Society (RMS, ISO 8038, ГОСТ 3469). Сегодня эта резьба используется практически во всех микроскопах кроме стереомикроскопов или специальных. Диаметр резьбы 4/5″ (~20 мм), шаг 1/36″. Помимо резьбы на взаимозаменяемость объективов влияет парфокальное расстояние — расстояние между препаратом и посадочным местом объектива в микроскопе. Большинство современных микроскопов рассчитаны на объективы с парфокальным расстоянием 45 мм. Ранее широко применялись объективы на 33 мм. Не всегда микроскоп позволяет устанавливать объективы с нештатным парфокальным расстоянием поскольку не хватает хода столика с препаратом чтобы скомпенсировать разницу. В связи с ростом сложности оптической схемы появляются крупногабаритные объективы с большим парфокальным расстоянием (например, 60 мм и 95 мм)^[6]. Свободное расстояние от объектива до изучаемого объекта называется рабочим расстоянием объектива. Обычно это расстояние тем меньше чем больше увеличение объектива. Рабочее расстояние объектива плюс длина объектива равны парфокальному расстоянию объектива.

Оптические параметры объектива

Конструкция объектива

Объектив микроскопа характеризуется номинальным увеличением (как правило из ряда 2,5; 3,2; 4; 5; 10; 20; 40; 63; 100; 120). Кроме того:

• Через дробь от увеличения указывается числовая апертура — характеристика разрешающей способности объектива. Предельная разрешающая способность объектива в мкм d=0,61λ/A{\displaystyle d=0{,}61\lambda /A}, где λ — длина волны света, мкм; А — числовая апертура. Лучшие объективы имеют апертуру 1,4 и разрешение 0,12 мкм. Оценочно считают что максимальное разумное увеличение микроскопа при наблюдении глазом ограничено величиной апертуры умноженной на 1000. С другой стороны, чем больше апертура тем меньше глубина резкости (глубина зрения)^[6]. Иногда объектив снабжается регулируемой диафрагмой, изменяющей числовую апертуру (такие объективы маркируются I, Iris).
• Тип коррекции на длину тубуса микроскопа. Практически всегда это 160 или бесконечность (∞). Как правило объективы с коррекцией на бесконечность качественнее и дороже. Объективы с коррекцией на бесконечность могут применяться самостоятельно (без окуляра), что используют в безлинзовых адаптерах к фотоаппаратуре. Объективы с конечной и бесконечной коррекцией не взаимозаменяемы, оптический тракт микроскопа различается.
• Для биологических микроскопов указывают наличие коррекции на толщину покровного стекла препарата в мм. Практически всегда это 0,17 или коррекция отсутствует (0 или —). Иногда встречаются объективы для инвертированных микроскопов (то есть для микроскопов в которых наблюдение ведётся снизу, через предметное стекло, чашку петри, стекло колбы и т. д.) с компенсацией на 1,2.

Кроме того указывается буквенное обозначение коррекции искажений:

• Искажений цвета (хроматических). Искажения проявляются в виде цветных ореолов. Объективы с исправлением искажений по двум основным цветам называют ахроматами (обычно не маркируется), по трём — апохроматами (маркируется Apo или созвучно).
• Неравномерности фокусировки по полю зрения (кривизна поля зрения). Скорректированные объективы с плоским полем зрения обозначаются приставкой план- к обозначению цветовой коррекции, например планахромат или планапохромат. Объектив с такой коррекцией содержит надписи План, Plan, Pl или созвучные. Объективы с неполной коррекцией могут обозначаться как Semi plan или собственным обозначением производителя.
• Устранение бликов от боковой подсветки на оптике.

Буквенные обозначения особенностей применения объектива:

• Для улучшения светосилы и числовой апертуры пространство между линзой объектива и объектом наблюдения заполняют прозрачной жидкостью с требуемым коэффициентом преломления. Такие объективы называют иммерсионными. Обычно это делается для объективов с увеличением 40 и выше. Если объектив рассчитан на использование определённой жидкости, то эксплуатировать его без неё или с другими жидкостями нельзя. В качестве жидкости чаще всего используют специальное синтетическое масло (объектив маркируется Oil), реже вода (W) или глицерин (Gli)^[7].
• Объективы для люминесцентных исследований выполняют из материалов с минимальной собственной люминесценцией и хорошим пропусканием ультрафиолета, так как зачастую подсветка ультрафиолетом ведётся со стороны объектива (в т.  н. люминесцентных микроскопах). При этом объектив выполняет функции конденсора. Объективы для люминесцентных исследований маркируют FLUOR.

Широкопольные окуляры с увеличением 10 и выносом зрачка 20 мм

Окуляры

Окуля́р — обращённая к глазу часть микроскопа, предназначаемая для рассматривания с некоторым увеличением оптического изображения, даваемого объективом микроскопа. Типовые увеличения окуляров для микроскопов от 5 до 25 единиц. Так же как и объективы, окуляры различаются по качеству, то есть величине оптических искажений, вносимых окуляром. Однако вклад искажений объектива обычно превалирует в сбалансированном микроскопе благодаря тому, что искажения объектива дополнительно увеличиваются окуляром, а искажения самого окуляра — нет. Поэтому окуляры обычно характеризуются другими параметрами, в первую очередь удобством оператора. Как правило, под этим удобством понимают ширину поля зрения и вынос зрачка.

Вынос зрачка — расстояние от окуляра до глаза. Как правило лежит в диапазоне 5..20 мм. Если оператор носит очки то пользоваться окуляром с выносом 5 мм фактически невозможно. Наиболее комфортным считается расстояние 10..20 мм: с очками побольше без очков меньше. Излишне большой вынос зрачка также неудобен.

Поле зрения окуляра — угловой размер изображения, видимого через окуляр. Считается что широкое поле зрения (большой угловой размер изображения) удобнее для работы чем узкое. Широкопольные окуляры зачастую обозначаются буквой W и визуально отличаются большой площадью линзы.

Система освещения с конденсором

Система освещения препарата

В первых микроскопах исследователи вынуждены были пользоваться естественными источниками света. Для улучшения освещённости стали использовать зеркало, а затем — и вогнутое зеркало, с помощью которого на препарат направляли лучи солнца или лампы. В современных микроскопах освещение регулируют с помощью конденсора.

