Самые невероятные фото, сделанные с помощью микроскопа — 2019

Ученые смогли сфотографировать атом водорода, запечатлев электронные облака. И хотя современные физики с помощью ускорителей могут определять даже форму протона, атом водорода, по-видимому, так и останется самым мелким объектом, изображение которого имеет смысл называть фотографией. «Лента.ру» представляет обзор современных методов фотографирования микромира.

Строго говоря, обычной фотографии в наши дни почти не осталось. Изображения, которые мы по привычке называем фотографиями и можем найти, к примеру, в любом фоторепортаже «Ленты.ру», вообще-то, являются компьютерными моделями. Светочувствительная матрица в специальном приборе (по традиции его продолжают называть «фотоаппаратом») определяет пространственное распределение интенсивности света в нескольких разных спектральных диапазонах, управляющая электроника сохраняет эти данные в цифровом виде, а потом другая электронная схема на основе этих данных отдает команду транзисторам в жидкокристаллическом дисплее. Пленка, бумага, специальные растворы для их обработки — все это стало экзотикой. А если мы вспомним буквальное значение слова, то фотография — это «светопись». Так что говорить о том, что ученым удалось сфотографировать

атом, можно лишь с изрядной долей условности.

Больше половины всех астрономических снимков уже давно делают инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Электронные микроскопы облучают не светом, а пучком электронов, а атомно-силовые и вовсе сканируют рельеф образца иглой. Есть рентгеновские микроскопы и магнитно-резонансные томографы. Все эти приборы выдают нам точные изображения различных объектов, и несмотря на то что о «светописи» говорить здесь, разумеется, не приходится, мы все же позволим себе именовать такие изображения фотографиями.

Эксперименты физиков по определению формы протона или распределения кварков внутри частиц останутся за кадром; наш рассказ будет ограничен масштабами атомов.

Оптика не стареет

Как выяснилось во второй половине XX века, оптическим микроскопам еще есть куда развиваться. Решающим моментом в биологических и медицинских исследованиях стало появление флуоресцентных красителей и методов, позволяющих избирательно помечать определенные вещества. Это не было «всего лишь новой краской», это был настоящий переворот.

Вопреки расхожему заблуждению, флуоресценция — это вовсе не свечение в темноте (последнее называется люминесценцией). Это явление поглощения квантов определенной энергии (скажем, синего света) с последующим излучением других квантов меньшей энергии и, соответственно, иного света (при поглощении синего испускаться будут зеленые). Если поставить светофильтр, который пропускает только излучаемые красителем кванты и задерживает свет, вызывающий флуоресценцию, можно увидеть темный фон с яркими пятнами красителей, а красители, в свою очередь, могут расцвечивать образец чрезвычайно избирательно.

Например, можно покрасить цитоскелет нервной клетки красным, синапсы выделить зеленым, а ядро — голубым. Можно сделать флуоресцентную метку, которая позволит обнаружить белковые рецепторы на мембране или синтезируемые клеткой в определенных условиях молекулы. Метод иммуногистохимического окрашивания совершил революцию в биологической науке. А когда генные инженеры научились делать трансгенных животных с флуоресцентными белками, этот метод пережил второе рождение: реальностью стали, например, мыши с окрашенными в разные цвета нейронами.

Фрагмент листа мангрового дерева, Avicennia marina при 40-кратном увеличении

Фрагмент листа мангрового дерева, Avicennia marina при 40-кратном увеличении

Фото: Daphne Zbaeren-Colbourn, для конкурса Nikon Small World

Для получения этого снимка (завоевавшего первое место на конкурсе Nikon Small World в 2000 году) использовалось сочетание флуоресцентной микроскопии со специальной методикой повышения контрастности прозрачных структур, основанной на разности скорости света в различных материалах.

1/5

Кроме того, инженеры придумали (и отработали на практике) метод так называемой конфокальной микроскопии. Суть его заключается в том, что микроскоп фокусируется на очень тонкий слой, а специальная диафрагма отсекает создаваемую объектами вне этого слоя засветку. Такой микроскоп может последовательно сканировать образец сверху вниз и получать стопку снимков, которая является готовой основой для трехмерной модели.

