Рассказ о современных микроскопах

Микроскоп

Кроме видимого окружающего мира, существует мир невидимый, таинственный, микроскопический. Сотни и даже тысячи лет человек шел по пути открытия прибора, который позволил заглянуть ему в сокровенные глубины природы — туда, где все начинается, складывается, подобно мозаичным узорам, из мельчайших деталей в удивительные картины бытия и проявляется многообразием форм и структур.

Таким прибором оказался микроскоп. Поначалу совсем простой, изготовленный из подручных материалов увлеченными учеными и любознательными людьми-экспериментаторами, микроскоп стал тем инструментом познания, благодаря которому человечество совершило рывок на пути к величайшим открытиям. Микроскоп показал людям, что существует еще невидимый, такой же насыщенный и многообразный, мир микроорганизмов: грибов, растений и беспозвоночных.

Микроскоп изменил представление о строении всего живого, люди узнали о клетках и вирусах. С годами интерес к этому удивительному изобретению лишь возрастал. В нем были заинтересованы уже не только ученые, но и врачи, ювелиры, детективы, работники различных промышленных предприятий и санитарных служб.

Благодаря стремительному развитию техники микроскопы постоянно совершенствуются, дополняются новыми приспособлениями, находят применение в разных областях.

В наше время этот замечательный прибор стал доступен любому человеку, который желает изучить микромир. Исследования можно проводить в домашних условиях, и это бесценный опыт для познающего микромир.

Микроскоп позволяет погрузиться в микровселенную живой и неживой природы, пойти по следам великих ученых и исследовать наиболее интересные объекты. Кроме возможности наблюдения, микроскоп заставляет задуматься о закономерностях различных процессов, найти причины и следствия явлений природы, понять, как устроено все живое, обнаружить сходства и различия живых организмов.

Прибор позволяет выявить микроскопических виновников заболеваний человека, животных и растений. Например, зная, как выглядят галловые клещи, получится определить, заражено ли растение, и спасти его от гибели.

Имея дома микроскоп, можно следить за жизнью мельчайших живых существ, снимать с помощью видеокамеры фильмы о микромире, вести заметки своих наблюдений, экспериментировать и, возможно, стать на путь очередного научного открытия.

История создания микроскопа

Создание микроскопа имеет многовековую историю. Прибор прошел путь от простой трубки, в которую едва что-то можно было рассмотреть, до электронного устройства огромной мощности с большими увеличительными возможностями.

Поскольку ранее наукой интересовались богатые люди, заказанные ими единичные экземпляры микроскопов украшались дорогими камнями и золотом, футляры для их хранения изготавливались из слоновой кости и ценного дерева.

В настоящее время существует множество микроскопов, они находят применение в разных сферах деятельности человека: медицине, промышленности, археологии, электронике и др.

Микроскоп Захария Янссена (XVI век)

Первый микроскоп создал нидерландский мастер по изготовлению очков Захарий Янссен. Это была обычная трубка с двумя линзами на концах. Настройку изображения выполняли, выдвигая трубку (тубус). Этот простой микроскоп стал основой для создания более сложных приборов.

Микроскоп Гука (середина XVII века)

Роберт Гук собрал очень удобную модель микроскопа: тубус можно было наклонять. Чтобы получить хорошее освещение, ученый придумал специальную масляную лампу и стеклянный шар, который наполнялся водой.

Микроскоп Галилея (начало XVII века)

Галилео Галилей доработал трубу Янссена, заменив одну из выпуклых линз на вогнутую. При выдвижении тубуса этот микроскоп служил еще и телескопом. Предположительно микроскоп Галилея изготовил мастер Джузеппе Кампаньи из дерева, картона и кожи и поставил на трехногую подставку из металла.

Микроскоп Левенгука (середина XVII века)

Изобретение Левенгука представляло собой две небольшие пластины, между которыми крепилась крошечная линза, а исследуемый объект помещался на иглу. Передвигать иглу можно было с помощью специального винта. Микроскоп мог увеличить изображение в 300 раз, что было немыслимо для той поры.

Микроскоп Иоганна ван Мушенбрука (конец XVII века)

Иоганн ван Мушенбрук создал необычный и простой в использовании микроскоп. Линза и держатель крепились с помощью подвижных соединений, названных «орехами Мушенбрука». Это придавало микроскопу большую гибкость.

Микроскоп Дреббеля (XVII век)

Микроскоп Дреббеля — это позолоченная труба, которая находилась в строго вертикальном положении. Работать за таким микроскопом было не очень удобно.

Микроскоп фирмы Шевалье (XIX век)

Наука шагнула далеко вперед. Фирма Шевалье стала производить микроскопы, объектив которых состоял уже не из одной простой, а из многих специально отшлифованных ахроматических линз. Это позволяло достигать большой мощности и передавать изображение без искажений и более четко.

Электронный микроскоп (XX век)

Появляются электронные микроскопы. Ученые заменили пучок света на поток микрочастиц — электронов. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, они управляют движением электронов с помощью магнитного поля.

USB-микроскоп (конец XX века)

USB-микроскоп — это небольшой цифровой прибор, который присоединяется к компьютеру через USB-порт. Вместо окуляра — маленькая веб-камера, которая посылает изображение прямо на монитор компьютера.

Как устроен микроскоп

Приобретая микроскоп, вы сможете расширить границы своих возможностей, заглянуть в микрокосмос и изучить его обитателей. Попробуйте стать исследователями окружающего мира, однако первым делом познакомьтесь с устройством микроскопа и правилами, которые необходимо соблюдать при работе с ним.

Для того чтобы правильно использовать световой микроскоп, необходимо знать его строение и понимать принцип работы.

Если посмотреть на микроскоп в целом, то это всего лишь очень сильное увеличительное стекло. Увеличивает микроскоп с помощью нескольких линз, одна часть которых находится в окуляре, а другая — в объективе. Мощность линз всегда указана на их оправе. Для того чтобы узнать мощность вашего микроскопа, необходимо перемножить цифры на объективе и окуляре. Так, если микроскоп имеет окуляр с 20-кратным увеличением и объектив 4, то он дает увеличение в 80 раз. Современные световые микроскопы могут увеличивать в 1500–3000 раз. Однако для домашней лаборатории вам вполне хватит максимального увеличения до 800 раз.

Итак, перейдем к строению микроскопа.

Окуляр находится в длинной полой трубке, которая называется тубус. При желании вы можете сменить окуляр на более мощный — он легко извлекается из тубуса.

Вы можете сами выбрать силу увеличения — для этого достаточно всего лишь покрутить диск с объективами до щелчка. Поскольку сила линз указана на оправе, только вам решать, сильнее или слабее делать увеличение.

На другом конце тубуса имеется вращающийся диск, на котором расположены объективы. У современных микроскопов их сразу несколько — два, три и более.

Под объективом находится предметный столик. Как понятно из названия, это то самое место, куда необходимо помещать исследуемые объекты. С обеих сторон микроскопа есть два больших винта, они нужны для того, чтобы приближать или отдалять предмет от объектива, — так настраивается резкость. Под предметным столиком вы найдете зеркало, очень важную часть микроскопа. С помощью зеркала свет направляется на объект, лежащий на предметном столике. Так можно настроить яркость. Все элементы микроскопа организуются в единую целостную систему благодаря штативу — крепкой металлической конструкции.

В большинство микроскопов встроена лампочка, которая направляет необходимый поток света, так что вам не надо заботиться об освещении. Кроме того, есть бинокулярные микроскопы (с двумя окулярами), которые более удобны, чем монокулярные (с одним окуляром). К тому же первые берегут наше зрение: глаза устают значительно меньше, поскольку нагрузка на них распределяется равномерно.

Есть микроскопы, в предметные столики которых встроены два маленьких винта — это позволяет плавно передвигать предметный столик с объектом изучения, а не сдвигать его руками во время работы.

Если у вас дома есть компьютер, обзаведитесь цифровым микроскопом. Это даст возможность выводить изображения на экран монитора, раскрашивать, подписывать и сохранять их. Будет здорово, если вам удастся снять видеоизображение и создать свой собственный фильм!

Правила работы

Приступая к работе с микроскопом, необходимо усвоить несколько несложных правил и подготовить некоторые приборы и вещества. Вам понадобятся предметное и покровное стекла, пипетка, пинцет, игла, а также вода, спирт, водный раствор йода (для окраски). Продаются готовые наборы для работы с микроскопом, которые вы можете использовать в своих исследованиях. В зависимости от специализации в набор могут входить и готовые микропрепараты, некоторые из них перечислены ниже.

Первое, что надо сделать, — это удобно разместить микроскоп на столе, возле окна. Будет еще лучше, если рядом вы поставите яркую настольную лампу. Поверните микроскоп ручкой штатива к себе.

Теперь нужно добиться правильного освещения. Для этого смотрите в окуляр и поверните зеркальце под предметным столиком к окну или другому источнику света так, чтобы отраженные от зеркала лучи попадали в объектив, а поле зрения в окуляре было наиболее освещенным.

Положите предмет, который собираетесь рассмотреть, на предметный столик — прямо над отверстием. Вращая винт и наблюдая сбоку за расстоянием между объективом и объектом, опустите объектив почти до соприкосновения с объектом. Готово!

Ну а теперь смотрите в окуляр и очень медленно вращайте на себя и от себя винт фокусировки, пока изображение не станет четким.

Поделиться ссылкой

Как и многие другие технологические устройства, микроскопы имеют очень долгую историю. Самые ранние микроскопы содержали простое увеличительное стекло с малой мощностью (до 10 раз). Их использовали для наблюдения за маленькими насекомыми, такими как блохи.

Ранние версии оптических микроскопов были разработаны в конце 15 века. Хотя изобретатель неизвестен, за эти годы было сделано несколько заявлений. Использование микроскопов для исследования органических тканей появилось только в 1644 году.

Сегодня у нас есть микроскопы, которые могут обеспечить разрешение в 50 пикометров с увеличением до 50 миллионов раз, что достаточно для наблюдения ультраструктуры различных неорганических и биологических образцов.

Современные микроскопы можно классифицировать по-разному. Один из способов сгруппировать их — это способ их взаимодействия с образцами для создания изображений. Основываясь на том же факторе, мы перечислили 5 основных типов микроскопов и их использование.

1. Оптические микроскопы

Оптические микроскопы являются наиболее распространенными микроскопами, которые используют свет, чтобы пройти через образец для генерации изображений. Они могут иметь очень простую конструкцию, хотя сложные оптические микроскопы направлены на повышение разрешения и контрастности образца.

В дальнейшем их можно подразделить на два типа: простые и сложные микроскопы. Простой микроскоп использует одну линзу (например, увеличительное стекло) для увеличения, в то время как сложные микроскопы используют несколько линз для увеличения образца.

Они часто оснащены цифровой камерой, поэтому образец можно наблюдать с помощью компьютера. Это позволяет провести глубокий анализ микроскопического изображения.

Оптические микроскопы могут обеспечивать увеличение до 1250 раз с теоретическим пределом разрешения 0,250 микрометров. Тем не менее развитие сверхразрешенной флуоресцентной микроскопии в последнее десятилетие привело оптическую микроскопию в наноразмерность.

Варианты оптического микроскопа

1. Стереомикроскоп: предназначен для наблюдения образцов в 3D при небольшом увеличении.
2. Сравнительный микроскоп: используется для исследования бок о бок образцов.
3. Поляризационный микроскоп: используется в оптической минералогии и петрологии для выявления минералов и горных пород в тонких срезах.
4. Двухфотонный микроскоп: позволяет получать изображения живых тканей глубиной до 1 мм.
5. Инвертированный микроскоп: исследует образец снизу; обычно используется для металлографии и клеточных культур в жидкости.
6. Эпифлуоресцентный микроскоп: разработан для анализа образцов, содержащих флуорофоры.

Применение

Основные оптические микроскопы часто встречаются в классах и дома. Сложные широко используются в фармацевтических исследованиях, микробиологии, микроэлектронике, нанофизике и минералогии.

Они часто используются для исследования тканей с целью изучения проявлений заболеваний. В клинической медицине исследование биопсии или хирургического образца относится к гистопатологии.

2. Электронные микроскопы

Электронный микроскоп использует пучок ускоренных электронов для получения изображения образца. Точно так же, как оптические микроскопы используют стеклянные линзы, электронные микроскопы используют фасонные магнитные поля для создания систем электронно-оптических линз.

Поскольку длина волны электрона может быть намного короче, чем у фотонов, электронные микроскопы имеют более высокую разрешающую способность и увеличение, чем обычные оптические микроскопы. Они могут выявить структуры объектов размером с пикометр.

Первый электронный микроскоп, который превысил разрешение, достигнутое с помощью оптического микроскопа, был разработан немецким физиком Эрнстом Руской в ​​1933 году. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для дальнейшего улучшения увеличения и разрешения микроскопа.

Современные электронные микроскопы способны увеличивать образцы до 2000000 раз, однако они все еще полагаются на прототип Руска (разработанный в 1931 году) и его связь между разрешением и длиной волны.

Электронные микроскопы имеют некоторые ограничения: они дороги в изготовлении, обслуживании и должны быть размещены в стабильных средах, таких как системы подавления магнитного поля. Также объекты должны просматриваться в вакууме.

Два основных типа электронного микроскопа

1. Просвечивающий электронный микроскоп: используется для наблюдения за тонкими образцами, через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение. Он может захватывать мелкие детали размером с колонку атомов.