Конденсор

Конденсор (от лат. condense — сгущаю, уплотняю), короткофокусная линза или система линз, используемая в оптическом приборе для освещения рассматриваемого или проецируемого предмета. Конденсор собирает и направляет на предмет лучи от источника света, в том числе и такие, которые в его отсутствие проходят мимо предмета; в результате такого «сгущения» светового потока резко возрастает освещённость предмета. Конденсоры применяются в микроскопах, в спектральных приборах, в проекционных аппаратах различных типов (например, диаскопах, эпидиаскопах, фотографических увеличителях и т. д.). Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы; при апертурах 0,2—0,3— двухлинзовые конденсоры, выше 0,7—трёхлинзовые. Наиболее распространён конденсор из двух одинаковых плосковыпуклых линз, которые обращены друг к другу сферическими поверхностями для уменьшения сферической аберрации. Иногда поверхности линз конденсора имеют более сложную форму — параболоидальную, эллипсоидальную и т. д. Разрешающая способность микроскопа повышается с увеличением апертуры его конденсора, поэтому конденсоры микроскопов — обычно сложные двух или трёхлинзовые системы. В микроскопах и кинопроекционных аппаратах широко применяют также зеркальные и зеркально-линзовые конденсоры, апертура которых может быть очень велика — угол 2u раствора собираемого пучка лучей достигает 240°. Часто наличие в конденсорах нескольких линз вызвано не только стремлением увеличить его апертуру, но и необходимостью однородного освещения предмета при неоднородной структуре источника света^[4].

Конденсор тёмного поля

Конденсоры тёмного поля применяются в темнопольной оптической микроскопии. Лучи света направляются конденсором таким образом, что они не попадают напрямую во входное отверстие объектива. Изображение формируется светом, рассеивающимся на оптических неоднородностях образца. В ряде случаев метод позволяет исследовать структуру прозрачных объектов без их окрашивания. Разработан ряд конструкций конденсоров тёмного поля, имеющих линзовую или зеркально-линзовую оптическую схему.

Методы контрастирования изображения

Многие объекты плохо различимы на фоне окружения из-за своих оптических свойств. Поэтому микроскопы оснащаются разнообразными инструментами, облегчающими выделение объекта на фоне среды. Чаще всего это разнообразные методы освещения объекта:

Фазовый контраст

Метод интерференционного контрастирования объекта. Поскольку свет — это электромагнитная волна, то у него есть понятие фазы. Визуализируются фазовые искажения света на объекте наблюдения. Для этого используется сочетание специальных конденсора и объектива.

Вспомогательные приспособления

Предметный столик

Предметный столик выполняет роль поверхности, на которой размещают микроскопический препарат. В разных конструкциях микроскопов столик может обеспечить координатное движение препарата в поле зрения объектива, по вертикали и горизонтали, или поворот препарата на заданный угол.

Предметные и покровные стёкла

Первые наблюдения в микроскоп производились непосредственно над каким-либо объектом (птичье перо, снежинки, кристаллы и т. п.). Для удобства наблюдения в проходящем свете, препарат стали размещать на стеклянной пластинке (предметное стекло). Позже препарат стали закреплять тонким покровным стеклом, что позволило создавать коллекции образцов, например, гистологические коллекции. Для исследования методом висячей капли используются предметные стекла с лункой — камеры Ранвье.

Счетные камеры

Для количественного учёта клеток, взвешенных в какой-либо жидкости, используют счетные камеры — предметные стекла особой конструкции. В медицине для учёта форменных элементов крови применяется камера Горяева.

Устройства защиты объектива

В процессе поиска фокуса возможна ситуация, когда оптика объектива упрётся в столик или образец. В микроскопах встречаются механизмы предотвращения контакта или снижения тяжести последствий. К первым относятся настраиваемые ограничители вертикального движения столика. Ко вторым относятся подпружиненные объективы, в которых линзовый узел окружён приливом корпуса и подвижен. При контакте объектива с препаратом прилив корпуса предотвращает воздействие на линзу, а подвижность снижает усилие удара.

Измерительные приспособления

Наличие в оптическом тракте микроскопа образцового рисунка (штриховки или других знаков с известным проецируемым размером) позволяет лучше оценить размеры наблюдаемых объектов.

Классификация

Моно-, бино- и тринокулярные микроскопы

Изображение, сформированное объективом, может быть непосредственно подано в окуляр или разделено на несколько идентичных изображений. Микроскопы без деления называются монокулярными, в них смотрят одним глазом. Удобство наблюдения двумя глазами предопределило широкое распространение бинокулярных микроскопов с двумя идентичными окулярами. Кроме того, микроскоп может оснащаться фотоаппаратурой, которая может монтироваться либо вместо штатных окуляров либо в отдельный оптический порт. Такие микроскопы именуются тринокулярными.

Некоторые микроскопы позволяют освещать объект через объектив микроскопа. В этом случае используется специальный объектив, выполняющий также функции конденсера света. В оптическом тракте микроскопа устанавливается полупрозрачное зеркало и порт источника света. Чаще всего такой механизм освещения используется при люминесцентной микроскопии в ультрафиолетовых лучах.

Стереомикроскопы

Оптическая схема современного стереомикроскопа.
A — объектив
B — поворачивающиеся объективы
C — регулятор увеличения
D — внутренний объектив
E — призма
F — оборачивающая система линз
G — окулярная сетка
H — окуляр

Стереомикроскопы предназначены для тонких работ под микроскопом, например в часовом деле, микроэлектронике, микромоделизме, нейрохирургии и т. п. Для таких работ нужно правильно оценивать положение наблюдаемых объектов под микроскопом в трёх координатах, для чего требуется стереовидение, большая глубина резкости (глубина зрения) и значительное пространство под объективом для работы. Стереомикроскопы имеют невысокое увеличение (несколько единиц или десятков), большое рабочее расстояние объектива (расстояние от оптики до точки наблюдения, обычно несколько сантиметров), в них нет регулируемых столиков и встроенных систем освещения. Для удобства работы стереомикроскоп не «переворачивает» изображение. Объектив стереомикроскопа чаще всего несменный.

Металлографические микроскопы

В инвертированном микроскопе образец наблюдается снизу

Специфика металлографического исследования заключается в необходимости наблюдать структуру поверхности непрозрачных тел. Поэтому микроскоп построен по схеме отражённого света, где имеется специальный осветитель, установленный со стороны объектива. Система призм и зеркал направляет свет на объект, далее свет отражается от непрозрачного объекта и направляется обратно в объектив^[4].