Использование лазеров и сложных оптических систем управления лучом позволило решить проблему выгорания красителей и высыхания нежных биологических образцов под ярким светом: луч лазера сканирует образец только тогда, когда это необходимо для съемки. А чтобы не тратить время и силы на осмотр большого препарата через окуляр с узким полем зрения, инженеры предложили автоматическую систему сканирования: на предметный столик современного микроскопа можно положить стекло с образцом, и прибор самостоятельно отснимет масштабную панораму всего образца. При этом в нужных местах он будет наводить на резкость, а затем склеит множество кадров воедино.

В некоторые микроскопы можно посадить живых мышей, крыс или хотя бы мелких беспозвоночных животных. Другие дают небольшое увеличение, зато совмещены с рентгеновским аппаратом. Многие для устранения помех от вибраций монтируются на специальных столах массой в несколько тонн внутри помещений с тщательно контролируемым микроклиматом. Стоимость подобных систем превышает стоимость иных электронных микроскопов, а конкурсы на самый красивый кадр давно стали традицией. Кроме того, продолжается и совершенствование оптики: от поиска лучших сортов стекла и подбора оптимальных комбинаций линз инженеры перешли к принципиально новым способам фокусировки света.

Мы специально перечислили ряд технических подробностей для того, чтобы показать: прогресс в области биологических исследований давно связан с прогрессом в других областях. Если бы не существовало компьютеров, способных автоматически сосчитать число окрашенных клеток на нескольких сотнях фотографий, толку от супермикроскопов было бы немного. А без флуоресцентных красителей все миллионы клеток были бы неотличимы друг от друга, так что проследить за формированием новых или гибелью старых было бы практически невозможно.

Копия микроскопа Левенгука, именно таким прибором были впервые обнаружены микроорганизмы.

Копия микроскопа Левенгука, именно таким прибором были впервые обнаружены микроорганизмы.

Фото: Jeroen Rouwkema / Flickr

По сути, первый микроскоп представлял собой струбцину с закрепленной на ней сферической линзой. Аналогом такого микроскопа может быть простая игральная карта с проделанным в ней отверстием и каплей воды. По некоторым данным подобные устройства применяли золотодобытчики на Колыме уже в прошлом столетии.

1/3

Как устроен микроскоп?

Прибор, с помощью которого человеческому глазу становится доступным рассмотрение микроскопических объектов, имеет два основных элемента. Ими являются объектив и окуляр. Закреплены данные части микроскопа в подвижном тубусе, располагающемся на металлическом основании. На нем же имеется и предметный столик.

назначение микроскопа

В специализированных, более сложных микроскопах нередко используются и иные дополнительные системы и устройства.

За дифракционным пределом

У оптических микроскопов есть принципиальный недостаток. Дело в том, что по форме световых волн невозможно восстановить форму тех предметов, которые оказались намного меньше длины волны: с тем же успехом можно пытаться исследовать тонкую текстуру материала рукой в толстой перчатке для сварочных работ.

Ограничения, создаваемые дифракцией, отчасти удалось преодолеть, причем без нарушения законов физики. Поднырнуть под дифракционный барьер оптическим микроскопам помогают два обстоятельства: то, что при флуоресценции кванты излучаются отдельными молекулами красителя (которые могут довольно далеко отстоять друг от друга), и то, что за счет наложения световых волн можно получить яркое пятно с диаметром, меньшим, чем длина волны.

При наложении друг на друга световые волны способны взаимно друг друга погасить, поэтому можно подобрать параметры освещения образца так, чтобы в яркую область попадал по возможности меньший участок. В сочетании с математическими алгоритмами, которые позволяют, например, убрать двоение изображения, такое направленное освещение дает резкое повышение качества съемки. Становится возможным, к примеру, исследовать в оптический микроскоп внутриклеточные структуры и даже (комбинируя описанный метод с конфокальной микроскопией) получать их трехмерные изображения.

Применение

Для чего нужен микроскоп? Человеческий глаз, будучи особой оптической системой биологического типа, имеет определенный уровень разрешения. Другими словами, существует наименьшее расстояние между наблюдаемыми объектами, когда их еще можно различить. Для нормального глаза такое разрешение находится в пределах 0,176 мм. А вот размеры большинства животных и растительных клеток, микроорганизмов, кристаллов, микроструктуры сплавов, металлов и т. п. намного меньше этой величины. Каким же образом изучать и наблюдать подобные объекты? Вот здесь на помощь людям и приходят различные виды микроскопов. К примеру, приборы оптического типа позволяют различить структуры, у которых расстояние между элементами составляет минимум 0,20 мкм.