В этом случае образец обычно представляет собой очень тонкий срез (<100 нанометров), и изображение создается в результате взаимодействия образца с электронами при прохождении пучка через образец.

Современные аппаратные корректоры могут помочь этому микроскопу достичь высокого разрешения в 50 пикометров с увеличением, превышающим 50 000 000 раз.

2. Сканирующий электронный микроскоп: генерирует изображения образца путем сканирования его поверхности сфокусированным пучком электронов. Электроны взаимодействуют с атомами в образце и генерируют сигналы, которые содержат данные о составе образца и топографии поверхности.

Поскольку этот тип микроскопии отображает только поверхность (не внутреннюю часть) образцов, он обеспечивает низкое разрешение изображения по сравнению с просвечивающей электронной микроскопией. Тем не менее он может генерировать хорошее качество трехмерных изображений поверхности образца.

Вещи, которые вы можете наблюдать с помощью сканирующего электронного микроскопа, включают элементы на головке булавки, волосковые клетки внутреннего уха человека и поверхность глаза мухи.

Применение

Электронные микроскопы широко используются для изучения ультраструктуры различных неорганических и биологических образцов, таких как металлы, кристаллы, образцы биопсии, крупные молекулы, клетки и микроорганизмы.

Современные электронные микроскопы оснащены специальными цифровыми камерами и фрейм-грабберами для записи структуры образца и создания электронных микрофотографий.

Они часто используются в промышленных целях (для помощи в процессе производства) и в криминалистике (для предоставления доказательств в преступных и юридических целях).

3. Сканирующий зондовый микроскоп

Сканирующая зондовая микроскопия была открыта в 1981 году для изображения поверхности образца на атомном уровне. Он использует физический зонд для сканирования образца и формирования сильно увеличенных изображений.

Исходя из цели исследования, в сканирующей зондовой микроскопии используются разные методы.

Например, прибор может быть установлен в «режим постукивания», при котором кантилевер колеблется так, что наконечник периодически касается поверхности образца. Это в основном используется для изучения образцов с мягкими поверхностями.

В другом способе микроскоп может быть установлен в «режим контакта», при котором между острием кантилевера и поверхностью образца прикладывается постоянная сила. Этот режим быстро создает изображения поверхности.

В отличие от методов электронной микроскопии, образцы не требуют помещения в определенную вакуумную среду. Вместо этого они могут отображаться на воздухе при комнатном давлении и температуре или внутри жидкого реакционного сосуда. Однако, они часто не полезны для анализировать жидкост-жидкостные или твердотельные интерфейсы.

Распространенные типы сканирующих зондовых микроскопов

А) Атомно-силовой микроскоп: имеет разрешение порядка долей нанометра, что позволяет получать изображения практически любого типа поверхности, включая стекло, полимеры и биологические образцы.

B) Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля: может достигать производительности пространственного разрешения сверх классического дифракционного предела. Он может быть использован для изучения всех проводящих, непроводящих и прозрачных образцов.

C) Сканирующие туннельные микроскопы: могут достигать бокового разрешения 0,1 нм и глубины 0,01 нм. Образцы могут быть отображены в экстремальных условиях, при температурах от почти абсолютного нуля до более 1000 ° C.

Кроме того, сканирующий туннельный микроскоп был первым микроскопом, который использовал квантовые концепции , которые проложили путь к развитию квантового микроскопа запутывания и фотоионизационного микроскопа.

Применение

Сканирующие зондовые микроскопы используются в широком спектре естественных наук, включая медицину, клеточную и молекулярную биологию, физику твердого тела, химию полимеров и полупроводниковую науку и технику.

Например, в молекулярной биологии этот метод микроскопии используется для анализа структуры и механических характеристик белковых комплексов и сборок. В клеточной биологии он используется для определения взаимодействия между определенными клетками и различения нормальных клеток и раковых клеток на основе твердости клеток.

В физике твердого тела он используется для изучения взаимодействия между соседними атомами и изменений в расположении атомов посредством атомных манипуляций.

4. Сканирующие акустические микроскопы

Сканирующий акустический микроскоп измеряет изменения акустического импеданса с помощью звуковых волн. Он в основном используется для неразрушающей оценки, анализа отказов и выявления дефектов в недрах материалов, в том числе обнаруженных в интегральных микросхемах.

Этот тип микроскопа был впервые разработан в 1974 году в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для повышения его точности и разрешения.

Микроскоп непосредственно фокусирует звук от датчика в маленькой точке на образце. Звук, падающий на объекты, либо поглощается, либо рассеивается под разными углами. Эти рассеянные импульсы, распространяющиеся в определенном направлении, дают полезную информацию об образце.

Разрешение образца изображения либо ограничено шириной звукового луча (зависит от частоты звука), либо физическим разрешением сканирования.

В отличие от обычных оптических микроскопов, которые позволяют наблюдать поверхность образца, акустические микроскопы фокусируются на определенной точке и получают изображения из более глубоких слоев. Кроме того, они обеспечивают более точные результаты и увеличивают объём данных, сохраняя при этом целостность образца.

Применение

Многие компании используют этот тип микроскопии в аналитических лабораториях для определения качества своих электронных компонентов. Производители также используют его для контроля качества, квалификации поставщиков, тестирования надежности продукции, а также для исследований и разработок.

В биологии эти микроскопы предоставляют полезные данные о физических силах, удерживающих структуры в определенных формах, таких как эластичность клеток и тканей. Это чрезвычайно полезно при изучении процесса подвижности клеток (способность организма самостоятельно передвигаться, используя метаболическую энергию).

5. Рентгеновский микроскоп

Рентгеновские микроскопы генерируют увеличенные изображения объектов, используя электромагнитное излучение в мягком луче. Они способны выдавать 3D-изображение компьютерной томографии относительно больших образцов с высоким разрешением.

Для идентификации рентгеновских лучей, проходящих через образец, используется детектор с зарядовой связью. Поскольку рентгеновские лучи легко проникают сквозь вещество, микроскопы этого типа могут отображать внутреннюю часть образцов, непрозрачных для видимого света.

Современные рентгеновские микроскопы позволяют наблюдать различные образцы, в том числе те, которые имеют низкий контраст поглощения и более плотный материал, например керамические композиты. Чтобы достичь этого, микроскоп изменяет длину волны рентгеновского излучения, что увеличивает контраст или проникновение.

Его разрешение лежит между оптической микроскопией и электронной микроскопией. В отличие от традиционных электронных микроскопов, рентгеновские микроскопы могут отображать толстые биологические материалы в их естественном состоянии.

Применение

Рентгеновская микроскопия оказалась чрезвычайно полезной в области медицины и материаловедения. Он был использован для анализа структуры различных тканей и образцов биопсии.

В области материаловедения рентгеновские микроскопы могут определять структуру кристалла вплоть до размещения отдельных атомов внутри его молекул. Он также обеспечивает неразрушающий, неинвазивный метод поиска дефектов в трех измерениях.

Обновлено: 10.01.2023

Микроскоп — это оптический прибор, позволяющий получить увеличенные изображения мелких предметов или их деталей, которые невозможно рассмотреть невооружённым глазом.

Глаз человека, как любая оптическая система, характеризуется определённым разрешением. Это наименьшее расстояние между двумя точками или линиями, когда они ещё не сливаются, а воспринимаются раздельно друг от друга. При нормальном зрении на расстоянии 250 мм разрешение составляет 0,176 мм. Поэтому все объекты, размер которых меньше этой величины, наш глаз уже не в состоянии различить. Мы не можем видеть клетки растений и животных, различные микроорганизмы и др. Но это можно сделать с помощью специальных оптических приборов — микроскопов.

Как устроен микроскоп

Классический микроскоп состоит из трех основных частей: оптической, осветительной и механической. Оптическая часть – это окуляры и объективы, осветительная – источники освещения, конденсор и диафрагма. К механической части принято относить все остальные элементы: штатив, револьверное устройство, предметный столик, систему фокусировки и многое другое. Все вместе и позволяет проводить исследования микромира.

Для наблюдений микромира хорошее освещение настолько же важно, как и качество оптики микроскопа. Светодиоды, галогенные лампы, зеркало – для микроскопа могут использоваться разные источники освещения. У каждого есть свои плюсы и минусы. Подсветка может быть верхней, нижней или комбинированной. Ее расположение влияет на то, какие микропрепараты можно изучать при помощи микроскопа (прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные).

Под предметным столиком, на который кладется образец для исследований, располагается диафрагма микроскопа. Она может быть дисковой или ирисовой. Диафрагма предназначена для регулировки интенсивности освещения: с ее помощью можно отрегулировать толщину светового пучка, идущего от осветителя. Дисковая диафрагма – это небольшая пластина с отверстиями разного диаметра. Ее обычно устанавливают на любительские микроскопы. Ирисовая диафрагма состоит из множества лепестков, с помощью которых можно плавно изменять диаметр светопропускающего отверстия. Она чаще встречается в микроскопах профессионального уровня.

Оптическая часть: окуляры и объективы

Объективы и окуляры – наиболее популярные запчасти для микроскопа. Хотя далеко не все микроскопы поддерживают смену этих аксессуаров. Оптическая система отвечает за формирование увеличенного изображения. Чем она лучше и совершеннее, тем картинка получается четче и подробнее. Но высочайший уровень качества оптики нужен только в профессиональных микроскопах. Для любительских исследований достаточно стандартной стеклянной оптики, обеспечивающей увеличение до 500–1000 крат. А вот пластиковых линз мы рекомендуем избегать – качество картинки в таких микроскопах обычно расстраивает.

Механические элементы

В любом микроскопе присутствуют элементы, которые позволяют исследователю управлять фокусом, регулировать положение исследуемого образца, настраивать рабочее расстояние оптического прибора. Все это часть механики микроскопа: коаксиальные механизмы фокусировки, препаратоводитель и препаратодержатель, ручки регулировки резкости, предметный столик и многое другое.

История создания микроскопа

Когда появился первый микроскоп, точно неизвестно. Простейшие увеличительные приборы — двояковыпуклые оптические линзы, находили ещё при раскопках на территории Древнего Вавилона.

Считается, что первый микроскоп создали в 1590 г. голландский оптик Ганс Янсен и его сын Захарий Янсен. Так как линзы в те времена шлифовали вручную, то они имели различные дефекты: царапины, неровности. Дефекты на линзах искали с помощью другой линзы — лупы. Оказалось, что если рассматривать предмет с помощью двух линз, то происходит его многократное увеличение. Смонтировав 2 выпуклые линзы внутри одной трубки, Захарий Янсен получил прибор, который напоминал подзорную трубу. В одном конце этой трубки находилась линза, выполняющая функцию объектива, а в другом — линза-окуляр. Но в отличие от подзорной трубы прибор Янсена не приближал предметы, а увеличивал их.

10 лет спустя, в 1619 г. нидерландский изобретатель Корнелиус Якобсон Дреббель сконструировал составной микроскоп с двумя выпуклыми линзами.

Все созданные в то время микроскопы были довольны примитивными. Так, микроскоп Галилея мог увеличивать всего в 9 раз. Усовершенствовав оптическую систему Галилея, английский учёный Роберт Гук в 1665 г. создал свой микроскоп, который обладал уже 30-кратным увеличением.

Микроскоп Левенгука представлял собой металлическую пластину, в центре которой находилась линза. Наблюдатель смотрел через неё на образец, закреплённый с другой стороны. И хотя работать с таким микроскопом было не совсем удобно, Левенгук смог сделать с помощью своих микроскопов важные открытия.

В те времена было мало известно о строении органов человека. С помощью своих линз Левенгук обнаружил, что кровь состоит из множества крошечных частиц — эритроцитов, а мышечная ткань — из тончайших волокон. В растворах он увидел мельчайшие существа разной формы, которые двигались, сталкивались и разбегались. Теперь мы знаем, что это бактерии: кокки, бациллы и др. Но до Левенгука об этом не было известно.

Всего учёным было изготовлено более 25 микроскопов. 9 из них сохранились до наших дней. Они способны увеличивать изображение в 275 раз.

Микроскоп Левенгука был первым микроскопом, который завезли в Россию по указанию Петра I.

Постепенно микроскоп совершенствовался и приобретал форму, близкую к современной. Учёные России также внесли огромный вклад в этот процесс. В начале XVIII века в Петербурге в мастерской Академии наук создавались усовершенствованные конструкции микроскопов. Русский изобретатель И.П. Кулибин построил свой первый микроскоп, не имея никаких знаний о том, как это делали за границей. Он создал производство стекла для линз, придумал приспособления для их шлифовки.

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов первым из русских учёных стал использовать микроскоп в своих научных исследованиях.

Микроскоп – это устройство, предназначенное для увеличения изображения объектов изучения для просмотра скрытых для невооруженного глаза деталей их структуры. Прибор обеспечивает увеличение в десятки или тысячи раз, что позволяет проводить исследования, которые невозможно получить используя любое другое оборудование или приспособление.

Микроскопы широко применяются в медицине и лабораторных исследованиях. С их помощью проводится инициализация опасных микроорганизмов и вирусов с целью определения метода лечения. Микроскоп является незаменимым и постоянно совершенствуется. Впервые подобие микроскопа было создано в 1538 году итальянским врачом Джироламо Фракасторо, который решил установить последовательно две оптические линзы, подобные тем, что используются в очках, биноклях, подзорных трубах и лупах. Над усовершенствованием микроскопа трудился Галилео Галилей, а также десятки всемирно известных ученых.