Современные прямые металлургические микроскопы характеризуются большим расстоянием между поверхностью столика и объективами и большим вертикальным ходом столика, что позволяет работать с крупными образцами. Максимальное расстояние может достигать десятки сантиметров^[8]. Но обычно в материаловедении используются инвертированные микроскопы, как не имеющие ограничения на размер образца (только на вес) и не требующие параллельности опорной и рабочей граней образца (в этом случае они совпадают).

Поляризационные микроскопы

При отражении света от объектов его поляризация может изменяться. Чтобы визуально выявить такие объекты, их освещают поляризованным светом, полученным после специального поляризационного фильтра. Отразившись, свет проходит через оптический тракт поляризационного микроскопа, в котором установлен второй поляризационный фильтр. Таким образом, через эту пару фильтров пройдет только тот свет, который соответствующим образом изменит свою поляризацию при отражении от наблюдаемого препарата. Остальные участки препарата окажутся затемнены.

Люминесцентные микроскопы

Люминесцентный микроскоп Альтами ЛЮМ 1. Черная коробочка позади микроскопа — источник ультрафиолета

Некоторые вещества обладают люминесцентными свойствами, то есть способны светиться в видимом спектре при облучении ультрафиолетом. Люминесцентные микроскопы — это микроскопы, снабжённые ультрафиолетовым осветителем для наблюдения свечения таких препаратов. Поскольку свечение возникает со стороны ультрафиолетового освещения, то максимально эффективна будет подсветка ультрафиолетом со стороны наблюдателя, то есть прямо через объектив микроскопа. Люминесцентные микроскопы содержат ультрафиолетовый источник и специальную оптическую схему для подсветки через объектив. Кроме того, они снабжаются специальными объективами, пропускающими ультрафиолет и не имеющими собственной паразитной люминесценции в ультрафиолете. Такие объективы маркируются FLUOR или аналогично. Люминесцентные микроскопы применяются для проведения иммунохимических, иммунологических, иммуноморфологических и иммуногенетических исследований.

Измерительные микроскопы

Измерительные микроскопы служат для точного измерения угловых и линейных размеров наблюдаемых объектов. Для оценки размеров в оптическом тракте микроскопа имеется образцовый рисунок (штриховка или другие знаки) с известным проецируемым размером. Используются в лабораторной практике, в технике и машиностроении.

См. также

Примечания

Какое значение имело изобретение микроскопа? История изобретения микроскопа



Какое значение имело изобретение микроскопа? История изобретения микроскопа li { font-size:1. 06rem; } }.sidebar .widget { padding-left: 20px; padding-right: 20px; padding-top: 20px; }::selection { background-color: #4f4f4f; } ::-moz-selection { background-color: #4f4f4f; }a,.themeform label .required,#flexslider-featured .flex-direction-nav .flex-next:hover,#flexslider-featured .flex-direction-nav .flex-prev:hover,.post-hover:hover .post-title a,.post-title a:hover,.sidebar.s1 .post-nav li a:hover i,.content .post-nav li a:hover i,.post-related a:hover,.sidebar.s1 .widget_rss ul li a,#footer .widget_rss ul li a,.sidebar.s1 .widget_calendar a,#footer .widget_calendar a,.sidebar.s1 .alx-tab .tab-item-category a,.sidebar.s1 .alx-posts .post-item-category a,.sidebar.s1 .alx-tab li:hover .tab-item-title a,.sidebar.s1 .alx-tab li:hover .tab-item-comment a,.sidebar.s1 .alx-posts li:hover .post-item-title a,#footer .alx-tab .tab-item-category a,#footer .alx-posts .post-item-category a,#footer .alx-tab li:hover .tab-item-title a,#footer .alx-tab li:hover .tab-item-comment a,#footer .alx-posts li:hover . post-item-title a,.comment-tabs li.active a,.comment-awaiting-moderation,.child-menu a:hover,.child-menu .current_page_item > a,.wp-pagenavi a,.entry.woocommerce div.product .woocommerce-tabs ul.tabs li.active a{ color: #4f4f4f; }.themeform input[type=»submit»],.themeform button[type=»submit»],.sidebar.s1 .sidebar-top,.sidebar.s1 .sidebar-toggle,#flexslider-featured .flex-control-nav li a.flex-active,.post-tags a:hover,.sidebar.s1 .widget_calendar caption,#footer .widget_calendar caption,.author-bio .bio-avatar:after,.commentlist li.bypostauthor > .comment-body:after,.commentlist li.comment-author-admin > .comment-body:after,.themeform .woocommerce #respond input#submit.alt,.themeform .woocommerce a.button.alt,.themeform .woocommerce button.button.alt,.themeform .woocommerce input.button.alt{ background-color: #4f4f4f; }.post-format .format-container { border-color: #4f4f4f; }.sidebar.s1 .alx-tabs-nav li.active a,#footer .alx-tabs-nav li.active a,.comment-tabs li.active a,.wp-pagenavi a:hover,. wp-pagenavi a:active,.wp-pagenavi span.current,.entry.woocommerce div.product .woocommerce-tabs ul.tabs li.active a{ border-bottom-color: #4f4f4f!important; } .search-expand, #nav-topbar.nav-container { background-color: #282828}@media only screen and (min-width: 720px) { #nav-topbar .nav ul { background-color: #282828; } } #header { background-color: #dddddd; } @media only screen and (min-width: 720px) { #nav-header .nav ul { background-color: #dddddd; } ]]>

Микроскоп — Википедия

Микроскоп Левенгука XVII века с увеличением до 300x.^[1] Микроскоп, 1876 год Бинокулярный (стерео) микроскоп Olympus_SZIII Stereo microscope. Модель 1970-х годов Микроскопы 18 века

Микроско́п (др.-греч. μικρός «маленький» + σκοπέω «смотрю»^[2]) — прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом.

Совокупность технологий и методов практического использования микроскопов называют микроскопией.

История создания

Рисунок микроскопа из английского словаря 1911 года. 1 — окуляр; 2 — револьвер для смены объективов; 3 — объектив; 4 — кремальера для грубой наводки; 5 — микрометрический винт для точной наводки; 6 — предметный столик; 7 — зеркало; 8 — конденсор.