Электронный микроскоп до электронных приборов

Для того чтобы открыть атомы и молекулы, ученым не пришлось их рассматривать — молекулярная теория не нуждалась в том, чтобы видеть объект. А вот микробиология стала возможна только после изобретения микроскопа. Поэтому первое время микроскопы ассоциировались именно с медициной и биологией: физики и химики, изучавшие существенно меньшие объекты, обходились другими средствами. Когда же и им захотелось посмотреть на микромир, дифракционные ограничения стали серьезной проблемой, тем более что описанные выше методы флуоресцентной микроскопии были еще неизвестны. Да и толку от повышения разрешающей способности с 500 до 100 нанометров немного, если объект, который надо рассмотреть, еще меньше!

Зная о том, что электроны могут себя вести и как волна, и как частица, физики из Германии в 1926 году создали электронную линзу. Идея, лежащая в ее основе, была очень простой и понятной любому школьнику: раз электромагнитное поле отклоняет электроны, то с его помощью можно поменять форму пучка этих частиц, растащив их в разные стороны, или, напротив, уменьшить диаметр пучка. Спустя пять лет, в 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолл построили первый в мире электронный микроскоп. В приборе образец сначала просвечивался пучком электронов, а потом электронная линза расширяла прошедший насквозь пучок перед тем, как тот падал на специальный люминесцентный экран. Первый микроскоп давал увеличение всего в 400 раз, но замена света на электроны открыла дорогу к фотографированию с увеличением в сотни тысяч раз: конструкторам пришлось всего лишь преодолеть несколько препятствий технического характера.

Эпителий из трахеи

Эпителий из трахеи

Фото: Charles Daghlian

Электронный микроскоп позволил рассмотреть устройство клеток в недосягаемом ранее качестве. Но по этому снимку нельзя понять возраст клеток и наличие в них тех или иных белков, а эта информация очень нужна ученым.

1/3

Сейчас электронные микроскопы позволяют фотографировать вирусы крупным планом. Существуют разные модификации приборов, позволяющие не только просвечивать тонкие срезы, но и рассматривать их в «отраженном свете» (в отраженных электронах, конечно). Мы не будем подробно рассказывать про все варианты микроскопов, но заметим, что недавно исследователи смогли создать электронный микроскоп без линз — они научились восстанавливать изображение по дифракционной картине.

История создания

Точных сведений о том, кто являлся изобретателем микроскопа, в истории нет. По одним данным, его в 1590 г. сконструировали отец и сын Янссены, мастера по изготовлению очков. Еще один претендент на звание изобретателя микроскопа – Галилео Галилей. В 1609 г. этим ученым был представлен прибор с вогнутой и выпуклой линзами на обозрение публики в Академии деи Линчеи.

С годами система для рассмотрения микроскопических объектов развивалась и совершенствовалась. Огромным шагом в ее истории стало изобретение простого ахроматически регулировавшегося двухлинзового устройства. Представил эту систему голландец Кристиан Гюйгенс в конце 1600-х годов. Окуляры данного изобретателя находятся в производстве и сегодня. Единственным их минусом является недостаточная широта поля обзора. Кроме того, по сравнению с устройством современных приборов окуляры Гюйгенса имеют неудобное расположение для глаз.

Особый вклад в историю микроскопа внес изготовитель подобных приборов Антон Ван Левенгук (1632-1723 гг.). Именно он привлек внимание биологов к этому устройству. Левенгук изготавливал небольшие по размеру изделия, оснащенные одной, но весьма сильной линзой. Использовать такие приборы было неудобно, но они не удваивали дефекты изображений, что присутствовало в составных микроскопах. Исправить этот недостаток изобретатели смогли только спустя 150 лет. Вместе с развитием оптики улучшилось качество изображения в составных приборах.