Устройство

Микроскоп имеет много разновидностей которые отличаются между собой по устройству. Большинство моделей объединяет похожая конструкция, но с небольшими техническими особенностями.

В подавляющем большинстве случаев микроскопы состоят из стойки, на которой закрепляется 4 главных элемента:

• Объектив.
• Окуляр.
• Осветительная система.
• Предметный столик.

Объектив

Объектив представляет собой сложную оптическую систему, которая состоит из идущих друг за другом стеклянных линз. Объективы сделаны в виде трубок, внутри которых могут быть закреплены до 14 линз. Каждая из них увеличивает изображение, снимая его с поверхности впереди стоящей линзы. Таким образом, если одна увеличит предмет в 2 раза, следующая сделает увеличение данной проекции еще больше и так до тех пор, пока предмет не отобразится на поверхности последний линзы.

Каждая линза имеет свое расстояние для фокусировки. В связи с этим они намертво закреплены в тубусе. Если любая из них будет передвинута ближе или дальше, получить отчетливое увеличение изображения не удастся. В зависимости от особенностей линзы, длина тубуса, в котором заключен объектив, может отличаться. Фактически, чем он выше, тем более увеличенным будет изображение.

Окуляр

Окуляр микроскопа также состоит из линз. Он предназначен для того чтобы оператор, который работает с микроскопом, мог приложить к нему глаз и увидеть увеличенное изображение на объективе. В окуляре имеются две линзы. Первая располагается ближе к глазу и называется глазной, а вторая полевой. С помощью последней осуществляется регулировка увеличенного объективом изображения для его правильной проекции на сетчатку глаза человека. Это необходимо для того, чтобы путем регулировки убрать дефекты восприятия зрения, поскольку у каждого человека фокусировка осуществляется на разном расстоянии. Полевая линза позволяет подстроить микроскоп под данную особенность.

Осветительная система

Чтобы рассмотреть изучаемый предмет необходимо его осветить, поскольку объектив закрывает естественный свет. В результате смотря в окуляр всегда можно видеть только черное или серое изображение. Специально для этого была разработана осветительная система. Она может быть выполнена в виде лампы, светодиода или другого источника света. У самых простых моделей осуществляется прием световых лучей из внешнего источника. Они направляются на предмет изучения с помощью зеркал.

Предметный столик

Последней важной и самой простой в изготовлении деталью микроскопа является предметный столик. На него направлен объектив, поскольку именно на нем закрепляется предмет для изучения. Столик имеет плоскую поверхность, что позволяет фиксировать объект без опаски, что он сдвинется. Даже минимальное передвижение объекта исследований под увеличением будет огромным, поэтому найти изначальную точку, которая исследовалась, заново будет непросто.

Типы микроскопов

За огромную историю существования данного прибора, было разработано несколько значительно отличающихся между собой по принципу действия микроскопов.

Среди самых часто используемых и востребованных типов этого оборудования выделяют такие виды:

• Оптические.
• Электронные.
• Сканирующие зондовые.
• Рентгеновские.

Оптические

Оптический микроскоп является самым бюджетным и простым устройством. Данное оборудование позволяет провести увеличение изображения в 2000 раз. Это довольно большой показатель, который позволяет изучать строение клеток, поверхность ткани, находить дефекты на искусственно созданных предметах и пр. Стоит отметить, что для достижения столь большого увеличения устройство должно быть очень качественно выполненным, поэтому стоит дорого. Подавляющее большинство оптических микроскопов сделано значительно проще и имеют сравнительно небольшое увеличение. Учебные типы микроскопов представлены именно оптическими. Это обусловлено их меньшей стоимостью, а также не слишком большой кратностью увеличения.

Обычно оптический микроскоп имеет несколько объективов, которые закрепляются на стойке подвижными. Каждый из них имеет свою степень увеличения. Рассматривая предмет можно передвинуть объектив в рабочее положение и изучить его под определенной кратностью. При желании еще больше приблизить изображение, нужно просто перейти на еще более увеличивающий объектив. Данные устройства не имеют сверхточной регулировки. К примеру, если необходимо лишь немного приблизить изображение, то перейдя на другой объектив, можно его приблизить в десятки раз, что будет чрезмерно и не позволит правильно воспринять увеличенную картинку и избежать ненужных деталей.

Электронный микроскоп

Электронный является более совершенной конструкцией. Он обеспечивает увеличение изображения как минимум в 20000 раз. Максимальное увеличение подобного прибора возможно в 10 6 раз. Особенность этого оборудования заключается в том, что вместо луча света как у оптических, у них направляется пучок электронов. Получение изображения осуществляется благодаря применению специальных магнитных линз, которые реагируют на движение электронов в колоне прибора. Регулировка направленности пучка осуществляется с помощью магнитного поля. Данные устройства появились в 1931 году. В начале 2000-х годов начали совмещать компьютерное оборудование и электронные микроскопы, что значительно повысило кратность увеличения, диапазон настройки и позволило запечатлеть получаемое изображение.

Электронные устройства при всех своих достоинствах имеют большую цену, и требуют особенных условий для работы. Чтобы получать качественное четкое изображение необходимо, чтобы предмет изучения находился в вакууме. Это связано с тем, что молекулы воздуха рассеивают электроны, что нарушает четкость изображения и не позволяет проводить точную регулировку. В связи с этим данное оборудование применяют в лабораторных условиях. Также важным требованием для использования электронных микроскопов является отсутствие внешних магнитных полей. В связи с этим лаборатории, в которых их используют, имеют очень толстые изолированные стены или находятся в подземных бункерах.

Подобное оборудование используется в медицине, биологии, а также в различных отраслях промышленности.

Сканирующие зондовые микроскопы

Сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение с объекта путем его исследования с помощью специального зонда. В результате получается трехмерное изображение, с точными данными характеристики объектов. Данное оборудование имеет высокое разрешение. Это сравнительно новое оборудование, которое создали несколько десятков лет назад. Вместо объектива у данных приборов имеется зонд и система его перемещения. Получаемое из него изображение регистрируется сложной системой и записывается, после чего создается топографическая картина увеличенных объектов. Зонд оснащается чувствительными сенсорами, которые реагируют на движение электронов. Также встречаются зонды, которые работают по оптическому типу путем увеличения благодаря установке линз.

Часто зонды применяют для получения данных о поверхности предметов со сложным рельефом. Зачастую их опускают в трубу, отверстия, а также мелкие тоннели. Единственным условием является соответствие диаметра зонда диаметру объекта изучения.

Для данного метода характерна значительная погрешность измерения, поскольку получаемая в результате 3D картина сложно поддается расшифровке. Присутствует много деталей, которые искажаются компьютером при обработке. Первоначальные данные обрабатываются математическим способом с помощью специализированного программного обеспечения.

Рентгеновские микроскопы

Рентгеновский микроскоп относится к лабораторному оборудованию, применяемому для изучения объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Эффективность увеличения данного устройства находится между оптическими и электронными приборами. На изучаемый объект отправляются рентгеновские лучи, после чего чувствительные датчики реагируют на их преломление. В результате создается картинка поверхности изучаемого объекта. Благодаря тому, что рентгеновские лучи могут проходить сквозь поверхность предмета, подобное оборудование позволяет не только получить данные о структуре объекта, но и его химическом составе.

Рентгеновское оборудование обычно используется для оценки качества тонких покрытий. Его используют в биологии и ботанике, а также для анализа порошковых смесей и металлов.

Как и многие другие технологические устройства, микроскопы имеют очень долгую историю. Самые ранние микроскопы содержали простое увеличительное стекло с малой мощностью (до 10 раз). Их использовали для наблюдения за маленькими насекомыми, такими как блохи.

Ранние версии оптических микроскопов были разработаны в конце 15 века. Хотя изобретатель неизвестен, за эти годы было сделано несколько заявлений. Использование микроскопов для исследования органических тканей появилось только в 1644 году.

Сегодня у нас есть микроскопы, которые могут обеспечить разрешение в 50 пикометров с увеличением до 50 миллионов раз, что достаточно для наблюдения ультраструктуры различных неорганических и биологических образцов.

Современные микроскопы можно классифицировать по-разному. Один из способов сгруппировать их — это способ их взаимодействия с образцами для создания изображений. Основываясь на том же факторе, мы перечислили 5 основных типов микроскопов и их использование.

1. Оптические микроскопы

Оптические микроскопы являются наиболее распространенными микроскопами, которые используют свет, чтобы пройти через образец для генерации изображений. Они могут иметь очень простую конструкцию, хотя сложные оптические микроскопы направлены на повышение разрешения и контрастности образца.

В дальнейшем их можно подразделить на два типа: простые и сложные микроскопы. Простой микроскоп использует одну линзу (например, увеличительное стекло) для увеличения, в то время как сложные микроскопы используют несколько линз для увеличения образца.

Они часто оснащены цифровой камерой, поэтому образец можно наблюдать с помощью компьютера. Это позволяет провести глубокий анализ микроскопического изображения.

Оптические микроскопы могут обеспечивать увеличение до 1250 раз с теоретическим пределом разрешения 0,250 микрометров. Тем не менее развитие сверхразрешенной флуоресцентной микроскопии в последнее десятилетие привело оптическую микроскопию в наноразмерность.

Варианты оптического микроскопа

1. Стереомикроскоп: предназначен для наблюдения образцов в 3D при небольшом увеличении.
2. Сравнительный микроскоп: используется для исследования бок о бок образцов.
3. Поляризационный микроскоп: используется в оптической минералогии и петрологии для выявления минералов и горных пород в тонких срезах.
4. Двухфотонный микроскоп: позволяет получать изображения живых тканей глубиной до 1 мм.
5. Инвертированный микроскоп: исследует образец снизу; обычно используется для металлографии и клеточных культур в жидкости.
6. Эпифлуоресцентный микроскоп: разработан для анализа образцов, содержащих флуорофоры.

Применение

Основные оптические микроскопы часто встречаются в классах и дома. Сложные широко используются в фармацевтических исследованиях, микробиологии, микроэлектронике, нанофизике и минералогии.

Они часто используются для исследования тканей с целью изучения проявлений заболеваний. В клинической медицине исследование биопсии или хирургического образца относится к гистопатологии.

2. Электронные микроскопы

Электронный микроскоп использует пучок ускоренных электронов для получения изображения образца. Точно так же, как оптические микроскопы используют стеклянные линзы, электронные микроскопы используют фасонные магнитные поля для создания систем электронно-оптических линз.

Поскольку длина волны электрона может быть намного короче, чем у фотонов, электронные микроскопы имеют более высокую разрешающую способность и увеличение, чем обычные оптические микроскопы. Они могут выявить структуры объектов размером с пикометр.

Первый электронный микроскоп, который превысил разрешение, достигнутое с помощью оптического микроскопа, был разработан немецким физиком Эрнстом Руской в ​​1933 году. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для дальнейшего улучшения увеличения и разрешения микроскопа.

Современные электронные микроскопы способны увеличивать образцы до 2000000 раз, однако они все еще полагаются на прототип Руска (разработанный в 1931 году) и его связь между разрешением и длиной волны.

Электронные микроскопы имеют некоторые ограничения: они дороги в изготовлении, обслуживании и должны быть размещены в стабильных средах, таких как системы подавления магнитного поля. Также объекты должны просматриваться в вакууме.

Современный просвечивающий электронный микроскоп | Предоставлено: Дэвид Морган из Кембриджа, Великобритания.

Два основных типа электронного микроскопа

1. Просвечивающий электронный микроскоп: используется для наблюдения за тонкими образцами, через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение. Он может захватывать мелкие детали размером с колонку атомов.

В этом случае образец обычно представляет собой очень тонкий срез (

Современный сканирующий зондовый микроскоп

Распространенные типы сканирующих зондовых микроскопов

А) Атомно-силовой микроскоп: имеет разрешение порядка долей нанометра, что позволяет получать изображения практически любого типа поверхности, включая стекло, полимеры и биологические образцы.

B) Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля: может достигать производительности пространственного разрешения сверх классического дифракционного предела. Он может быть использован для изучения всех проводящих, непроводящих и прозрачных образцов.

C) Сканирующие туннельные микроскопы: могут достигать бокового разрешения 0,1 нм и глубины 0,01 нм. Образцы могут быть отображены в экстремальных условиях, при температурах от почти абсолютного нуля до более 1000 ° C.

Кроме того, сканирующий туннельный микроскоп был первым микроскопом, который использовал квантовые концепции , которые проложили путь к развитию квантового микроскопа запутывания и фотоионизационного микроскопа.

Применение

Сканирующие зондовые микроскопы используются в широком спектре естественных наук, включая медицину, клеточную и молекулярную биологию, физику твердого тела, химию полимеров и полупроводниковую науку и технику.

Например, в молекулярной биологии этот метод микроскопии используется для анализа структуры и механических характеристик белковых комплексов и сборок. В клеточной биологии он используется для определения взаимодействия между определенными клетками и различения нормальных клеток и раковых клеток на основе твердости клеток.

В физике твердого тела он используется для изучения взаимодействия между соседними атомами и изменений в расположении атомов посредством атомных манипуляций.

4. Сканирующие акустические микроскопы

Сканирующий акустический микроскоп измеряет изменения акустического импеданса с помощью звуковых волн. Он в основном используется для неразрушающей оценки, анализа отказов и выявления дефектов в недрах материалов, в том числе обнаруженных в интегральных микросхемах.

Этот тип микроскопа был впервые разработан в 1974 году в микроволновой лаборатории Стэнфордского университета. С тех пор были сделаны многочисленные улучшения для повышения его точности и разрешения.