Первые микроскопы, изобретённые человечеством, были оптическими, и первого их изобретателя не так легко выделить и назвать. Возможность скомбинировать две линзы так, чтобы достигалось большее увеличение, впервые предложил в 1538 году итальянский врач Дж. Фракасторо. Самые ранние сведения о микроскопе относят к 1590 году и городу Мидделбург, что в Голландии, и связывают с именами Иоанна Липперсгея (который также разработал первый простой оптический телескоп) и Захария Янсена, которые занимались изготовлением очков^[3]. Чуть позже, в 1624 году Галилео Галилей представляет свой составной микроскоп, который он первоначально назвал «оккиолино»^[4] (occhiolino итал.  — маленький глаз). Годом спустя его друг по Академии Джованни Фабер (англ.)русск. предложил для нового изобретения термин микроскоп.

Разрешающая способность

Разрешающая способность микроскопа — это способность выдавать чёткое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Степень проникновения в микромир, возможности его изучения зависят от разрешающей способности прибора. Эта характеристика определяется прежде всего длиной волны используемого в микроскопии излучения (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.

«Проникнуть глубже» в микромир возможно при применении излучений с меньшими длинами волн.

Виды

Виды:

Оптические микроскопы

Современный металлографический микроскоп Альтами МЕТ 3М

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличны один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет ~0,2 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины.

До середины XX века работали только с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400—700 нм, а также с ближним ультрафиолетом (люминесцентный микроскоп). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2—0,7 мкм, или 200—700 нм). Таким образом, оптический микроскоп способен различать структуры с расстоянием между точками до ~0,20 мкм, поэтому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло ~2000 крат.

Электронные микроскопы

Электронный микроскоп. Модель 1960-х годов

Пучок электронов, которые обладают свойствами не только частицы, но и волны, может быть использован в микроскопии.

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

Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема.

Сканирующие зондовые микроскопы

Класс микроскопов, основанных на сканировании поверхности зондом.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — относительно новый класс микроскопов. На СЗМ изображение получают путём регистрации взаимодействий между зондом и поверхностью. На данном этапе развития возможно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами, благодаря чему СЗМ по разрешающей способности сопоставимы с электронными микроскопами, а по некоторым параметрам превосходят их.

Рентгеновские микроскопы

Рентге́новский микроско́п — устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра.

Рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нанометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров^[5].

Галерея оптических микроскопов

• Лабораторные микроскопы

• Бинокулярные лабораторные микроскопы

• Оптическая схема бинокулярной насадки микроскопа

• Стереоскопический микроскоп

• Микроскопические объективы

• Микроскопические объективы

• Микроскопические объективы

• Окуляры микроскопа

• Окуляры с микрометрической шкалой

• Окуляры микроскопа

• Окуляры микроскопа

Узлы и механизмы оптического микроскопа

• Предметный столик с препаратоводителем

• Револьвер с объективами

• Макро- и микровинт

• Тубус микроскопа без окуляра

• Станина, отражающее зеркало

• Предметный столик снизу — конденсор, ножки станины

• Отражающее зеркало под конденсором

• Макро- и микровинт

• Предметный столик

См. также

Примечания

Литература

• Микроскопы. Л., 1969
• Проектирование оптических систем. М., 1983
• Иванова Т. А., Кирилловский В. К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. М., 1984
• Кулагин С. В., Гоменюк А. С. и др. Оптико-механические приборы. М., 1984

Ссылки

микроскопов | Национальное географическое общество

Микроскоп — это инструмент, который используется для увеличения небольших объектов. Некоторые микроскопы можно использовать даже для наблюдения за объектом на клеточном уровне, что позволяет ученым увидеть форму клетки, ее ядра, митохондрий и других органелл. Современный микроскоп состоит из множества частей, но наиболее важными из них являются линзы. Именно через линзы микроскопа изображение объекта можно увеличить и рассмотреть в деталях. Простой световой микроскоп манипулирует тем, как свет попадает в глаз, с помощью выпуклой линзы, у которой обе стороны линзы изогнуты наружу.Когда свет отражается от объекта, который рассматривается под микроскопом, и проходит через линзу, он изгибается к глазу. Это делает объект больше, чем он есть на самом деле.

На протяжении всей истории микроскопа технологические инновации сделали его более простым в использовании и улучшили качество получаемых изображений. Составной микроскоп, состоящий как минимум из двух линз, был изобретен в 1590 году голландскими мастерами по производству очков Захариасом и Хансом Янсеном.Некоторые из самых ранних микроскопов были также сделаны голландцем по имени Антуан Ван Левенгук. Микроскопы Левенгука представляли собой небольшой стеклянный шар, помещенный в металлический каркас. Он стал известен тем, что использовал свои микроскопы для наблюдения за пресноводными одноклеточными микроорганизмами, которые он называл «анималкулами».

В то время как некоторые старые микроскопы имели только одну линзу, в современных микроскопах для увеличения изображения используется несколько линз. В составном микроскопе и в препаровальном микроскопе (также называемом стереомикроскопом) есть два набора линз.Оба этих микроскопа имеют линзу объектива, которая находится ближе к объекту, и окуляр, через который вы смотрите. Линза окуляра обычно увеличивает объект, чтобы он выглядел в десять раз больше его фактического размера, в то время как увеличение линзы объектива может варьироваться. Составные микроскопы могут иметь до четырех линз объектива с разным увеличением, и микроскоп можно отрегулировать для выбора увеличения, которое наилучшим образом соответствует потребностям зрителя. Общее увеличение, обеспечиваемое определенной комбинацией линз, определяется путем умножения увеличений окуляра и используемой линзы объектива.Например, если и окуляр, и линза объектива увеличивают объект в десять раз, объект будет казаться в сто раз больше.

Рассматривающий микроскоп обеспечивает меньшее увеличение, чем составной микроскоп, но дает трехмерное изображение. Это делает препаровальный микроскоп подходящим для просмотра объектов, которые больше нескольких клеток, но слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть человеческим глазом в деталях. Составной микроскоп обычно используется для наблюдения за объектами на клеточном уровне.

История электронного микроскопа — ускоряющая микроскопия

Нобелевский лауреат д-р Алан Финкель недавно сказал : «Без микроскопии нет современной науки». Однако задумывались ли вы, как были созданы эти инструменты? Микроскопы прошли долгий путь с тех пор, как столетия назад была представлена ​​первая версия, равно как и важные открытия, которые сейчас могут сделать ученые. В частности, инструменты криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) теперь для ученых то же самое, что скальпели для хирургов — инструменты действия, а не просто наблюдения.

Крио-ЭМ изображение изображает взаимодействие между клеткой мозга (синий) и синтетическим материалом (зеленый), имитируя внеклеточную среду.