Совершенствование микроскопов продолжается и в наши дни. Так, в 2006 г. немецкими учеными, работающими в институте биофизической химии, Мариано Босси и Штефаном Хеллем, был разработан новейший оптический микроскоп. Из-за возможности наблюдать предметы с размерами в 10 нм и трехмерные высококачественные 3D-изображения прибор назвали наноскопом.

Потрогать, а не рассмотреть

Еще одна революция произошла за счет дальнейшего отхода от принципа «осветить и посмотреть». Атомный силовой микроскоп, равно как и сканирующий туннельный микроскоп, уже ничем на поверхность образцов не светит. Вместо этого по поверхности перемещается особо тонкая игла, которая буквально подпрыгивает даже на неровностях размером с отдельный атом.

Не вдаваясь в детали всех подобных методов, заметим главное: иглу туннельного микроскопа можно не только перемещать вдоль поверхности, но и использовать для перестановки атомов с места на место. Именно таким образом ученые создают надписи, рисунки и даже мультфильмы, в которых нарисованный мальчик играет с атомом. Настоящим атомом ксенона, перетаскиваемым иглой сканирующего туннельного микроскопа.

Туннельным микроскоп называют потому, что он использует эффект протекающего через иглу туннельного тока: электроны проходят через зазор между иглой и поверхностью за счет предсказанного квантовой механикой туннельного эффекта. Для работы такого прибора нужен вакуум.

Намного менее требователен к окружающим условиям атомный силовой микроскоп (АСМ) — он может (с рядом ограничений) работать без откачки воздуха. В определенном смысле АСМ является нанотехнологичным наследником патефона. Игла, закрепленная на тонком и гибком кронштейне-кантилевере (cantilever

и есть «кронштейн»), движется вдоль поверхности без подачи на нее напряжения и следует рельефу образца так же, как игла патефона следует вдоль бороздок грампластинки. Изгиб кантилевера заставляет отклоняться закрепленное на нем зеркало, зеркало отклоняет лазерный луч, и это позволяет очень точно определять форму исследуемого образца. Главное только иметь достаточно точную систему перемещения иглы, а также запас игл, которые должны быть идеально острыми. Радиус закругления у кончиков таких игл может не превышать одного нанометра.

АСМ позволяет видеть отдельные атомы и молекулы, однако, как и туннельный микроскоп, не позволяет заглянуть под поверхность образца. Иными словами, ученым приходится выбирать между возможностью видеть атомы и возможностью изучать весь объект целиком. Впрочем, и для оптических микроскопов внутренности изучаемых образцов не всегда доступны, ведь минералы или металлы обычно свет пропускают плохо. Кроме того, с фотографированием атомов все равно возникают сложности — эти объекты предстают простыми шариками, форма электронных облаков на таких снимках не видна.

Детектор CMS Большого Адронного Коллайдера

Детектор CMS Большого Адронного Коллайдера

Фото: CERN

Несмотря на то что ускорители заряженных частиц позволили открыть кварки и выяснить структуру составных частиц, их ни в коем случае нельзя отнести к микроскопам.

Осветительная система

В микроскопе предусмотрена сложная конструкция из диафрагм, зеркал и линз. С ее помощью обеспечивается равномерная освещенность исследуемого объекта. В самых первых микроскопах данную функцию осуществляли естественные источники света. По мере усовершенствования оптических приборов в них стали применять сначала плоские, а затем и вогнутые зеркала.

С помощью таких нехитрых деталей лучи от солнца или лампы направлялись на объект исследования. В современных микроскопах осветительная система более совершенна. Она состоит из конденсора и коллектора.

На просвет

Если заменить свет на рентгеновское излучение, можно просветить и непрозрачные предметы. Настоящий прорыв в этой области произошел тогда, когда физики разработали способ получения ярких пучков рентгеновских лучей и научились управлять ими, создав рентгеновскую оптику.

Синхротронное излучение, возникающее при торможении разогнанных ускорителями заряженных частиц, позволяет изучать окаменевшие останки доисторических животных. Вращая образец под рентгеновскими лучами, мы можем получать трехмерные томограммы — именно так был найден, например, мозг внутри черепа рыб, вымерших 300 миллионов лет назад. Можно обойтись и без вращения, если дополнить регистрацию прошедшего излучения фиксацией рассеянных за счет дифракции рентгеновских лучей.