Микроскоп непосредственно фокусирует звук от датчика в маленькой точке на образце. Звук, падающий на объекты, либо поглощается, либо рассеивается под разными углами. Эти рассеянные импульсы, распространяющиеся в определенном направлении, дают полезную информацию об образце.

Разрешение образца изображения либо ограничено шириной звукового луча (зависит от частоты звука), либо физическим разрешением сканирования.

В отличие от обычных оптических микроскопов, которые позволяют наблюдать поверхность образца, акустические микроскопы фокусируются на определенной точке и получают изображения из более глубоких слоев. Кроме того, они обеспечивают более точные результаты и увеличивают объём данных, сохраняя при этом целостность образца.

Сканирующий акустический микроскоп Sonix HS 1000

Применение

Многие компании используют этот тип микроскопии в аналитических лабораториях для определения качества своих электронных компонентов. Производители также используют его для контроля качества, квалификации поставщиков, тестирования надежности продукции, а также для исследований и разработок.

В биологии эти микроскопы предоставляют полезные данные о физических силах, удерживающих структуры в определенных формах, таких как эластичность клеток и тканей. Это чрезвычайно полезно при изучении процесса подвижности клеток (способность организма самостоятельно передвигаться, используя метаболическую энергию).

5. Рентгеновский микроскоп

Рентгеновские микроскопы генерируют увеличенные изображения объектов, используя электромагнитное излучение в мягком луче. Они способны выдавать 3D-изображение компьютерной томографии относительно больших образцов с высоким разрешением.

Для идентификации рентгеновских лучей, проходящих через образец, используется детектор с зарядовой связью. Поскольку рентгеновские лучи легко проникают сквозь вещество, микроскопы этого типа могут отображать внутреннюю часть образцов, непрозрачных для видимого света.

Современные рентгеновские микроскопы позволяют наблюдать различные образцы, в том числе те, которые имеют низкий контраст поглощения и более плотный материал, например керамические композиты. Чтобы достичь этого, микроскоп изменяет длину волны рентгеновского излучения, что увеличивает контраст или проникновение.

Его разрешение лежит между оптической микроскопией и электронной микроскопией. В отличие от традиционных электронных микроскопов, рентгеновские микроскопы могут отображать толстые биологические материалы в их естественном состоянии.

Рентгеновский микроскоп ZEISS Xradia 510 Versa

Применение

Рентгеновская микроскопия оказалась чрезвычайно полезной в области медицины и материаловедения. Он был использован для анализа структуры различных тканей и образцов биопсии.

В области материаловедения рентгеновские микроскопы могут определять структуру кристалла вплоть до размещения отдельных атомов внутри его молекул. Он также обеспечивает неразрушающий, неинвазивный метод поиска дефектов в трех измерениях.

Сегодняшний мир сложно представить без такой казалось бы обычной вещи, как микроскоп. Микроскоп используется во всех сферах человеческой жизни. Благодаря микроскопу есть возможность развивать множество различных отраслей. Не один раз благодаря микроскопу спасались человеческие жизни, спаслись жизни животных. Современному человеку сложно представить мир без микроскопа, но ещё сложнее представить, что бы было если б микроскопа не существовало в нашем мире.

5 главных элементов из которых состоит микроскоп: стойка на которую крепятся еще 4 элемента, объектив, окуляр, осветительная система, предметный столик. А также тубус, штатив, диафрагма, макровинт, микровинт, зажимы.

За несколько веков существования микроскопа, исследователями было создано кардинально отличающиеся виды этого прибора. А именно были изобретены оптические, электронные, сканирующие зондовые, рентгеновские.

Оптический микроскоп представляет собой самую простую структуру, а также является одним из самых недорогих вариантов, такое устройство способно увеличивать объект в 2000 раз. Именно такие устройства используются во время учебы. Для увеличения используется луч света.

Электронный – по сравнению с оптическим представляет собой усовершенствованное устройство, способность к увеличению объектов достигает минимум в 20000 раз. В отличии от оптических в данном устройстве для увеличения используется пучок электронов.

Сканирующие зондовые – благодаря данному устройству можно получить 3-х мерное изображение, с максимально точными хар-ми объектов.

Рентгеновский – изучает объекты размер, которых приравнивается к размеру рентгеновской волны. Данное устройство способно не только описывать структуру, но и рассказать о химическом составляющем исследуемого объекта.

Популярные сегодня темы

Фигурное катание – это, возможно, самый захватывающий и популярный вид спорта в зимний период. Когда на лед выходит спортсмен, то создается впечатление того, что начинается настоящий спектакл

К ледяной зоне относятся самые северные территории материков. В данных областях, прилегающих к полюсу, природа очень сурова. Здесь не бывает зимы или лета.

Мандаринка является одной из самых необычных и красивых птиц на планете. Это небольшая уточка, масса которой редко превышает 600 – 700 г. Естественный ареал обитания мандаринки — территории С

Годы, проведенные Александром Сергеевичем Пушкиным в лицее, положили начало его творческой деятельности. Царскосельский лицей был открыт в 1811 по приказу царя Александра Первого

Россия славится красотой своей природы. Ладожское озеро одно из многих красот великой России. Ранее на месте где находится озеро был огромный ледник.

Читайте также:

  

• Сообщение по истории россии 6 класс 10 параграф устное народное творчество

  

• Возгорание самолета sukhoi superjet 100 в шереметьево 2019 год сообщение

  

• Мамонты сообщение 5 кл интересные факты

  

• Сообщение о подаче заявления о привлечении к субсидиарной ответственности ефрсб

  

• Не отвечает на сообщение мем

Microscope

Optical microscope used at the Wiki Science Competition 2017 in Thailand
Uses	Small sample observation
Notable experiments	Discovery of cells
Related items	Optical microscope Electron microscope

A microscope (from Ancient Greek μικρός (mikrós) ‘small’, and σκοπέω (skopéō) ‘to look (at); examine, inspect’) is a laboratory instrument used to examine objects that are too small to be seen by the naked eye. Microscopy is the science of investigating small objects and structures using a microscope. Microscopic means being invisible to the eye unless aided by a microscope.

There are many types of microscopes, and they may be grouped in different ways. One way is to describe the method an instrument uses to interact with a sample and produce images, either by sending a beam of light or electrons through a sample in its optical path, by detecting photon emissions from a sample, or by scanning across and a short distance from the surface of a sample using a probe. The most common microscope (and the first to be invented) is the optical microscope, which uses lenses to refract visible light that passed through a thinly sectioned sample to produce an observable image. Other major types of microscopes are the fluorescence microscope, electron microscope (both the transmission electron microscope and the scanning electron microscope) and various types of scanning probe microscopes.^[1]

History

Although objects resembling lenses date back 4,000 years and there are Greek accounts of the optical properties of water-filled spheres (5th century BC) followed by many centuries of writings on optics, the earliest known use of simple microscopes (magnifying glasses) dates back to the widespread use of lenses in eyeglasses in the 13th century.^[2][3][4] The earliest known examples of compound microscopes, which combine an objective lens near the specimen with an eyepiece to view a real image, appeared in Europe around 1620.^[5] The inventor is unknown, even though many claims have been made over the years. Several revolve around the spectacle-making centers in the Netherlands, including claims it was invented in 1590 by Zacharias Janssen (claim made by his son) or Zacharias’ father, Hans Martens, or both,^[6][7] claims it was invented by their neighbor and rival spectacle maker, Hans Lippershey (who applied for the first telescope patent in 1608),^[8] and claims it was invented by expatriate Cornelis Drebbel, who was noted to have a version in London in 1619.^[9][10] Galileo Galilei (also sometimes cited as compound microscope inventor) seems to have found after 1610 that he could close focus his telescope to view small objects and, after seeing a compound microscope built by Drebbel exhibited in Rome in 1624, built his own improved version.^[11][12][13] Giovanni Faber coined the name microscope for the compound microscope Galileo submitted to the Accademia dei Lincei in 1625^[14] (Galileo had called it the occhiolino ‘little eye’).

Rise of modern light microscopes

The first detailed account of the microscopic anatomy of organic tissue based on the use of a microscope did not appear until 1644, in Giambattista Odierna’s L’occhio della mosca, or The Fly’s Eye.^[15]

The microscope was still largely a novelty until the 1660s and 1670s when naturalists in Italy, the Netherlands and England began using them to study biology. Italian scientist Marcello Malpighi, called the father of histology by some historians of biology, began his analysis of biological structures with the lungs. The publication in 1665 of Robert Hooke’s Micrographia had a huge impact, largely because of its impressive illustrations. A significant contribution came from Antonie van Leeuwenhoek who achieved up to 300 times magnification using a simple single lens microscope. He sandwiched a very small glass ball lens between the holes in two metal plates riveted together, and with an adjustable-by-screws needle attached to mount the specimen.^[16] Then, Van Leeuwenhoek re-discovered red blood cells (after Jan Swammerdam) and spermatozoa, and helped popularise the use of microscopes to view biological ultrastructure. On 9 October 1676, van Leeuwenhoek reported the discovery of micro-organisms.^[15]

The performance of a light microscope depends on the quality and correct use of the condensor lens system to focus light on the specimen and the objective lens to capture the light from the specimen and form an image.^[5] Early instruments were limited until this principle was fully appreciated and developed from the late 19th to very early 20th century, and until electric lamps were available as light sources. In 1893 August Köhler developed a key principle of sample illumination, Köhler illumination, which is central to achieving the theoretical limits of resolution for the light microscope. This method of sample illumination produces even lighting and overcomes the limited contrast and resolution imposed by early techniques of sample illumination. Further developments in sample illumination came from the discovery of phase contrast by Frits Zernike in 1953, and differential interference contrast illumination by Georges Nomarski in 1955; both of which allow imaging of unstained, transparent samples.

Electron microscopes

In the early 20th century a significant alternative to the light microscope was developed, an instrument that uses a beam of electrons rather than light to generate an image. The German physicist, Ernst Ruska, working with electrical engineer Max Knoll, developed the first prototype electron microscope in 1931, a transmission electron microscope (TEM). The transmission electron microscope works on similar principles to an optical microscope but uses electrons in the place of light and electromagnets in the place of glass lenses. Use of electrons, instead of light, allows for much higher resolution.

Development of the transmission electron microscope was quickly followed in 1935 by the development of the scanning electron microscope by Max Knoll.^[17] Although TEMs were being used for research before WWII, and became popular afterwards, the SEM was not commercially available until 1965.

Transmission electron microscopes became popular following the Second World War. Ernst Ruska, working at Siemens, developed the first commercial transmission electron microscope and, in the 1950s, major scientific conferences on electron microscopy started being held. In 1965, the first commercial scanning electron microscope was developed by Professor Sir Charles Oatley and his postgraduate student Gary Stewart, and marketed by the Cambridge Instrument Company as the «Stereoscan».

One of the latest discoveries made about using an electron microscope is the ability to identify a virus.^[18] Since this microscope produces a visible, clear image of small organelles, in an electron microscope there is no need for reagents to see the virus or harmful cells, resulting in a more efficient way to detect pathogens.

Scanning probe microscopes

From 1981 to 1983 Gerd Binnig and Heinrich Rohrer worked at IBM in Zurich, Switzerland to study the quantum tunnelling phenomenon. They created a practical instrument, a scanning probe microscope from quantum tunnelling theory, that read very small forces exchanged between a probe and the surface of a sample. The probe approaches the surface so closely that electrons can flow continuously between probe and sample, making a current from surface to probe. The microscope was not initially well received due to the complex nature of the underlying theoretical explanations. In 1984 Jerry Tersoff and D.R. Hamann, while at AT&T’s Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey began publishing articles that tied theory to the experimental results obtained by the instrument. This was closely followed in 1985 with functioning commercial instruments, and in 1986 with Gerd Binnig, Quate, and Gerber’s invention of the atomic force microscope, then Binnig’s and Rohrer’s Nobel Prize in Physics for the SPM.^[19]

New types of scanning probe microscope have continued to be developed as the ability to machine ultra-fine probes and tips has advanced.

Fluorescence microscopes

The most recent developments in light microscope largely centre on the rise of fluorescence microscopy in biology.^[20] During the last decades of the 20th century, particularly in the post-genomic era, many techniques for fluorescent staining of cellular structures were developed.^[20] The main groups of techniques involve targeted chemical staining of particular cell structures, for example, the chemical compound DAPI to label DNA, use of antibodies conjugated to fluorescent reporters, see
immunofluorescence, and fluorescent proteins, such as green fluorescent protein.^[21] These techniques use these different fluorophores for analysis of cell structure at a molecular level in both live and fixed samples.

The rise of fluorescence microscopy drove the development of a major modern microscope design, the confocal microscope. The principle was patented in 1957 by Marvin Minsky, although laser technology limited practical application of the technique. It was not until 1978 when Thomas and Christoph Cremer developed the first practical confocal laser scanning microscope and the technique rapidly gained popularity through the 1980s.