Люди по своей природе любопытны, и наше увлечение неизвестным заставляет нас копаться в некоторых из самых сложных жизненных проблем. Современные микроскопы помогают ученым увидеть структуру вирусов и белков в 3D! Ученые теперь используют эти передовые микроскопы и новые технологии для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона; а также раковые заболевания, включая ВИЧ, малярию, вирус Зика и многие другие. Лучшее понимание того, как функционируют белки и вирусы, может помочь исследователям ускорить путь к более эффективным методам лечения и терапии.

Начало микроскопии

Эволюция микроскопа началась почти сразу же после его создания в 1500-х годах. Когда ученые в 16 ^и веках начали делать успехи в биологии и химии, они знали, что им нужно будет видеть больше, чем позволял невооруженный глаз. Их решение состояло в том, чтобы использовать стекло для отражения света, создавая таким образом увеличительное стекло.Но что произойдет, если они соединят несколько линз вместе? В конце XVI века два голландских мастера по изготовлению очков, Захариас Янссен и его отец Ганс, взяли на себя ответственность выяснить это. Они сложили несколько линз в трубку и поняли, что вместе они заставляют предметы казаться намного больше, чем под одним увеличительным стеклом. Поскольку максимальное увеличение составляло всего 9x, они были скорее новинкой, чем научным инструментом.

Очерк раннего открытия природы в микроскопе, сделанного Антони Ван Левенгук в 1825 году.

Энтони Ван Левенгук, голландский ученый и один из пионеров микроскопии, стал первым, кто создал и использовал микроскоп в научных целях. Его ручные однообъективные микроскопы были созданы путем шлифовки, а затем полировки стеклянных шариков в изогнутые линзы, обнаружив, что кривизна позволяет ему видеть объекты в 270 раз больше, чем невооруженным глазом. Для сравнения: микроскопы с плоскими линзами могли видеть только до 50-кратного увеличения. Он использовал свой новый микроскоп для анализа насекомых и, в конечном итоге, для обнаружения бактерий, за что получил титул «Отец микроскопа».”

Чтобы использовать возможности однообъективного микроскопа, ученым пришлось найти способ уменьшить фокусное расстояние микроскопа при сохранении диаметра линзы. Если линза будет уменьшена слишком сильно, будет трудно видеть сквозь нее, а изображения могут стать размытыми. Решение: сложные микроскопы.

В составном микроскопе используются две или более линзы для увеличения изображения до большего увеличения. Его основная структура состоит из двух частей:

1. объектив, ближайшая к просматриваемому объекту линза, и

2.окуляр, ближайший к глазу объектив.

В совокупности эти новые составные микроскопы позволяют исследователям видеть одноклеточные организмы, дрожжи и другие строительные блоки жизни с беспрецедентной детализацией, несмотря на то, что изображения слегка искажаются из-за низкого качества стекла и неправильной формы линз. По своей сути, даже современные массивные микроскопы считаются составными микроскопами.

От фотонов к электронам

В 1900 году микроскопы видимого света достигли теоретического предела разрешения.Физика диктует, что световые микроскопы ограничены увеличением от 500x до 1000x и разрешением 0,2 микрометра (2000 ангстрем). Четыре года спустя компания Carl Zeiss преодолела это ограничение и представила первый коммерческий ультрафиолетовый микроскоп, который имел разрешение в два раза больше, чем микроскоп видимого света. Тем не менее, только почти 30 лет спустя исследователи нашли способ полностью преодолеть эти ограничения.

В 1931 году два немецких ученых, Эрнст Руска и Макс Кнолль, нашли способ достичь разрешения, превышающего разрешение света.Они перестали использовать свет, вместо этого осознав, что могут передавать электроны через образец для формирования изображения. Это открытие привело к созданию первого просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), в котором электроны направляются прямо на образец и проходят через него для создания изображения.

Десять лет спустя Руска создал аналогичный, но другой подход, используя сфокусированный пучок электронов для сканирования поверхности образца по прямоугольной схеме, чтобы предоставить информацию о его топографии и составе.В отличие от ПЭМ, изображение с этого нового сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) было создано после того, как микроскоп собрал и подсчитал рассеянные электроны.

Микрофотографии, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, эмбрионов Palaemonetespugio (травяной креветки), показывающие развитие эмбриональной оболочки, начиная с 1933 г.

Going Digital

В 1986 году японские ученые представили цифровой микроскоп, который, по мнению многих, произвел революцию в микроскопии.Они создали способ передачи изображения из-под микроскопа на компьютер для мгновенного анализа. В настоящее время микроскопы имеют встроенные мониторы с высоким разрешением, что устраняет необходимость во внешнем компьютере для просмотра изображений.

Переход от 2D к 3D с Cryo-EM

Основной проблемой микроскопии, даже до недавнего времени, было воссоздание нечетких 2D-изображений в виде четких 3D-структур. В течение почти двух десятилетий трое исследователей — Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон — создали методику создания трехмерной структуры белка на атомном уровне с помощью электронного микроскопа.В их методе использовалось стеклование для охлаждения образца до криогенных температур, что позволяло биомолекулам сохранять свою форму в вакууме. Этот подход, получивший название криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), был удостоен Нобелевской премии по химии в 2017 году.

Изображение рождения углеродной нанотрубки из наночастицы феррита кобальта, полученное с помощью крио-ТЕМ Thermo Scientific Krios 3Gi.

Оглядываясь назад, можно сказать, что микроскоп прошел долгий путь. От однолинзовых луп до современных массивных электронных микроскопов — эта технология меняет науку.Благодаря развитию микроскопов мы можем видеть предметы на атомном уровне и в 10 000 000 раз больше, чем может видеть человеческий глаз.

Чтобы узнать больше о микроскопии, заполните эту форму и поговорите со специалистом.

Поделиться статьей

Гук, Левенгук и Яннсен, Легкие составные и электронные микроскопы

Углубляясь в историю микроскопа, мы должны начать с доисторических времен, до того, как были сделаны письменные записи.Люди — любопытные существа, и предполагается, что кто-то нашел чистый камень или кристалл, который был относительно гладким, но шире в середине, чем по краям. Этот кристалл сделал бы объекты позади него больше. Мало того, когда солнечные лучи проходили через него, объект, на который он был направлен, нагревался до точки возгорания. Позже в Риме, где ценились практические вещи, эти увеличивающие камни были отмечены в трудах Сенеки и как прижигающие кристаллы Плинием Старшим.

Хотя в некоторых ремеслах они использовались для ограниченного увеличения, такие кристаллы были относительно редки и поэтому не получили широкого распространения. Еще древние знали, что вода в прозрачном сосуде может увеличиваться, но искажение изображения и расходы часто делали обычное использование непрактичным. Однако примерно в конце 1200-х годов технологии изготовления стекла в сочетании с прогрессом в понимании оптики позволили изобрести очки или очки с линзами (называемыми линзами из-за их сходства с чечевицей ¹ ).

Очки от блох

Следующий шаг к микроскопу был сделан в 1500-х годах, когда была разработана небольшая трубка, снабженная двумя кусками стекла, так что часть ближе к глазу была выпуклой, а другая оканчивалась плоским куском стекла. Это устройство обычно использовалось для пристального изучения маленьких существ, таких как блохи. Таким образом, «блошиное стекло» вошло в обиход. Тем не менее, он воспринимался скорее как салон для развлечения, чем как инструмент для продвижения научных исследований.

Голландское влияние

Некоторые голландские производители очков увидели возможность получить еще большее увеличение за счет такой компоновки. Захариас и Ганс Янссен (1590-е годы) создали первые устройства для увеличения объектов крупным планом и на расстоянии с помощью двух выпуклых линз. Их микроскоп теперь называют «составным микроскопом». Но именно Антон ван Левенгук (хотя в его микроскопе была только одна линза) наконец нашел практическое и научное применение в микроскопе.Его собственное изобретение было основано на увеличительных стеклах, которые использовались для подсчета нитей в текстильных изделиях (для измерения качества тканого материала в магазинах сухих товаров). Он создал свои собственные крошечные линзы с экстремальной кривизной, которые могли увеличивать объекты в 270 раз. Их он поместил на тонкую доску, которая была соединена болтами и скобами с иглой, в которой находился образец. Болты можно было поворачивать, чтобы отрегулировать расстояние, на котором образец удерживался от апертуры, для лучшего и более сфокусированного просмотра.(См. Иллюстрацию.)

Ван Левенгук стал отцом микроскопии за подробные наблюдения, которые он делал с помощью этого устройства, а также за проводимые им эксперименты. Студенты-энтомологи, изучающие насекомых, использовали его стиль микроскопа в течение нескольких столетий. Он получил известность за изучение кровотока в капиллярах, микроскопических организмов в воде и дрожжей. Он сообщил о своих открытиях Королевскому обществу Англии и Французской академии.

Роберт Гук

Еще одним пионером в использовании микроскопа был Роберт Гук, англичанин и член Королевского общества примерно в то же время, что и сэр Исаак Ньютон. Он опубликовал книгу под названием Micrographia , которая, среди прочего, содержала рисунки более 100 образцов и описывала использование и преимущества микроскопа. Гук помог людям серьезно относиться к устройству, которое в то время считалось столь же полезным, как калейдоскоп.

Развитие микроскопов ускоряется

По мере роста спроса со стороны исследователей, ученых, естествоиспытателей и университетских исследователей прогресс в разработке микроскопов ускорился.Были построены гениальные механизмы для регулировки фокуса с помощью движущихся линз, прямого света через зеркала и стабилизации платформы. Все лучшая и лучшая оптика и линзы делали возможными увеличения, которые вряд ли можно было вообразить в древние времена, открывая мир, о котором мало кто подозревал и еще меньшее количество представляли. Составной световой микроскоп может увеличить объект в 2000 раз при обычном свете и до 5000 раз при синем свете. (Хотя новые методы таких ученых, как Гесс и Бетциг, еще больше расширяют увеличение. ² )

Но, как это принято в исследованиях людей, заядлый ученый хотел пойти еще дальше в неизведанный мир малых размеров. Световой микроскоп, независимо от того, сколько линз он использует, может только увеличивать изображение. Его ограничения основаны на длине волны света. В какой-то момент объекты становятся настолько маленькими, что они не отражают или не искажают свет в достаточной степени, чтобы создать изображение для невооруженного глаза. Эта точка составляет 0,275 микрометра или примерно 1/100 000 дюйма. Но есть лучи с длиной волны короче света.Хитрость заключается в том, чтобы поймать их и превратить в то, что видит глаз.

Разработка электронного микроскопа

В 1931 году родилась идея электронного микроскопа. Два немца, Эрнст Руска и Макс Нотт, стреляли электронами с очень высокой скоростью в вакууме через отверстие на длине волны в 100 000 раз меньшей, чем у света. К этому времени было изобретено искусство фотографии, и выстрелы электронов прошли через образец и попали на чувствительную к ним фотопластинку. Оставшееся изображение было изображением образца. Используя этот метод, можно увидеть даже отдельные атомы и молекулы. Это увеличение в миллион раз. Однако недостатком этого устройства является то, что образец также должен находиться в вакууме. В таком положении большинство живых существ не могут выжить и не будут действовать нормально. Таким образом, большинство полученных изображений неподвижны и неподвижны.

Сегодня световой микроскоп все еще широко используется, особенно в науках о жизни, где он весьма полезен для наблюдения биологических процессов.Постоянно предпринимаются попытки нового использования видео, пятен, красителей и других техник, чтобы повысить ценность этого инструмента. Электронные микроскопы намного дороже в использовании, поэтому они чаще используются в исследованиях с большими бюджетами и очень большим увеличением. Качественные световые микроскопы легко доступны и распространены в школах и даже в домах тех, кто жаждет исследований и обучения.

Следующая страница: Составные световые микроскопы (светлое поле)

---

1. Он-лайн словарь этимологии на линзе Word
2. PhysOrg.com

---

История микроскопа

Микроскопы — важное изобретение, от которого до сих пор в значительной степени полагаются во многих отраслях промышленности. История микроскопа насчитывает сотни лет, и знаменитое устройство претерпело множество изменений по мере своего развития. В то время как древние цивилизации, такие как римляне, экспериментировали с изгибающимися световыми свойствами стеклянных линз, история изобретения микроскопа начинается в конце 16 века.

Первый микроскоп

В 1590-х годах два голландских производителя очков, Ханс и Захариас Янссен, начали экспериментировать со стеклянными увеличительными линзами. До этого мир знал только лупы с максимальной силой увеличения 6-10x.

Два производителя очков поместили несколько увеличительных линз внутрь трубки и обнаружили, что объекты, просматриваемые через трубку, были значительно увеличены, намного больше, чем можно было бы получить с помощью обычного увеличительного стекла. Так родился первый микроскоп.

Однако первые микроскопы были скорее новинкой, которая не использовалась для каких-либо научных целей, так как изображение, полученное микроскопом, было размытым. Это изменилось только в 17 веке.

Историки могут датировать изобретение началом 1590-х годов благодаря голландскому дипломату Уильяму Борилу, давнему другу семьи Янссенов, который написал письмо французскому королю в 1650-х годах, в котором подробно описывается происхождение микроскопа. Он описал устройство, которое вертикально возвышалось над медным штативом длиной почти два с половиной фута.Основная труба была дюйм или два в диаметре и содержала диск из черного дерева в основании с вогнутой линзой на одном конце и выпуклой линзой на другом; Комбинация линз позволила прибору отклонять свет и увеличивать изображения от трех до девяти раз по сравнению с размером исходного образца.

Никаких ранних моделей микроскопов Janssen не сохранилось, но в музее Миддлбурга есть микроскоп, датированный 1595 годом и носящий имя Janssen. Конструкция несколько отличается: она состоит из трех труб, две из которых являются вытяжными трубами, которые могут вставляться в третью, которая действует как внешний кожух.Микроскоп является портативным, его можно сфокусировать, вставляя или выдвигая вытяжную трубку во время наблюдения за образцом, и он способен увеличивать изображения до десяти раз по сравнению с их первоначальным размером при максимальном увеличении. ¹

Микроскоп с одной линзой

Micrographia, опубликованная в 1665 году, — это историческая книга Роберта Гука, в которой документированы его наблюдения через различные объективы. Он был одним из первых, кто внес существенные улучшения в базовую конструкцию.

Микроскоп

Гука имел общие черты с ранними телескопами: наглазник для поддержания правильного расстояния между глазом и окуляром, отдельные вытяжные тубусы для фокусировки и шарнирно-шарнирное соединение для наклона корпуса.Для оптики Гук использовал двояковыпуклую линзу объектива, помещенную в мордочку, в сочетании с линзой окуляра и тубусом или полевой линзой. К сожалению, такая комбинация привела к тому, что линзы страдали от значительной хроматической и сферической аберрации, что приводило к очень плохим изображениям. Он попытался исправить аберрации, поместив небольшую диафрагму в оптический путь, чтобы уменьшить количество периферийных световых лучей и повысить резкость изображения, но это привело только к очень темным образцам. Поэтому он пропустил свет масляной лампы через стакан, наполненный водой, чтобы рассеять свет и осветить свои образцы.Но изображения оставались размытыми1. Micrographia — это первый научный бестселлер, которому приписывают создание термина «клетка».

В 1674 году голландский торговец тканями и ученый по имени Энтони Ван Левенгук стал первым человеком, который создал и использовал микроскоп в научных целях.

Отшлифовав и отполировав небольшой стеклянный шар, Левенгук смог создать линзу с 270-кратным увеличением, что было неслыханным делом в то время. С помощью своего микроскопа он смог обнаружить присутствие бактерий, клеток крови, дрожжей и других микроскопических существ.

Микроскопы XVIII и XIX веков

В течение 18 века история микроскопа была наполнена техническими инновациями, которые позволили производить и совершенствовать микроскопы. Микроскопия стала очень популярной среди ученых.

В 1830 году прототип составного микроскопа был создан, когда Джозеф Джексон Листер создал способ уменьшения сферической аберрации, известной как хроматический эффект, путем объединения нескольких слабых линз без размытия изображения, в отличие от линз с большим увеличением.

В 1872 году директор по исследованиям Zeiss Optical Works Эрнст Аббе разработал условие синуса Аббе, математическую формулу, которая обеспечивает максимальное разрешение в микроскопе.

Современные микроскопы ХХ века и за его пределами

В 1900-е годы появились инструменты, которые позволяли изображению оставаться в фокусе при изменении увеличения микроскопа. В 1903 году Ричард Зигмонди изобрел микроскоп, ультрамикроскоп, с помощью которого можно было изучать объекты с длиной волны ниже длины волны света.

Благодаря значительно улучшенному разрешению, методы повышения контрастности, цифровая визуализация, флуоресцентное окрашивание и многое другое произвели революцию в таких областях, как химия, физика, биология и микроэлектроника.

В 1925 году Жигмонди получил Нобелевскую премию по химии.

К 1931 году был изобретен электронный микроскоп. В то время как ранее изобретенные микроскопы использовали свет для наблюдения за объектами, в электронном микроскопе используются электроны, длина волны которых в 100000 раз больше длины волны света.

В 1932 году Фриц Зернике изобрел фазово-контрастный микроскоп. Фазово-контрастный микроскоп позволяет исследовать бесцветные и прозрачные биологические материалы.

В 1953 году Зернике получил Нобелевскую премию по физике.

В 1982 году Генрих Рорер и Герд Бинниг изобрели сканирующий туннельный микроскоп. Этот микроскоп позволяет зрителю видеть трехмерные изображения объектов. Это самый мощный из когда-либо созданных микроскопов.

В 1986 году Рорер и Бинниг получили Нобелевскую премию по физике.

Сегодня можно выполнять флуоресцентную микроскопию живых клеток в их естественной среде в реальном времени, а в 1999 году Intel и Mattel совместно разработали компьютерный микроскоп Intel Play QX3 стоимостью 100 долларов (с момента прекращения производства), выводя прибор на потребительский рынок. И, в духе первых пионеров микроскопических исследований, ученые из Университета штата Флорида завершили кругозор в этой области, превратив свои передовые инструменты в обычные повседневные предметы, такие как общеамериканский основной продукт, гамбургеры и картофель фри, детализируя тонкие срезы зерна пшеницы. , ткань лука, гранулы крахмала в ткани картофеля и кристаллизованные белки сыра.1

Узнать больше

История микроскопа за долгие годы претерпела множество изменений. Если вы хотите узнать больше о микроскопах или приобрести их, просмотрите наш большой выбор микроскопов в зависимости от области применения.

---

¹ © 1995 — 2011, AMERICAN PHYSICAL SOCIETY
² http://en.wikipedia.org/wiki/Reading_stone

Введение в электронную микроскопию — История

Слово микроскоп происходит от греческих слов mikros (маленький) и skopeo (посмотрите на).С самого начала науки существовал интерес к возможности смотреть на все более мелкие детали мира вокруг нас. Биологи хотели изучить структуру клеток, бактерий, вирусов и коллоидных частиц. Материаловеды хотели видеть неоднородности и дефекты в металлах, кристаллах и керамике. В геологии подробное изучение горных пород, минералов и окаменелостей в микроскопическом масштабе дает представление о происхождении нашей планеты и ее ценных минеральных ресурсах.

Никто доподлинно не знает, кто изобрел микроскоп. Световой микроскоп, вероятно, развился на основе телескопа Галилея в 17 веке. Один из самых ранних инструментов для наблюдения за очень маленькими объектами был создан голландцем Антонием ван Левенгук (1632-1723) и состоял из мощной выпуклой линзы и регулируемого держателя для исследуемого объекта. С помощью этого удивительно простого микроскопа Ван Левенгук мог увеличивать объекты до 400x; и с его помощью он открыл простейшие, сперматозоиды и бактерии и смог классифицировать эритроциты по форме.Ограничивающим фактором в микроскопе Ван Левенгука была единственная выпуклая линза, которую позже исправили добавлением второй линзы, что дало нам составной микроскоп — основу современных световых микроскопов.

В 18 веке технологические инновации и усовершенствования конструкции позволили микроскопам завоевать популярность среди ученых и исследователей во всех областях биологии человека, ботаники, зоологии, геологии и материаловедения. Спустя сто лет, в 1920-х годах, было обнаружено, что ускоренные электроны ведут себя в вакууме во многом как свет.Кроме того, было обнаружено, что электрические и магнитные поля могут использоваться для формирования путей, по которым движутся электроны, подобно тому, как стеклянные линзы используются для изгиба и фокусировки видимого света. Эрнст Руска из Берлинского университета вместе с Максом Кноллем объединил эти характеристики и построил первый просвечивающий электронный микроскоп (ТЕМ) в 1931 году, за который Руска был удостоен Нобелевской премии по физике в 1986 году.

29 декабря 1959 года Известный физик Ричард Фейнман пригласил ученых войти в новую область открытий в своей лекции под названием «На дне много места», прочитанной на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт).Многие считают, что этот разговор явился началом современной области нанотехнологий, науки о манипулировании структурами молекулярного и атомного уровней для создания микроскопических устройств.

Далее: Типы микроскопов

Обзоры микроскопов — Помощь в выборе подходящего микроскопа

Здравствуйте и добро пожаловать на Microscope Spot, лучший сайт в Интернете для обзоров микроскопов, рейтингов и руководств, написанных настоящими учеными или энтузиастами микроскопа.

Что отличает нас от других сайтов, так это то, что мы даем только объективные и честные советы, без жаргона! Микроскопы — наша страсть, поэтому мы знаем, о чем говорим.

Микромир — удивительное место, наполненное чудесами и обещанием действительно изменить мир открытий. Фактически, многие научные открытия не были бы сделаны без помощи микроскопов, в современном мире они необходимы.

Многие из нас помнят, как в детстве впервые посмотрели в микроскоп, и для многих именно этот внушающий трепет опыт побудил наши любопытные умы искать знания в увлекательной и увлекательной форме.

Независимо от того, сколько вам лет и сколько места занимаете, мы никогда не прекращаем учиться, и именно это делает жизнь такой прекрасной. Ищете ли вы лучший детский микроскоп для интерактивного обучения или USB-микроскоп для домашнего использования, мы здесь, чтобы помочь вам принять обоснованное решение.

Покупка микроскопа любого типа никогда не бывает легкой задачей. Эти сложные инструменты сложны и часто оснащены множеством различных функций. Независимо от того, являетесь ли вы родителем, патологом, любителем или кем-то еще, мы здесь, чтобы предоставить заслуживающие доверия и высококачественные обзоры микроскопов, которые помогут вам в вашем пути.

Обзоры микроскопов и руководство для покупателей Категории

В наших обзорах микроскопов вы найдете честную и практическую информацию и рекомендации по ряду лучших микроскопов. Кроме того, вы найдете руководства для покупателей, которые ответят на некоторые из наиболее часто задаваемых вопросов.

Просто нажмите на ссылку ниже, чтобы перейти к интересующей вас теме. На этой странице вы можете прочитать отдельные обзоры, статьи и руководства.

Лучшие микроскопы для детей — Мамы и папы задают много важных вопросов, когда покупают микроскоп для своих детей.Это цель этой статьи, в ней представлены обзоры лучших детских микроскопов, а также руководство, которое проведет вас через различные обзоры

USB-микроскопов — USB-микроскопы — недавняя инновация, которая открыла микромир больше, чем когда-либо раньше, а с USB-микроскопом вы можете получить интерактивный опыт дома за небольшую плату. В этой статье мы рассмотрим лучшие варианты USB, рассмотрим их особенности, стоимость и другие важные рекомендации.

Карманные микроскопы — Эти мини-микроскопы — первый по-настоящему портативный микроскоп, обеспечивающий простоту транспортировки и максимальное удобство.Мы рассматриваем лучшие карманные микроскопы, плюсы и минусы, на какие функции следует обращать внимание, а чего следует избегать.

Составные микроскопы — Эти сверхсовременные микроскопы обеспечивают мощную визуализацию и, как следствие, являются идеальным микроскопом для исследователей и других профессионалов. В этой статье мы рассмотрим 3 лучших составных микроскопа и рассмотрим лучшие особенности, чего следует избегать и что еще следует учитывать при выборе между различными моделями и брендами.

Стереомикроскопы — Стереомикроскоп — это вариант с малым увеличением, обеспечивающий трехмерное наблюдение объекта.Посмотрите, как они работают, для чего используются и как выбирать лучшие модели.

The Essential Guide to Microscopes — Как следует из названия, в нем будет указано, какой именно прицел вам следует использовать в зависимости от вашего уровня опыта, возраста и области применения.

Лучшие статьи о микроскопах

Вот самые популярные статьи о микроскопах, которые вы найдете на сайте. Хотите ли вы узнать, как работают микроскопы, их историю или для чего они используются, вы обязательно найдете свои ответы Вот.

История оптических микроскопов — Удивительно, но микроскопы не были изобретены в одночасье, на самом деле развитие современных микроскопов было очень постепенным процессом экспериментов и инноваций.

Узнайте, кого вы должны поблагодарить за удобство использования вашего микроскопа и как они сделали различные открытия ответственными за их создание.

Как чистить микроскоп — Чистка микроскопа важна для его долговечности, узнайте, как именно следует ухаживать за микроскопом и, самое главное, как чистить хрупкую оптику.

Различные типы лабораторных микроскопов и их функции — Мы все видели микроскоп и использовали его в школе для выполнения различных теоретических задач, но для чего они используются в лабораториях? Узнай.