И это еще не все возможности, которые открывает рентгеновское излучение. При облучении им многие материалы флуоресцируют, причем по характеру флуоресценции можно определить химический состав вещества: таким способом ученые определяют окраску древних артефактов, цвета потускневших рисунков, читают стертые в Средние века труды Архимеда или узнают окраску перьев давно вымерших птиц.

Принцип действия

В первом оптическом приборе система линз давала обратное изображение микрообъектов. Это позволяло разглядеть строение вещества и мельчайшие детали, которые подлежали изучению. Принцип действия светового микроскопа сегодня схож с той работой, которую осуществляет рефракторный телескоп. В этом приборе свет преломляется в момент прохождения через стеклянную часть.

Как же увеличивают современные световые микроскопы? После попадания в прибор пучка световых лучей происходит их преобразование в параллельный поток. Только затем идет преломление света в окуляре, благодаря чему и увеличивается изображение микроскопических объектов. Далее эта информация поступает в нужном для наблюдателя виде в его зрительный анализатор.

Позируют атомы

На фоне всех тех возможностей, которые предоставляют рентгеновские или оптико-флуоресцентные методы, новый способ фотографирования отдельных атомов уже кажется не таким уж большим прорывом в науке. Суть метода, который позволил получить представленные на этой неделе изображения, такова: с ионизированных атомов срывают электроны и направляют их на специальный детектор. Каждый акт ионизации срывает электрон с определенного положения и дает одну точку на «фотографии». Накопив несколько тысяч таких точек, ученые сформировали картинку, отображающую наиболее вероятные места обнаружения электрона вокруг ядра атома, а это по определению и есть электронное облако.

В заключение скажем, что возможность видеть отдельные атомы с их электронными облаками — это скорее вишенка на торте современной микроскопии. Ученым было важно исследовать структуру материалов, изучать клетки и кристаллы, а обусловленное этим развитие технологий дало возможность дойти до атома водорода. Все, что меньше, — уже сфера интересов специалистов по физике элементарных частиц. А биологам, материаловедам и геологам еще есть куда совершенствовать микроскопы даже с довольно скромным на фоне атомов увеличением. Специалистам по нейрофизиологии, к примеру, давно хочется иметь прибор, способный видеть отдельные клетки внутри живого мозга, а создатели марсоходов продали бы душу за электронный микроскоп, который влезал бы на борт космического аппарата и мог бы работать на Марсе.

Классификация микроскопов

В настоящее время существует большое разнообразие приборов, предназначенных для рассмотрения малых по величине объектов. Их группирование производится исходя из различных параметров. Это может быть назначение микроскопа или принятый способ освещения, строение, использованное для оптической схемы и т. д.

Но, как правило, основные виды микроскопов классифицируются по величине разрешения микрочастиц, которые можно увидеть при помощи данной системы. Согласно такому делению, микроскопы бывают: — оптическими (световыми); — электронными; — рентгеновскими; — сканирующими зондовыми.

Наибольшее распространение получили микроскопы светового типа. Их богатый выбор имеется в магазинах оптики. При помощи подобных приборов решаются основные задачи по исследованию того или иного объекта. Все другие виды микроскопов относят к специализированным. Их использование производится, как правило, в условиях лаборатории.

Каждый из вышеперечисленных видов приборов имеет свои подвиды, которые применяются в той или иной сфере. Кроме того, сегодня есть возможность купить школьный микроскоп (или учебный), который является системой начального уровня. Предлагаются потребителям и профессиональные приборы.

Разрешающие способности

Одним из параметров микроскопа является его разрешающая способность. Различные виды микроскопов имеют, соответственно, разный показатель этой характеристики. Так что же это такое?

Разрешающая способность – это возможности прибора показывать четкое и качественное изображение, картинку двух расположенных рядом, фрагментов исследуемого объекта. Показатель степени углубления в микромир и общая возможность его исследования базируются именно на этой способности. Данную характеристику определяет длина волны излучения, которую используют в микроскопе. Главным ограничением является невозможность получения картинки объекта, размеры которого меньше размера длины излучения.

Ввиду написанного выше становится очевидно, что благодаря разрешающей способности мы можем получать четкое изображение деталей изучаемого объекта.