Super resolution microscopes

Much current research (in the early 21st century) on optical microscope techniques is focused on development of superresolution analysis of fluorescently labelled samples. Structured illumination can improve resolution by around two to four times and techniques like stimulated emission depletion (STED) microscopy are approaching the resolution of electron microscopes.^[22] This occurs because the diffraction limit is occurred from light or excitation, which makes the resolution must be doubled to become super saturated. Stefan Hell was awarded the 2014 Nobel Prize in Chemistry for the development of the STED technique, along with Eric Betzig and William Moerner who adapted fluorescence microscopy for single-molecule visualization.^[23]

X-ray microscopes

X-ray microscopes are instruments that use electromagnetic radiation usually in the soft X-ray band to image objects. Technological advances in X-ray lens optics in the early 1970s made the instrument a viable imaging choice.^[24] They are often used in tomography (see micro-computed tomography) to produce three dimensional images of objects, including biological materials that have not been chemically fixed. Currently research is being done to improve optics for hard X-rays which have greater penetrating power.^[24]

Types

Microscopes can be separated into several different classes. One grouping is based on what interacts with the sample to generate the image, i.e., light or photons (optical microscopes), electrons (electron microscopes) or a probe (scanning probe microscopes). Alternatively, microscopes can be classified based on whether they analyze the sample via a scanning point (confocal optical microscopes, scanning electron microscopes and scanning probe microscopes) or analyze the sample all at once (wide field optical microscopes and transmission electron microscopes).

Wide field optical microscopes and transmission electron microscopes both use the theory of lenses (optics for light microscopes and electromagnet lenses for electron microscopes) in order to magnify the image generated by the passage of a wave transmitted through the sample, or reflected by the sample. The waves used are electromagnetic (in optical microscopes) or electron beams (in electron microscopes). Resolution in these microscopes is limited by the wavelength of the radiation used to image the sample, where shorter wavelengths allow for a higher resolution.^[20]

Scanning optical and electron microscopes, like the confocal microscope and scanning electron microscope, use lenses to focus a spot of light or electrons onto the sample then analyze the signals generated by the beam interacting with the sample. The point is then scanned over the sample to analyze a rectangular region. Magnification of the image is achieved by displaying the data from scanning a physically small sample area on a relatively large screen. These microscopes have the same resolution limit as wide field optical, probe, and electron microscopes.

Scanning probe microscopes also analyze a single point in the sample and then scan the probe over a rectangular sample region to build up an image. As these microscopes do not use electromagnetic or electron radiation for imaging they are not subject to the same resolution limit as the optical and electron microscopes described above.

Optical microscope

The most common type of microscope (and the first invented) is the optical microscope. This is an optical instrument containing one or more lenses producing an enlarged image of a sample placed in the focal plane. Optical microscopes have refractive glass (occasionally plastic or quartz), to focus light on the eye or on to another light detector. Mirror-based optical microscopes operate in the same manner. Typical magnification of a light microscope, assuming visible range light, is up to 1,250× with a theoretical resolution limit of around 0.250 micrometres or 250 nanometres.^[20] This limits practical magnification to ~1,500×. Specialized techniques (e.g., scanning confocal microscopy, Vertico SMI) may exceed this magnification but the resolution is diffraction limited. The use of shorter wavelengths of light, such as ultraviolet, is one way to improve the spatial resolution of the optical microscope, as are devices such as the near-field scanning optical microscope.

Sarfus is a recent optical technique that increases the sensitivity of a standard optical microscope to a point where it is possible to directly visualize nanometric films (down to 0.3 nanometre) and isolated nano-objects (down to 2 nm-diameter). The technique is based on the use of non-reflecting substrates for cross-polarized reflected light microscopy.

Ultraviolet light enables the resolution of microscopic features as well as the imaging of samples that are transparent to the eye. Near infrared light can be used to visualize circuitry embedded in bonded silicon devices, since silicon is transparent in this region of wavelengths.

In fluorescence microscopy many wavelengths of light ranging from the ultraviolet to the visible can be used to cause samples to fluoresce, which allows viewing by eye or with specifically sensitive cameras.

Phase-contrast microscopy is an optical microscopic illumination technique in which small phase shifts in the light passing through a transparent specimen are converted into amplitude or contrast changes in the image.^[20] The use of phase contrast does not require staining to view the slide. This microscope technique made it possible to study the cell cycle in live cells.

The traditional optical microscope has more recently evolved into the digital microscope. In addition to, or instead of, directly viewing the object through the eyepieces, a type of sensor similar to those used in a digital camera is used to obtain an image, which is then displayed on a computer monitor. These sensors may use CMOS or charge-coupled device (CCD) technology, depending on the application.

Digital microscopy with very low light levels to avoid damage to vulnerable biological samples is available using sensitive photon-counting digital cameras. It has been demonstrated that a light source providing pairs of entangled photons may minimize the risk of damage to the most light-sensitive samples. In this application of ghost imaging to photon-sparse microscopy, the sample is illuminated with infrared photons, each of which is spatially correlated with an entangled partner in the visible band for efficient imaging by a photon-counting camera.^[26]

Electron microscope

The two major types of electron microscopes are transmission electron microscopes (TEMs) and scanning electron microscopes (SEMs).^[20][21] They both have series of electromagnetic and electrostatic lenses to focus a high energy beam of electrons on a sample. In a TEM the electrons pass through the sample, analogous to basic optical microscopy.^[20] This requires careful sample preparation, since electrons are scattered strongly by most materials.^[21] The samples must also be very thin (below 100 nm) in order for the electrons to pass through it.^[20][21] Cross-sections of cells stained with osmium and heavy metals reveal clear organelle membranes and proteins such as ribosomes.^[21] With a 0.1 nm level of resolution, detailed views of viruses (20 – 300 nm) and a strand of DNA (2 nm in width) can be obtained.^[21] In contrast, the SEM has raster coils to scan the surface of bulk objects with a fine electron beam. Therefore, the specimen do not necessarily need to be sectioned, but coating with a nanometric metal or carbon layer may be needed for nonconductive samples.^[20] SEM allows fast surface imaging of samples, possibly in thin water vapor to prevent drying.^[20][21]

Scanning probe

The different types of scanning probe microscopes arise from the many different types of interactions that occur when a small probe is scanned over and interacts with a specimen. These interactions or modes can be recorded or mapped as function of location on the surface to form a characterization map. The three most common types of scanning probe microscopes are atomic force microscopes (AFM), near-field scanning optical microscopes (MSOM or SNOM, scanning near-field optical microscopy), and scanning tunneling microscopes (STM).^[27] An atomic force microscope has a fine probe, usually of silicon or silicon nitride, attached to a cantilever; the probe is scanned over the surface of the sample, and the forces that cause an interaction between the probe and the surface of the sample are measured and mapped. A near-field scanning optical microscope is similar to an AFM but its probe consists of a light source in an optical fiber covered with a tip that has usually an aperture for the light to pass through. The microscope can capture either transmitted or reflected light to measure very localized optical properties of the surface, commonly of a biological specimen. Scanning tunneling microscopes have a metal tip with a single apical atom; the tip is attached to a tube through which a current flows.^[28] The tip is scanned over the surface of a conductive sample until a tunneling current flows; the current is kept constant by computer movement of the tip and an image is formed by the recorded movements of the tip.^[27]

Other types

Scanning acoustic microscopes use sound waves to measure variations in acoustic impedance. Similar to Sonar in principle, they are used for such jobs as detecting defects in the subsurfaces of materials including those found in integrated circuits. On February 4, 2013, Australian engineers built a «quantum microscope» which provides unparalleled precision.^[29]

Mobile apps

Mobile app microscopes can optionally be used as optical microscope when the flashlight is activated. However, mobile app microscopes are harder to use due to visual noise, are often limited to 40x, and the resolution limits of the camera lens itself.

See also

References

External links

• Milestones in Light Microscopy, Nature Publishing
• FAQ on Optical Microscopes
• Nikon MicroscopyU, tutorials from Nikon
• Molecular Expressions : Exploring the World of Optics and Microscopy, Florida State University.

Microscope

Optical microscope used at the Wiki Science Competition 2017 in Thailand
Uses	Small sample observation
Notable experiments	Discovery of cells
Related items	Optical microscope Electron microscope

A microscope (from Ancient Greek μικρός (mikrós) ‘small’, and σκοπέω (skopéō) ‘to look (at); examine, inspect’) is a laboratory instrument used to examine objects that are too small to be seen by the naked eye. Microscopy is the science of investigating small objects and structures using a microscope. Microscopic means being invisible to the eye unless aided by a microscope.

There are many types of microscopes, and they may be grouped in different ways. One way is to describe the method an instrument uses to interact with a sample and produce images, either by sending a beam of light or electrons through a sample in its optical path, by detecting photon emissions from a sample, or by scanning across and a short distance from the surface of a sample using a probe. The most common microscope (and the first to be invented) is the optical microscope, which uses lenses to refract visible light that passed through a thinly sectioned sample to produce an observable image. Other major types of microscopes are the fluorescence microscope, electron microscope (both the transmission electron microscope and the scanning electron microscope) and various types of scanning probe microscopes.^[1]

History

Although objects resembling lenses date back 4,000 years and there are Greek accounts of the optical properties of water-filled spheres (5th century BC) followed by many centuries of writings on optics, the earliest known use of simple microscopes (magnifying glasses) dates back to the widespread use of lenses in eyeglasses in the 13th century.^[2][3][4] The earliest known examples of compound microscopes, which combine an objective lens near the specimen with an eyepiece to view a real image, appeared in Europe around 1620.^[5] The inventor is unknown, even though many claims have been made over the years. Several revolve around the spectacle-making centers in the Netherlands, including claims it was invented in 1590 by Zacharias Janssen (claim made by his son) or Zacharias’ father, Hans Martens, or both,^[6][7] claims it was invented by their neighbor and rival spectacle maker, Hans Lippershey (who applied for the first telescope patent in 1608),^[8] and claims it was invented by expatriate Cornelis Drebbel, who was noted to have a version in London in 1619.^[9][10] Galileo Galilei (also sometimes cited as compound microscope inventor) seems to have found after 1610 that he could close focus his telescope to view small objects and, after seeing a compound microscope built by Drebbel exhibited in Rome in 1624, built his own improved version.^[11][12][13] Giovanni Faber coined the name microscope for the compound microscope Galileo submitted to the Accademia dei Lincei in 1625^[14] (Galileo had called it the occhiolino ‘little eye’).

Rise of modern light microscopes

The first detailed account of the microscopic anatomy of organic tissue based on the use of a microscope did not appear until 1644, in Giambattista Odierna’s L’occhio della mosca, or The Fly’s Eye.^[15]

The microscope was still largely a novelty until the 1660s and 1670s when naturalists in Italy, the Netherlands and England began using them to study biology. Italian scientist Marcello Malpighi, called the father of histology by some historians of biology, began his analysis of biological structures with the lungs. The publication in 1665 of Robert Hooke’s Micrographia had a huge impact, largely because of its impressive illustrations. A significant contribution came from Antonie van Leeuwenhoek who achieved up to 300 times magnification using a simple single lens microscope. He sandwiched a very small glass ball lens between the holes in two metal plates riveted together, and with an adjustable-by-screws needle attached to mount the specimen.^[16] Then, Van Leeuwenhoek re-discovered red blood cells (after Jan Swammerdam) and spermatozoa, and helped popularise the use of microscopes to view biological ultrastructure. On 9 October 1676, van Leeuwenhoek reported the discovery of micro-organisms.^[15]

The performance of a light microscope depends on the quality and correct use of the condensor lens system to focus light on the specimen and the objective lens to capture the light from the specimen and form an image.^[5] Early instruments were limited until this principle was fully appreciated and developed from the late 19th to very early 20th century, and until electric lamps were available as light sources. In 1893 August Köhler developed a key principle of sample illumination, Köhler illumination, which is central to achieving the theoretical limits of resolution for the light microscope. This method of sample illumination produces even lighting and overcomes the limited contrast and resolution imposed by early techniques of sample illumination. Further developments in sample illumination came from the discovery of phase contrast by Frits Zernike in 1953, and differential interference contrast illumination by Georges Nomarski in 1955; both of which allow imaging of unstained, transparent samples.

Electron microscopes

In the early 20th century a significant alternative to the light microscope was developed, an instrument that uses a beam of electrons rather than light to generate an image. The German physicist, Ernst Ruska, working with electrical engineer Max Knoll, developed the first prototype electron microscope in 1931, a transmission electron microscope (TEM). The transmission electron microscope works on similar principles to an optical microscope but uses electrons in the place of light and electromagnets in the place of glass lenses. Use of electrons, instead of light, allows for much higher resolution.

Development of the transmission electron microscope was quickly followed in 1935 by the development of the scanning electron microscope by Max Knoll.^[17] Although TEMs were being used for research before WWII, and became popular afterwards, the SEM was not commercially available until 1965.

Transmission electron microscopes became popular following the Second World War. Ernst Ruska, working at Siemens, developed the first commercial transmission electron microscope and, in the 1950s, major scientific conferences on electron microscopy started being held. In 1965, the first commercial scanning electron microscope was developed by Professor Sir Charles Oatley and his postgraduate student Gary Stewart, and marketed by the Cambridge Instrument Company as the «Stereoscan».

One of the latest discoveries made about using an electron microscope is the ability to identify a virus.^[18] Since this microscope produces a visible, clear image of small organelles, in an electron microscope there is no need for reagents to see the virus or harmful cells, resulting in a more efficient way to detect pathogens.

Scanning probe microscopes

From 1981 to 1983 Gerd Binnig and Heinrich Rohrer worked at IBM in Zurich, Switzerland to study the quantum tunnelling phenomenon. They created a practical instrument, a scanning probe microscope from quantum tunnelling theory, that read very small forces exchanged between a probe and the surface of a sample. The probe approaches the surface so closely that electrons can flow continuously between probe and sample, making a current from surface to probe. The microscope was not initially well received due to the complex nature of the underlying theoretical explanations. In 1984 Jerry Tersoff and D.R. Hamann, while at AT&T’s Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey began publishing articles that tied theory to the experimental results obtained by the instrument. This was closely followed in 1985 with functioning commercial instruments, and in 1986 with Gerd Binnig, Quate, and Gerber’s invention of the atomic force microscope, then Binnig’s and Rohrer’s Nobel Prize in Physics for the SPM.^[19]

New types of scanning probe microscope have continued to be developed as the ability to machine ultra-fine probes and tips has advanced.

Fluorescence microscopes

The most recent developments in light microscope largely centre on the rise of fluorescence microscopy in biology.^[20] During the last decades of the 20th century, particularly in the post-genomic era, many techniques for fluorescent staining of cellular structures were developed.^[20] The main groups of techniques involve targeted chemical staining of particular cell structures, for example, the chemical compound DAPI to label DNA, use of antibodies conjugated to fluorescent reporters, see
immunofluorescence, and fluorescent proteins, such as green fluorescent protein.^[21] These techniques use these different fluorophores for analysis of cell structure at a molecular level in both live and fixed samples.

The rise of fluorescence microscopy drove the development of a major modern microscope design, the confocal microscope. The principle was patented in 1957 by Marvin Minsky, although laser technology limited practical application of the technique. It was not until 1978 when Thomas and Christoph Cremer developed the first practical confocal laser scanning microscope and the technique rapidly gained popularity through the 1980s.

Super resolution microscopes

Much current research (in the early 21st century) on optical microscope techniques is focused on development of superresolution analysis of fluorescently labelled samples. Structured illumination can improve resolution by around two to four times and techniques like stimulated emission depletion (STED) microscopy are approaching the resolution of electron microscopes.^[22] This occurs because the diffraction limit is occurred from light or excitation, which makes the resolution must be doubled to become super saturated. Stefan Hell was awarded the 2014 Nobel Prize in Chemistry for the development of the STED technique, along with Eric Betzig and William Moerner who adapted fluorescence microscopy for single-molecule visualization.^[23]

X-ray microscopes

X-ray microscopes are instruments that use electromagnetic radiation usually in the soft X-ray band to image objects. Technological advances in X-ray lens optics in the early 1970s made the instrument a viable imaging choice.^[24] They are often used in tomography (see micro-computed tomography) to produce three dimensional images of objects, including biological materials that have not been chemically fixed. Currently research is being done to improve optics for hard X-rays which have greater penetrating power.^[24]

Types

Microscopes can be separated into several different classes. One grouping is based on what interacts with the sample to generate the image, i.e., light or photons (optical microscopes), electrons (electron microscopes) or a probe (scanning probe microscopes). Alternatively, microscopes can be classified based on whether they analyze the sample via a scanning point (confocal optical microscopes, scanning electron microscopes and scanning probe microscopes) or analyze the sample all at once (wide field optical microscopes and transmission electron microscopes).

Wide field optical microscopes and transmission electron microscopes both use the theory of lenses (optics for light microscopes and electromagnet lenses for electron microscopes) in order to magnify the image generated by the passage of a wave transmitted through the sample, or reflected by the sample. The waves used are electromagnetic (in optical microscopes) or electron beams (in electron microscopes). Resolution in these microscopes is limited by the wavelength of the radiation used to image the sample, where shorter wavelengths allow for a higher resolution.^[20]

Scanning optical and electron microscopes, like the confocal microscope and scanning electron microscope, use lenses to focus a spot of light or electrons onto the sample then analyze the signals generated by the beam interacting with the sample. The point is then scanned over the sample to analyze a rectangular region. Magnification of the image is achieved by displaying the data from scanning a physically small sample area on a relatively large screen. These microscopes have the same resolution limit as wide field optical, probe, and electron microscopes.

Scanning probe microscopes also analyze a single point in the sample and then scan the probe over a rectangular sample region to build up an image. As these microscopes do not use electromagnetic or electron radiation for imaging they are not subject to the same resolution limit as the optical and electron microscopes described above.

Optical microscope

The most common type of microscope (and the first invented) is the optical microscope. This is an optical instrument containing one or more lenses producing an enlarged image of a sample placed in the focal plane. Optical microscopes have refractive glass (occasionally plastic or quartz), to focus light on the eye or on to another light detector. Mirror-based optical microscopes operate in the same manner. Typical magnification of a light microscope, assuming visible range light, is up to 1,250× with a theoretical resolution limit of around 0.250 micrometres or 250 nanometres.^[20] This limits practical magnification to ~1,500×. Specialized techniques (e.g., scanning confocal microscopy, Vertico SMI) may exceed this magnification but the resolution is diffraction limited. The use of shorter wavelengths of light, such as ultraviolet, is one way to improve the spatial resolution of the optical microscope, as are devices such as the near-field scanning optical microscope.

Sarfus is a recent optical technique that increases the sensitivity of a standard optical microscope to a point where it is possible to directly visualize nanometric films (down to 0.3 nanometre) and isolated nano-objects (down to 2 nm-diameter). The technique is based on the use of non-reflecting substrates for cross-polarized reflected light microscopy.

Ultraviolet light enables the resolution of microscopic features as well as the imaging of samples that are transparent to the eye. Near infrared light can be used to visualize circuitry embedded in bonded silicon devices, since silicon is transparent in this region of wavelengths.

In fluorescence microscopy many wavelengths of light ranging from the ultraviolet to the visible can be used to cause samples to fluoresce, which allows viewing by eye or with specifically sensitive cameras.

Phase-contrast microscopy is an optical microscopic illumination technique in which small phase shifts in the light passing through a transparent specimen are converted into amplitude or contrast changes in the image.^[20] The use of phase contrast does not require staining to view the slide. This microscope technique made it possible to study the cell cycle in live cells.

The traditional optical microscope has more recently evolved into the digital microscope. In addition to, or instead of, directly viewing the object through the eyepieces, a type of sensor similar to those used in a digital camera is used to obtain an image, which is then displayed on a computer monitor. These sensors may use CMOS or charge-coupled device (CCD) technology, depending on the application.

Digital microscopy with very low light levels to avoid damage to vulnerable biological samples is available using sensitive photon-counting digital cameras. It has been demonstrated that a light source providing pairs of entangled photons may minimize the risk of damage to the most light-sensitive samples. In this application of ghost imaging to photon-sparse microscopy, the sample is illuminated with infrared photons, each of which is spatially correlated with an entangled partner in the visible band for efficient imaging by a photon-counting camera.^[26]

Electron microscope

The two major types of electron microscopes are transmission electron microscopes (TEMs) and scanning electron microscopes (SEMs).^[20][21] They both have series of electromagnetic and electrostatic lenses to focus a high energy beam of electrons on a sample. In a TEM the electrons pass through the sample, analogous to basic optical microscopy.^[20] This requires careful sample preparation, since electrons are scattered strongly by most materials.^[21] The samples must also be very thin (below 100 nm) in order for the electrons to pass through it.^[20][21] Cross-sections of cells stained with osmium and heavy metals reveal clear organelle membranes and proteins such as ribosomes.^[21] With a 0.1 nm level of resolution, detailed views of viruses (20 – 300 nm) and a strand of DNA (2 nm in width) can be obtained.^[21] In contrast, the SEM has raster coils to scan the surface of bulk objects with a fine electron beam. Therefore, the specimen do not necessarily need to be sectioned, but coating with a nanometric metal or carbon layer may be needed for nonconductive samples.^[20] SEM allows fast surface imaging of samples, possibly in thin water vapor to prevent drying.^[20][21]

Scanning probe

The different types of scanning probe microscopes arise from the many different types of interactions that occur when a small probe is scanned over and interacts with a specimen. These interactions or modes can be recorded or mapped as function of location on the surface to form a characterization map. The three most common types of scanning probe microscopes are atomic force microscopes (AFM), near-field scanning optical microscopes (MSOM or SNOM, scanning near-field optical microscopy), and scanning tunneling microscopes (STM).^[27] An atomic force microscope has a fine probe, usually of silicon or silicon nitride, attached to a cantilever; the probe is scanned over the surface of the sample, and the forces that cause an interaction between the probe and the surface of the sample are measured and mapped. A near-field scanning optical microscope is similar to an AFM but its probe consists of a light source in an optical fiber covered with a tip that has usually an aperture for the light to pass through. The microscope can capture either transmitted or reflected light to measure very localized optical properties of the surface, commonly of a biological specimen. Scanning tunneling microscopes have a metal tip with a single apical atom; the tip is attached to a tube through which a current flows.^[28] The tip is scanned over the surface of a conductive sample until a tunneling current flows; the current is kept constant by computer movement of the tip and an image is formed by the recorded movements of the tip.^[27]

Other types

Scanning acoustic microscopes use sound waves to measure variations in acoustic impedance. Similar to Sonar in principle, they are used for such jobs as detecting defects in the subsurfaces of materials including those found in integrated circuits. On February 4, 2013, Australian engineers built a «quantum microscope» which provides unparalleled precision.^[29]

Mobile apps

Mobile app microscopes can optionally be used as optical microscope when the flashlight is activated. However, mobile app microscopes are harder to use due to visual noise, are often limited to 40x, and the resolution limits of the camera lens itself.

See also

References

External links

• Milestones in Light Microscopy, Nature Publishing
• FAQ on Optical Microscopes
• Nikon MicroscopyU, tutorials from Nikon
• Molecular Expressions : Exploring the World of Optics and Microscopy, Florida State University.

Содержание статьи

• ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
• Электронная оптика.
• Изображение.
• Разрешение.
• РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
• Отражательный РЭМ.
• Растровый просвечивающий электронный микроскоп.
• РАСТРОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП
• Автоэлектронный и автоионный проекторы.
• Растровый туннельный микроскоп (РТМ).
• ТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
• Биологические препараты.
• Небиологические материалы.
• Высоковольтная микроскопия.
• Низковольтная микроскопия.
• Радиационное повреждение.
• ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. ЭМ – один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.

Существуют три основных вида ЭМ. В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах – растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах – растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.

ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

ОПЭМ во многом подобен световому микроскопу см. МИКРОСКОП, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются электронный прожектор (см. ниже), ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка -100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором (см. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА). Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.

Электронная оптика.

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой (рис. 1). Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.

Схема ОПЭМ представлена на рис. 2. Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой – самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ~1 000 000. (При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли.) Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.

Изображение.

Контраст в ОПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из диафрагмы с угловым отклонением, превышающим некоторый предел, уже не могут вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно рассеивающие участки повышенной плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых атомов выглядят на изображении как темные зоны на светлом фоне. Такое изображение называется светлопольным, поскольку на нем окружающее поле светлее объекта. Но можно сделать так, чтобы электрическая отклоняющая система пропускала в диафрагму объектива только те или иные из рассеянных электронов. Тогда образец выглядит светлым на темном поле. Слабо рассеивающий объект часто бывает удобнее рассматривать в режиме темного поля.

Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.

Разрешение.

Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50–100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения ок. 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой ок. 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.

РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

РЭМ, ставший важнейшим прибором для научных исследований, служит хорошим дополнением ОПЭМ. В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировке объекта электронами пучка, используется для формирования изображения на экране телевизионного кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой синхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рис. 3). Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это увеличение составляет от 10 до 10 млн.

Взаимодействие электронов сфокусированного пучка с атомами образца может приводить не только к их рассеянию, которое используется для получения изображения в ОПЭМ, но и к возбуждению рентгеновского излучения, испусканию видимого света и эмиссии вторичных электронов. Кроме того, поскольку в РЭМ перед образцом имеются только фокусирующие линзы, он позволяет исследовать «толстые» образцы.

Отражательный РЭМ.

Отражательный РЭМ предназначен для исследования массивных образцов. Поскольку контраст, возникающий при регистрации отраженных, т.е. обратно-рассеянных, и вторичных электронов, связан в основном с углом падения электронов на образец, на изображении выявляется поверхностная структура. (Интенсивность обратного рассеяния и глубина, на которой оно происходит, зависят от энергии электронов падающего пучка. Эмиссия вторичных электронов определяется, в основном составом поверхности и электропроводностью образца.) Оба эти сигнала несут информацию об общих характеристиках образца. Благодаря малой сходимости электронного пучка можно проводить наблюдения с гораздо большей глубиной резкости, чем при работе со световым микроскопом, и получать прекрасные объемные микрофотографии поверхностей с весьма развитым рельефом. Регистрируя рентгеновское излучение, испускаемое образцом, можно в дополнение к данным о рельефе получать информацию о химическом составе образца в поверхностном слое глубиной ~0,001 мм. О составе материала на поверхности можно судить и по измеренной энергии, с которой эмиттируются те или иные электроны.

Все сложности работы с РЭМ обусловлены, в основном, его системами регистрации и электронной визуализации. В приборе с полным комплексом детекторов, наряду со всеми функциями РЭМ, предусматривается рабочий режим электронно-зондового микроанализатора.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) – это особый вид РЭМ. Он рассчитан на тонкие образцы, такие же, как и исследуемые в ОПЭМ. Схема РПЭМ отличается от схемы на рис. 3 только тем, что в ней нет детекторов, расположенных выше образца. Поскольку изображение формируется бегущим пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца), требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно было зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости. В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле (ок. В/см) вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра. Это поле буквально вытягивает миллиарды электронов из проволочки без всякого нагрева. Яркость такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой (см. выше), а испускаемые им электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром менее 1 нм. Были даже получены пучки, диаметр которых близок к 0,2 нм.

Автоэлектронные источники могут работать только в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ниже Па), в которых полностью отсутствуют такие загрязнения, как пары углеводородов и воды, и становится возможным получение изображений с высоким разрешением. Благодаря таким сверхчистым условиям можно исследовать процессы и явления, недоступные ЭМ с обычными вакуумными системами.

Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах. Электроны проходят сквозь такие образцы почти без рассеяния. Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод, расположенный под образцом (рис. 3). Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного номера атомов в той области, через которую проходят электроны, – более тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0,5 нм, то можно получить изображение отдельных атомов. Реально удается различать на изображении, полученном в РПЭМ, отдельные атомы с атомной массой железа (т.е. 26 и более).

Электроны, не претерпевшие рассеяния в образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в отверстие кольцевого детектора. Энергетический анализатор, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. Измеряя энергию, потерянную электронами при рассеянии, можно получить важную информацию об образце. Потери энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области, через которую проходит электронный пучок.

РАСТРОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

В ЭМ, рассмотренных выше, для фокусировки электронов применяются магнитные линзы. Данный раздел посвящен ЭМ без линз. Но, прежде чем переходить к растровому туннельному микроскопу (РТМ), будет полезно кратко остановиться на двух старых видах безлинзового микроскопа, в которых формируется проецированное теневое изображение.

Автоэлектронный и автоионный проекторы.

Автоэлектронный источник, применяемый в РПЭМ, с начала 1950-х годов применялся в теневых проекторах. В автоэлектронном проекторе электроны, испускаемые за счет автоэлектронной эмиссии острием очень малого диаметра, ускоряются в направлении люминесцентного экрана, расположенного на расстоянии нескольких сантиметров от острия. В результате на экране возникает проецированное изображение поверхности острия и находящихся на этой поверхности частиц с увеличением, равным отношению радиуса экрана к радиусу острия (порядка ). Более высокое разрешение достигается в автоионном проекторе, в котором проецирование изображения осуществляется ионами гелия (или некоторых других элементов), эффективная длина волны которых меньше, чем у электронов. Это позволяет получать изображения, показывающие истинное расположение атомов в кристаллической решетке материала острия. Поэтому автоионные проекторы используются, в частности, для исследования кристаллической структуры и ее дефектов в материалах, из которых могут быть изготовлены такие острия.

Растровый туннельный микроскоп (РТМ).

В этом микроскопе тоже используется металлическое острие малого диаметра, являющееся источником электронов. В зазоре между острием и поверхностью образца создается электрическое поле. Число электронов, вытягиваемых полем из острия в единицу времени (ток туннелирования), зависит от расстояния между острием и поверхностью образца (на практике это расстояние меньше 1 нм). При перемещении острия вдоль поверхности ток модулируется. Это позволяет получить изображение, связанное с рельефом поверхности образца. Если острие заканчивается одиночным атомом, то можно сформировать изображение поверхности, проходя атом за атомом.

РТМ может работать только при условии, что расстояние от острия до поверхности постоянно, а острие можно перемещать с точностью до атомных размеров. Вибрации подавляются благодаря жесткой конструкции и малым размерам микроскопа (не более кулака), а также применению многослойных резиновых амортизаторов. Высокую точность обеспечивают пьезоэлектрические материалы, которые удлиняются и сокращаются под действием внешнего электрического поля. Подавая напряжение порядка 10^–5 В, можно изменять размеры таких материалов на 0,1 нм и менее. Это дает возможность, закрепив острие на элементе из пьезоэлектрического материала, перемещать его в трех взаимно перпендикулярных направлениях с точностью порядка атомных размеров.

ТЕХНИКА ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Вряд ли остался какой-либо сектор исследований в области биологии и материаловедения, где бы не применялась просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ); это обеспечено успехами техники приготовления образцов.

Все применяемые в электронной микроскопии методики нацелены на получение предельно тонкого образца и обеспечение максимального контраста между ним и подложкой, которая необходима ему в качестве опоры. Основная методика рассчитана на образцы толщиной 2–200 нм, поддерживаемые тонкими пластмассовыми или углеродными пленками, которые кладутся на сетку с размером ячейки ок. 0,05 мм. (Подходящий образец, каким бы способом он ни был получен, обрабатывается так, чтобы увеличить интенсивность рассеяния электронов на исследуемом объекте.) Если контраст достаточно велик, то глаз наблюдателя может без напряжения различить детали, находящиеся на расстоянии 0,1–0,2 мм друг от друга. Следовательно, для того, чтобы на изображении, создаваемом электронным микроскопом, были различимы детали, разделенные на образце расстоянием в 1 нм, необходимо полное увеличение порядка 100–200 тыс. Лучшие из микроскопов могут создать на фотопластинке изображение образца с таким увеличением, но при этом изображается слишком малый участок. Обычно делают микроснимок с меньшим увеличением, а затем увеличивают его фотографически. Фотопластинка разрешает на длине 10 см ок. 10 000 линий. Если каждая линия соответствует на образце некой структуре протяженностью 0,5 нм, то для регистрации такой структуры необходимо увеличение не менее 20 000, тогда как при помощи РЭМ и РПЭМ, в которых изображение регистрируется электронной системой и развертывается на телевизионном экране, может быть разрешено только ок. 1000 линий. Таким образом, при использовании телевизионного монитора минимально необходимое увеличение примерно в 10 раз больше, чем при фоторегистрации.

Биологические препараты.

Электронная микроскопия широко применяется в биологических и медицинских исследованиях. Разработаны методики фиксации, заливки и получения тонких срезов тканей для исследования в ОПЭМ и РПЭМ и методики фиксации для исследования объемных образцов в РЭМ. Эти методики дают возможность исследовать организацию клеток на макромолекулярном уровне. Электронная микроскопия выявила компоненты клетки и детали строения мембран, митохондрий, эндоплазматической сети, рибосом и множества других органелл, входящих в состав клетки. Образец сначала фиксируют глутаральдегидом или другими фиксирующими веществами, а затем обезвоживают и заливают пластмассой. Методы криофиксации (фиксации при очень низких – криогенных – температурах) позволяют сохранить структуру и состав без использования химических фиксирующих веществ. Кроме того, криогенные методы позволяют получать изображения замороженных биологических образцов без их обезвоживания. При помощи ультрамикротомов с лезвиями из полированного алмаза или сколотого стекла можно делать срезы тканей толщиной 30–40 нм. Смонтированные гистологические препараты могут быть окрашены соединениями тяжелых металлов (свинца, осмия, золота, вольфрама, урана) для усиления контраста отдельных компонентов или структур.

Биологические исследования были распространены на микроорганизмы, особенно на вирусы, которые не разрешаются световыми микроскопами. ПЭМ позволила выявить, например, структуры бактериофагов и расположение субъединиц в белковых оболочках вирусов. Кроме того, методами позитивного и негативного окрашивания удалось выявить структуру с субъединицами в ряде других важных биологических микроструктур. Методы усиления контраста нуклеиновых кислот позволили наблюдать одно- и двунитные ДНК. Эти длинные линейные молекулы распластывают в слой основного белка и накладывают на тонкую пленку. Затем на образец вакуумным напылением наносят очень тонкий слой тяжелого металла. Этот слой тяжелого металла «оттеняет» образец, благодаря чему последний при наблюдении в ОПЭМ или РПЭМ выглядит как бы освещенным с той стороны, с которой напылялся металл. Если же вращать образец во время напыления, то металл накапливается вокруг частиц со всех сторон равномерно (как снежный ком).

Небиологические материалы.

ПЭМ применяется в исследованиях материалов для изучения тонких кристаллов и границ между разными материалами. Чтобы получить изображение границы раздела с большим разрешением, образец заливают пластмассой, делают срез образца, перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была видна на заостренной кромке. Кристаллическая решетка сильно рассеивает электроны в определенных направлениях, давая дифракционную картину. Изображение кристаллического образца в значительной мере определяется этой картиной; контраст сильно зависит от ориентации, толщины и совершенства кристаллической решетки. Изменения контраста на изображении позволяют изучать кристаллическую решетку и ее несовершенства в масштабе атомных размеров. Получаемая при этом информация дополняет ту, которую дает рентгенографический анализ объемных образцов, так как ЭМ дает возможность непосредственно видеть во всех деталях дислокации, дефекты упаковки и границы зерен. Кроме того, в ЭМ можно снимать электронограммы и наблюдать картины дифракции от выделенных участков образца. Если диафрагму объектива настроить так, чтобы через нее проходили только один дифрагированный и нерассеянный центральный пучки, то можно получать изображение определенной системы кристаллических плоскостей, которая дает этот дифрагированный пучок. Современные приборы позволяют разрешать периоды решетки величиной 0,1 нм. Исследовать кристаллы можно также методом темнопольного изображения, при котором перекрывают центральный пучок, так что изображение формируется одним или несколькими дифрагированными пучками. Все эти методы дали важную информацию о структуре очень многих материалов и существенно прояснили физику кристаллов и их свойства. Например, анализ ПЭМ-изображений кристаллической решетки тонких малоразмерных квазикристаллов в сочетании с анализом их электронограмм позволил в 1985 открыть материалы с симметрией пятого порядка.

Высоковольтная микроскопия.

В настоящее время промышленность выпускает высоковольтные варианты ОПЭМ и РПЭМ с ускоряющим напряжением от 300 до 400 кВ. Такие микроскопы имеют более высокую проникающую способность, чем у низковольтных приборов, причем почти не уступают в этом отношении микроскопам с напряжением 1 млн. вольт, которые строились в прошлом. Современные высоковольтные микроскопы достаточно компактны и могут быть установлены в обычном лабораторном помещении. Их повышенная проникающая способность оказывается очень ценным свойством при исследовании дефектов в более толстых кристаллах, особенно таких, из которых невозможно сделать тонкие образцы. В биологии их высокая проникающая способность дает возможность исследовать целые клетки, не разрезая их. Кроме того, с помощью таких микроскопов можно получать объемные изображения толстых объектов.

Низковольтная микроскопия.

Выпускаются также РЭМ с ускоряющим напряжением, составляющим всего несколько сот вольт. Даже при столь низких напряжениях длина волны электронов меньше 0,1 нм, так что пространственное разрешение и здесь ограничивается аберрациями магнитных линз. Однако, поскольку электроны с такой низкой энергией проникают неглубоко под поверхность образца, почти все электроны, участвующие в формировании изображения, приходят из области, расположенной очень близко к поверхности, благодаря чему повышается разрешение поверхностного рельефа. С помощью низковольтных РЭМ были получены изображения на твердых поверхностях объектов размером менее 1 нм.

Радиационное повреждение.

Поскольку электроны представляют собой ионизирующее излучение, образец в ЭМ постоянно подвергается его воздействию. (В результате этого воздействия возникают вторичные электроны, используемые в РЭМ.) Следовательно, образцы всегда подвергаются радиационному повреждению. Типичная доза излучения, поглощаемая тонким образцом за время регистрации микрофотографии в ОПЭМ, примерно соответствует энергии, которой было бы достаточно для полного испарения холодной воды из пруда глубиной 4 м с площадью поверхности 1 га. Чтобы уменьшить радиационное повреждение образца, необходимо использовать различные методы его подготовки: окрашивание, заливку, замораживание. Кроме того, можно регистрировать изображение при дозах электронов, в 100–1000 раз меньших, нежели по стандартной методике, а затем улучшать его методами компьютерной обработки изображений.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

История создания электронного микроскопа – замечательный пример того, как самостоятельно развивающиеся области науки и техники могут, обмениваясь полученной информацией и объединяя усилия, создавать новый мощный инструмент научных исследований. Вершиной классической физики была теория электромагнитного поля, которая объяснила распространение света, возникновение электрических и магнитных полей, движение заряженных частиц в этих полях как распространение электромагнитных волн. Волновая оптика сделала понятными явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, определяющих разрешение, в световом микроскопе. Успехам в области теоретической и экспериментальной физики мы обязаны открытием электрона с его специфическими свойствами. Эти отдельные и, казалось бы, независимые пути развития привели к созданию основ электронной оптики, одним из важнейших приложений которой являлось изобретение ЭМ в 1930-х годах. Прямым намеком на такую возможность можно считать гипотезу о волновой природы электрона, выдвинутую в 1924 Луи де Бройлем и экспериментально подтвержденную в 1927 К.Дэвиссоном и Л.Джермером в США и Дж.Томсоном в Англии. Тем самым была подсказана аналогия, позволившая построить ЭМ по законам волновой оптики. Х.Буш обнаружил, что с помощью электрических и магнитных полей можно формировать электронные изображения. В первые два десятилетия 20 в. были созданы и необходимые технические предпосылки. Промышленные лаборатории, работавшие над электронно-лучевым осциллографом, дали вакуумную технику, стабильные источники высокого напряжения и тока, хорошие электронные эмиттеры.

В 1931 Р.Руденберг подал патентную заявку на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 М.Кнолль и Э.Руска построили первый такой микроскоп, применив магнитные линзы для фокусировки электронов. Этот прибор был предшественником современного ОПЭМ. (Руска был вознагражден за свои труды тем, что стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1986.) В 1938 Руска и Б. фон Боррис построили прототип промышленного ОПЭМ для фирмы «Сименс-Хальске» в Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь разрешения 100 нм. Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер построили первый ОПЭМ высокого разрешения в Торонтском университете (Канада).

Широкие возможности ОПЭМ почти сразу же стали очевидны. Его промышленное производство было начато одновременно фирмой «Сименс-Хальске» в Германии и корпорацией RCA в США. В конце 1940-х годов такие приборы стали выпускать и другие компании.

РЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в 1940-х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов. Круг потребителей такого довольно простого в обращении прибора с объемным изображением и электронным выходным сигналом расширился с быстротой взрыва. В настоящее время насчитывается добрый десяток промышленных изготовителей РЭМ’ов на трех континентах и десятки тысяч таких приборов, используемых в лабораториях всего мира. В 1960-х годах разрабатывались сверхвысоковольтные микроскопы для исследования более толстых образцов. Лидером этого направления разработок был Г.Дюпуи во Франции, где в 1970 был введен в действие прибор с ускоряющим напряжением, равным 3,5 млн. вольт. РТМ был изобретен Г.Биннигом и Г.Рорером в 1979 в Цюрихе. Этот весьма простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение поверхностей. За свою работу по созданию РТМ Бинниг и Рорер (одновременно с Руской) получили Нобелевскую премию по физике. См. также КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ; МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ВИРУСЫ.

Микроскоп. Важность использования в современном мире.

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Актуальность

Сейчас, совершенно невозможно представить, как бы развивались без микроскопа такие области человеческой деятельности как биология и медицина, металлургия и геология, криминалистика и петрография, иммунология и генетика, а также огромное число других.

Применение микроскопов в вышеперечисленных отраслях науки и экономики позволило сделать многие вещи, которые раньше казались просто недостижимыми: разрабатывать безопасные и эффективные медицинские препараты, создавать новые виды синтетических материалов, которые наделены удивительными свойствами, наладить производство электронной техники и высокоточных приборов, ставить верный диагноз, помогающий излечить различные заболевания.

Цель:

Изучение возможностей применения микроскопа для исследований

Задачи:

Изучить историю создания микроскопа.

Узнать какие виды микроскопов бывают.

Изучить строение микроскопа.

Узнать области применения микроскопов.

Основная часть

История создания микроскопа.

Микроскоп (от греч. — малый и  смотрю) — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, невидимых невооружённым глазом.

Увлекательное это занятие — рассматривать что-либо в микроскоп. Не хуже компьютерных игр, а может быть, даже и лучше. Но кто же придумал это чудо — микроскоп?

В голландском городе Миддельбурге жил триста пятьдесят лет назад очковый мастер. Терпеливо шлифовал он стекла, делал очки и продавал их всем, кто в этом нуждался. Было у него двое детей — два мальчика. Они очень любили забираться в мастерскую отца и играть его инструментами и стеклами, хотя это и было им запрещено.

И вот однажды, когда отец куда-то отлучился, ребята пробрались по обыкновению к его верстаку, — нет ли чего-нибудь новенького, чем можно позабавиться? На столе лежали стекла, приготовленные для очков, а в углу валялась короткая медная трубка: из нее мастер собирался вырезать кольца — оправу для очков. Ребята втиснули в концы трубки по очковому стеклу. Старший мальчик приставил к глазу трубку и посмотрел на страницу развернутой книги, которая лежала здесь же на столе. К его удивлению, буквы стали огромными. В трубку посмотрел младший и закричал, пораженный: он увидел запятую, но какую запятую — она была похожа на толстого червяка! Ребята навели трубку на стеклянную пыль, оставшуюся после шлифовки стекол. И увидели не пыль, а кучку стеклянных зернышек.

Трубка оказалась прямо волшебной: она сильно увеличивала все предметы. О своем открытии ребята рассказали отцу. Тот даже не стал бранить их: так был он удивлен необычайным свойством трубки. Он попробовал сделать другую трубку с такими же стеклами, длинную и раздвижную.

Новая трубка увеличивала еще лучше. Это и был первый микроскоп. Его случайно изобрел в 1590 году очковый мастер Захария Янсен, — вернее сказать, — его дети.

Подобные мысли о создании увеличивающего прибора приходили в голову не одному Янсену: изобретали новые приборы и голландец Ян Липерсгей (тоже «очковых» дел мастер и тоже из Миддельбурга), и Яков Метиус. В Англии появился голландец Корнелий Дреббель, который изобрел микроскоп с двумя двояковыпуклыми линзами. Когда в 1609 году распространились слухи, что в Голландии имеется некое устройство для рассматривания крошечных объектов, Галилей уже на следующий день понял общую идею конструкции и сделал микроскоп в своей лаборатории, а в 1612 году он уже наладил изготовление микроскопов. Созданное устройство никто поначалу микроскопом не называл, его именовали конспицилией. Всем знакомые слова «телескоп» и «микроскоп» впервые в 1614 году произнес грек Демисциан.

В 1697 году из Москвы за границу выехало Великое посольство, в составе которого был наш царь Петр Первый. В Голландии он услышал, что «некий голландец Левенгук», живущий в городе Делфте, делает у себя дома удивительные устройства. С их помощью он обнаружил тысячи зверюшек, более чудесных, чем самые диковинные заморские звери. И эти зверюшки «гнездятся» в воде, в воздухе и даже во рту человека. Зная любознательность царя, нетрудно догадаться, что Петр немедленно отправился в гости. Устройства, которые увидел царь, были так называемыми простыми микроскопами (это была лупа с большим увеличением). Однако Левенгуку удалось добиться увеличения в 300 раз, а это превосходило возможности лучших сложных микроскопов XVII века, имевших и объектив, и окуляр.

Долгое время секрет «блошиного стекла», как пренебрежительно называли прибор Левенгука современники-завистники, раскрыть не удавалось. Как могло получиться, что в 17 веке ученый создавал устройства, по некоторым характеристикам близкие к устройствам начала 20 века? Ведь при тогдашней технике невозможно было сделать микроскоп.

Сам Левенгук свой секрет не открыл никому. Тайну «блошиного стекла» удалось раскрыть только через 315 лет, в Новосибирском государственном медицинском институте на кафедре общей биологии и основ генетики. Секрет должен был быть очень простым, ведь Левенгук за короткий срок сумел изготовить множество экземпляров своих однолинзовых микроскопов. Может быть, он вообще не шлифовал линзы- лупы? Да, это делал за него огонь! Если взять стеклянную нить и поместить в пламя горелки, на конце нити появится шарик — он-то и служил Левенгуку линзой. Чем меньше был шарик, тем большего увеличения удавалось достичь…

Около двух часов провел в 1697 году Петр Великий у Левенгука — и все смотрел, смотрел. А уже в 1716 году, во время своей второй поездки за границу, император приобрел для Кунсткамеры первые микроскопы. Так чудесный прибор появился в России.

Микроскоп можно назвать прибором, открывающим тайны. Микроскопы в разные года выглядели по-разному, но с каждым годом становились всё сложнее, и у них стало появляться много деталей.

Вот так выглядел первый микроскоп Янсена:

Первый крупный сложный микроскоп сделал английский физик Роберт Гук в 17 веке.

Вот так выглядели микроскопы в 18 веке. В 18 веке было много путешественников. И им нужно было иметь дорожный микроскоп, который бы умещался в сумке или кармане пиджака.

В первой половине XVIII в. широкое распространение получил так называемый «ручной» или «карманный» микроскоп, сконструированный английским оптиком Дж. Вильсоном. Вот так они выглядели:

Строение и виды микроскопа

Все микроскопы состоят из следующих деталей:

Часть микроскопа	Для чего нужна
окуляр	увеличивает изображение, которое получено от объектива
объектив	обеспечивает увеличение мелкого предмета
тубус	зрительная трубка, соединяет объектив и окуляр
винт настройки	поднимает и опускает тубус, позволяет приближать и отдалять предмет исследования
предметный столик	на нём размещается предмет рассмотрения
зеркало	помогает направлять свет в отверстии на предметном столике.

В современном мире все микроскопы можно разделить:

1) Учебные микроскопы. Их называют еще школьные или детские.

2) Лабораторные микроскопы. Главной задачей лабораторного микроскопа являются проведение конкретных исследований в различных областях науки, промышленности, медицине.

    Микроскопы бывают электронные, световые и цифровые.

Электронные микроскопы.

С течением времени прибор, предназначенный для рассмотрения микроскопических объектов, становился все более совершенным. Появились такие виды микроскопов, в которых был использован совершенно иной, не зависящий от преломления света принцип работы. В процессе использования новейших типов приборов задействовали электроны. Подобные системы позволяют увидеть настолько малые отдельные части вещества, что их попросту обтекают световые лучи.

Цифровые микроскопы.

Класс приборов, не имеющих окуляров, а вместо этого использующий только сигнал с цифровой камеры для формирования изображения на экране микроскопа. Этот тип микроскопов появился сравнительно недавно, хотя первый цифровой микроскоп был создан еще в 1990 году компанией Keyence. В настоящее время цифровая микроскопия очень сильно развивается, вытесняя лабораторные микроскопы, так как имеет ряд преимуществ. Наличие большого монитора высокого разрешения позволяет проводить коллективное изучение образцов, специально сконструированные зум объективы позволяют получить максимальное качество изображения.

Световые микроскопы.

Прибор позволяет получить увеличенное изображение невидимых вооруженным глазом объектов. В общем случае микроскоп состоит из штатива, предметного столика и подвижного тубуса с окуляром и объективом. Так же прибор оснащается специальной осветительной системой..

Области применения микроскопов

Биологические микроскопы.

Так же их называют лабораторными, медицинскими микроскопами проходящего света и плоского поля. Их предназначение – изучение прозрачных и полупрозрачных объектов. Такие микроскопы особенно широко применяются в различных областях биологии и медицины, а также – в археологии, микроэлектронике, пищевой промышленности, геологии и т.д.

Криминалистические микроскопы.

Предназначены для одновременного анализа двух объектов. Подобные экспертизы позволяют выявить идентичность таких предметов, как волосы, гильзы, волокна, нитки и пр.

Поляризационные микроскопы.

Относятся к наиболее сложным типам оборудования и используются для исследования материалов, обладающих нестандартными свойствами. Такие микроскопы широко применяются в минералогии, кристаллографии, а так же при проведении микробиологических исследований.

Инвертированные микроскопы.

Отличаются тем, что их объективы находятся под исследуемым предметом. Это позволяет работать с большими по своему объему объектами. Подобные приборы используются при различных научных и лабораторных исследованиях в машиностроении, микроэлектронике т.д.

Кольпоскопы.

Приборы, предназначенные для исследования и диагностики заболеваний в гинекологии и акушерстве, для проведения операций, обучения и документирования.

Стереомикроскопы.

Используются для исследования живых организмов или препарирования – в биологии, изучения образцов горных пород – в минералогии, выполнения различных технологических операций – в полупроводниковой промышленности, а также в других областях науки и техники.

Заключение

Микроскоп нашел применение в качестве незаменимого инструмента, используемого для изучения микромира. Современные микроскопы используются в медицинских и исследовательских целях, в промышленности и учебе.

Активное развитие современной науки, техники и технологий позволило усовершенствовать микроскоп. Применение микроскопа предоставило новые возможности для изучения окружающего мира и использованию полученных знаний.

Существует специальная наука – микроскопия, занимающаяся усовершенствованием уже имеющихся микроскопов, а также разработкой новых для их производства. Ранее верхом научной мысли считались оптические микроскопы, а сейчас появились электронные и цифровые. Большим достоинством цифровых микроскопов является их способность не только значительно увеличивать изображение различных объектов, но и сохранять фотографии и видео на компьютере для дальнейшего применения.

Использование микроскопа в школьной или домашней лаборатории помогает приобщить детей к исследованиям, целью которых является активное познание окружающего мира.

Список литературы и источники

1. Открытия и изобретения: Детская энциклопедия / ред. Ф. Симон [и др.]. — Москва : Махаон, 2008. ISBN 978-5-389-00168-8

2. Долгорукова, С.В. 2012, МИКРОСКОП – ПРИБОР ОТКРЫВАЮЩИЙ НЕВИДИМОЕ — URL: http://mirbiologii.ru/mikroskop-pribor-otkryvayushhij-nevidimoe.html (дата обращения: 21.11.2018)

3. Статьи о микроскопах — URL: http://altami.ru/articles/ (дата обращения: 21.11.2018)

4. Микромир — URL: http://microworld.ucoz.net (дата обращения 20.10.2018)

5. Микроскоп — URL: https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF (дата обращения 30.10.2018)

6. Что такое микроскоп? — URL: https://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=6452b019-7304-438b-8e46-5c7a6dd955e7 (дата обращения 20.10.2018)

7. Какие были первые микроскопы? — URL: https://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=90afb317-9c15-40a1-9610-15280cfc34ce (дата обращения 20.10.2018)

8. В каком году появился микроскоп? — URL: https://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=93e176f7-0420-4ada-b963-7b3d8ef34b8f (дата обращения 20.10.2018)

9. Когда и кто изобрел туннельный микроскоп? — URL: https://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=18ae0897-a629-4c1c-9238-5d60e2bb0343 (дата обращения 20.10.2018)

10. Когда и кто создал атомно-силовой микроскоп? — URL: https://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=a92cc92f-2143-4e31-8094-05a12bca7023 (дата обращения 20.10.2018)

11. Что такое разрешающая способность микроскопа? — URL: https://www.genon.ru/GetAnswer.aspx?qid=c75a5871-ebaa-4409-80df-1b4680ff3aad (дата обращения 20.10.2018)

Просмотров работы: 6047