Микроскопы «Левенгук»

В 2002 году в Америке появилась новая компания, занимающаяся производством оптических приборов. В ассортиментном перечне ее продукции находятся микроскопы, телескопы и бинокли. Все эти приборы отличает высокое качество изображения.

Головной офис и отдел разработок компании располагаются в США, в городе Фримонде (Калифорния). А вот что касается производственных мощностей, то они находятся в Китае. Благодаря всему этому компания поставляет на рынок передовую и качественную продукцию по приемлемой цене.

Вам нужен микроскоп? Levenhuk предложит необходимый вариант. В ассортименте оптической техники компании находятся цифровые и биологические приборы для увеличения изучаемого объекта. Кроме того, покупателю предлагаются и дизайнерские модели, исполненные в разнообразной цветовой гамме.

Микроскоп Levenhuk обладает обширными функциональными возможностями. Например, учебный прибор начального уровня может быть присоединен к компьютеру, а также он способен выполнять видеосъемку проводимых исследований. Таким функционалом оснащена модель Levenhuk D2L.

Компания предлагает биологические микроскопы различного уровня. Это и более простые модели, и новинки, которые подойдут профессионалам.

Электронная микроскопия

Появление электронного микроскопа позволило использовать электроны, обладающие свойствами и частиц, и волн в микроскопии.

бинокулярный микроскоп

Электрон обладает длинной волны, которая зависит от его энергетического потенциала: E = Ve, где V – величина разности потенциалов, e – электронный заряд. Длина волны электрона при пролете разности в потенциалах равной 200000 В составит около 0,1 нм. Электрон легко фокусируется при помощи электромагнитных линз, что обуславливается его зарядом. После электронную версию изображения переводят в видимую.

Среди таких увеличительных устройств набрал широкую известность цифровой микроскоп. Он позволяет подключать адаптеры к аппарату с целью переноса изображения на компьютер и его сохранения. При работе с подобными устройствами камера регистрирует наблюдаемое изображение, далее переносит его на ПК при помощи USB-кабеля.

Цифровой микроскоп может классифицироваться в соответствии с его режимом работы, увеличительной кратности, числу подсветок и разрешению камеры. Их главными достоинствами считаются наличие возможности переносить изображение на ПК и сохранять его, возможность в пересылке полученной информации на большие расстояния, редактирование, детальный анализ и хранение результатов исследования, а также умение проецировать картинку при помощи проекторов.

Электронные микроскопы обладают разрешающей способностью превосходящей световые в 1000-10000 раз.

Рентгеновская микроскопия

Рентгеновский микроскоп был создан для наблюдением за чрезвычайно малыми объектами, величина которых сопоставима с рентгеновскими волнами. Базируется на эксплуатации излучения электромагнитного характера, в котором длина волны не превышает один нанометр.

Разрешающая способность таких микроскопов заняла промежуточное место между оптическими и электронными. Теоретическая р.с. такого устройства может достигать 2-20 нм, что гораздо больше возможностей оптических микроскопов.

Моновидеомикроскопы

Моновидеомикроскопы предназначены для получения видеоизображения наблюдаемых объектов с возможностью вывода на экран, записи и последующего анализа информации. При этом конструктивно устройство является объективом для камеры. Для эффективной работы моновидеомикроскопы можно дополнительно комплектовать необходимыми аксессуарами (предметными столами, линзами, фильтрами, осветителями, адаптерами).

Моновидеомикроскопы

Подвиды световых микроскопов

Современные оптические приборы классифицируют:

1. По классу сложности на исследовательский, рабочий и школьный микроскоп. 2. По области применения на хирургические, биологические и технические. 3. По видам микроскопии на приборы отраженного и проходящего света, фазового контакта, люминесцентные и поляризационные. 4. По направлению светового потока на инвертированные и прямые.

для чего нужен микроскоп

Сканирующие зонды

Другой вид микроскопа – это сканирующий зонд. Сравнительно новая ветвь в развитии таких приборов.

первый микроскоп

Сокращенно их называют – ЗСМ. Изображение воспроизводится благодаря регистрации взаимодействия зонда и поверхности, которую он исследует. В современном мире такие механизмы позволяют наблюдать за взаимодействием зонда с атомами. Разрешающая способность ЗСМ сопоставима с микроскопами электронного типа, а в некоторых параметрах даже лучше.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий