Ультрамикроскоп

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Кафедра медицинской и биологической физики

РЕФЕРАТ

По дисциплине "Физика, математика"

Тема: "Современный оптический прибор ультрамикроскоп"

Достовалова Л.С.

2019 год

Содержание

Введение. Актуальность темы

Понятие ультрамикроскопии. Суть метода

Условия для ультрамикроскопических наблюдений

Устройство щелевого ультрамикроскопа

Недостатки ультрамикроскопического метода

Поточный ультрамикроскоп

Современный ультрамикроскоп - сканирующий 3D микроскоп

Применение ультрамикроскопа в медицине.Пример

Заключение

Литература

Введение .Актуальность темы.

Современные методы исследования тканей и клеток используют достижения физики, химии, биохимии, молекулярной биологии, генной инженерии. Это стало возможным в связи с созданием новых приборов и технологий - различных типов микроскопов, компьютерной техники, рентгеноструктурного анализа, авторадиографии, электрофореза и хроматографии, разделение и культивирование клеток, получение гибридов и гибридом и др. ультрамикроскопия медицинский щелевой

В настоящее время оптические методы являются, наиболее распространенными методами определения размера, формы и структуры коллоидных частиц. Это объясняется не только быстротой и удобством этих методов, но и точностью получаемых результатов. Грубые дисперсные системы (суспензии, эмульсии, пены, пыли) обычно исследуют с помощью светового микроскопа. К наиболее часто применяющимся методам исследования высокодисперсных коллоидных систем относятся ультрамикроскопия, электронная микроскопия, нефелометрия и турбидиметрия.

Ультрамикроскопия используется для обнаружения частиц столь малых размеров (до 2 нм), что их нельзя наблюдать в обычные микроскопы.

Ультрамикроскоп применяют при исследованиях дисперсных систем, для контроля чистоты воздуха, воды, степени загрязнения оптически прозрачных сред посторонними включениями,при исследовании крови, лимфы, вакцин,для контроля чистоты инъекционных растворов. С его помощью нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц, так как ультрамикроскоп не дает оптических изображений объектов. Однако можно установить наличие и концентрацию частиц, изучать их движение, а также рассчитывать средний размер частиц, если известна их массовая концентрация и плотность.

Понятие ультрамикроскопии . Суть метода.

Ультрамикроскопия - метод исследования, основанный на регистрации рассеяния света на единичных коллоидных частицах. Этот метод имел большое значение в развитии коллоидной химии, в особенности для изучения процессов диффузии и броуновского движения. Он основан на использовании оптических систем с тёмным полем, в которых исследуемый коллоидный раствор освещается ярким пучком света сбоку, так, чтобы в объектив попадал только свет, рассеянный частицами.

Ультрамикроскоп позволяет констатировать присутствие коллоидных частиц, подсчитывать и наблюдать их движение. Принцип, на котором основан ультрамикроскоп, заключается в том, что на коллоидную систему сбоку направляют сильный луч света и с помощью обычного микроскопа наблюдают свет, рассеянный отдельными частицами. По существу, принцип ультрамикроскопа сводятся к наблюдению под микроскопом конуса Тиндаля. Из-за чрезвычайно малых размеров каждая частица рассеивает очень малое количество света. Поэтому в ультрамикроскопии применяются очень сильные источники света. Для того чтобы свет, рассеянный разными частицами, не сливался, следует подвергать изучению очень разбавленные коллоидные растворы. Так, с помощью поточного ультрамикроскопа определяют концентрацию золей в пределах от 1 до 107 частиц в 1 см3. В зависимости от интенсивности освещения, длины световой волны, разности коэффициентов преломления частиц и среды, обнаруживаемые частицы имеют размеры от 2ґ10-9 до 50ґ10-9 м. По дифракционным пятнам нельзя определить истинные размеры, форму и структуру частиц, так как ультрамикроскоп не даёт оптических изображений объектов. Однако, используя его, можно установить наличие и концентрацию частиц, изучить их движение, а также рассчитать средний размер, если известна плотность .

Условия для ультрамикроскопических наблюдений

При ультра микроскопических наблюдениях необходимо соблюдать следующие условия.

1. Золь должен быть достаточно разбавленным, чтобы расстояние между частицами было больше разрешающей способности микроскопа. В противном случае, отдельные точки будут сливаться друг с другом и наблюдение за ними будет затруднено.

2. Частицы не должны быть слишком малы или слишком велики. В первом случав их можно не увидеть из-за незначительной интенсивности рассеиваемого ими света. Во втором -- дифракционные кольца, образующиеся вокруг больших частиц, будут мешать наблюдению.

3. Коэффициент преломления дисперсной фазы должен достаточно сильно отличаться от коэффициента преломления дисперсионной среды, иначе светорассеяние незначительно и частицы будут мало заметными.

Устройство щелевого ультрамикроскопа

Первый щелевой ультрамикроскоп разработан и реализован P. Зигмонди и Г. Зидентопфом

Рихард Зигмонди -- лауреат Нобелевской премии по химии (1925 г.)«за установление гетерогенной природы коллоидных растворов и за разработанные в этой связи методы, имеющие фундаментальное значение в современной коллоидной химии»

Исследования Зигмонди были посвящены установлению природы коллоидных систем; в конце XIX -- начале XX в. не было визуальных доказательств существования коллоидных частиц. Для того чтобы увидеть частицы коллоидного раствора, он вместе с физиком Г. Ф. В. Зидентопфом, работавшим на цейсовских оптических заводах в Йене, сконструировал ультрамикроскоп, который позволил увидеть частицы нанометровых размеров.

Схема щелевого микроскопа представлена на (Рис.1). В нем исследуемая система неподвижна. Содержащая изучаемое вещество кювета освещается (с помощью системы источник света - конденсор или линза -осветительный объектив) через прямоугольную щель, изображение которой проецируется в зону наблюдения. В окуляр наблюдателю микроскопа видны светящиеся точки, находящиеся в плоскости изображения щели. Выше и ниже освещенной зоны присутствие частиц не обнаруживается.

Рис. 1. Схема щелевого ультрамикроскопа: 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - оптич. щель; 4 - осветит, объектив; 5 - кювета; 6 - наблюдат. микроскоп.

Различие в устройстве так называемого щелевого ультрамикроскопа от обычного микроскопа: в обычной микроскопе наблюдение ведется в проходящем свете, частицы при этом кажутся темными, так как поглощают свет, а само поле представляется светлым. При наблюдении в ультрамикроскоп, наоборот, поле зрения темное, так как лучи от источника света не попадают в глаз наблюдателя, а коллоидные частицы, представляются светлыми из-за их способности рассеивать свет. При этом, поскольку размер коллоидных частиц обычно меньше половины длины волны света, они воспринимаются визуально в виде светящихся точек. Частицы свободнодисперсных систем, способные совершать броуновское движение, наблюдаются как точки, всегда находящиеся в более или менее оживленном движении.

В основе ультрамикроскопии лежит дифракция света на коллоидных частицах, размер которых меньше половины длины световой волны, в результате чего система начинает светиться. Частицы можно наблюдать в ультрамикроскоп как яркие дифракционные пятна, изучать их природу, оценивать концентрацию, однако изображений частиц микроскоп не создает. Яркость свечения, а следовательно, и видимость частиц зависят от разности показателей преломления частицы и дисперсионной среды. Если она велика (напр., взвесь металлич. частиц в воде), то отчетливо фиксируются частицы размерами 2-4 нм (т. е. значительно меньше предела разрешения обычных микроскопов). Если эта разность мала (взвесь орг. частиц в воде), то обнаруживаются только частицы размерами не менее 20-40 нм

Пользуясь некоторыми косвенными приемами, с помощью ультрамикроскопа можно определить и размеры частиц, правда, несколько приблизительно, но все же с достаточной точностью. Для этого нужно сосчитать число частиц, видимых в поле зрения ультрамикроскопа. Необходимым условием является малая концентрация золя и достаточно яркое свечение каждой отдельной частицы: так как m1 = (4/3)pr3r - масса одной частицы, а Vc = M - масса всех частиц, то

,

где с -массовая концентрация золя; V - объем золя; Vс - масса дисперсной фазы; n- число частиц, которое подсчитывают в объеме золя с помощью ультрамикроскопа.

Недостатки ультрамикроскопического метода

Недостатком определения размера частиц с помощью ультрамикроскопа является то, что найденное значение отвечает среднему размеру частиц. Кроме того, такое определение очень утомительно (чтобы полученные результаты были достаточно достоверными, приходится брать среднее из сотен и даже тысяч отдельных определений).

Описание метода ультрамикроскопии может создать впечатление о его простоте. Однако только опытные исследователи могут получать с его помощью удовлетворительные результаты, что связано с большими трудностями определения параметров, входящих в расчётные формулы. В особенности это относится к определению количества частиц, содержащихся пусть даже в очень небольшом объёме. Дело в том, что световые пятна, рассеиваемые коллоидными частицами, очень слабы и плохо видны даже на абсолютно чёрном фоне, а сами частицы находятся в непрерывном броуновском движении, что часто приводит к наложению световых пятен друг на друга

Поточный ультрамикроскоп

В 1950-х гг. Б. В. Дерягин и Г. Я. Власенко разработали поточный ультрамикроскоп, в котором поток жидкого золя или аэрозоля движется по стеклянной трубке навстречу наблюдателю. Пересекая зону освещения, формируемую сильным источником света со щелевой диафрагмой, частицы дают яркие вспышки, регистрируемые визуально или с помощью фотометрической аппаратуры. Расположенный на пути светового луча фотометрический клин позволяет устанавливать нижний предел размеров регистрируемых частиц. Определяемые концентрации частиц в коллоидной системе достигают 1010 частиц в 1 см.

В современных поточных ультрамикроскопах (рис. 2) источниками света служат лазеры, а счет частиц производится фотоэлектронными умножителями, соединенными с мини-ЭВМ. Такие приборы позволяют исследовать коллоидные системы количественно с большой точностью, например строить диаграммы распределения микрочастиц по размерам, а также используются в гидродинамических исследованиях (для наблюдения характера движения жидкости или газа в сложных трубопроводных системах). В этих случаях микрочастицы стандартного размера (иногда флуоресцирующие) специально вносят в струю жидкости либо газа, отслеживают их траектории, измеряют скорости движения на различных участках, после чего компьютеры обрабатывают результаты и строят математическую модель гидродинамической системы.

Рис. 2. Схема поточного ультрамикроскопа-анализатора: 1 - лазерный осветитель; 2 - конденсор; 3 - коллиматор; 4 - объектив; 5 - проточная кювета; 6 -наблюдат. микроскоп; 7 - световод; 8 - фотоэлектронный умножитель; 9 -усилитель-формирователь импульсов; 10 - компьютерный анализатор; 11 -графич. дисплей; 12 - печатающее устройство; 13 - графопостроитель.

Современный ультрамикроскоп - сканирующий 3D микроскоп

Ультрамикроскоп фирмы LaVision BioTec выполняет сканирование биологических объектов тонкой плоскостью света, возбуждая флуоресценцию в тонком срезе объекта, с одновременной регистрацией изображения по оси, перпендикулярной плоскости освещения. Смещение объекта через световую плоскость позволяет получить серию (стек) снимков и реконструировать трехмерную структуру объекта. Таким образом ультрамикроскоп комбинирует 3D-реконструкцию со скоростной широкопольной микроскопией.

Особенности системы

· 3D-реконструкция объектов с макро до микромасштаба

· Планарное, а не точечное освещение значительно ускоряет процесс сканирования

· Большое рабочее расстояние объектива (до 5.5 мм)

· Различное увеличение от 1.26x до 12.6x

· Меньшее выгорание флуоресцентных красителей, по сравнению с флуоресцентными микроскопами

· Широкий выбор лазерных источников света в видимом диапазоне

· Видеокамера по технологии CMOS

· Двустороннее планарное освешение позволяет осуществлять согласованное сканирование

· Единственный 3D-микроскоп для макрообъектов.

· Очень высокая скорость сканирования.

Лазерные источники света

· До 5 светодиодных лазера в одном лазерном модуле (5 длин волн)

· Белый лазер для гибкого выбора волнового диапазона освещения

Фото 1. Ультрамикроскоп.сканирующий 3D макроскоп

Применение ультрамикроскопа в медицине. Пример

Ультрамикроскоп применяется для диагностики болезни Альцгеймера. Австрия.

При болезни Альцгеймера образуются сенильные диски - это отложения, склеенных между собой протеинов, которые препятствуют проведению импульса по нервным клеткам.

В техническом университете Вены с помощью специального ультрамикроскопа проводится послойное исследование ткани головного мозга мышей, страдающих этой болезнью. Под микроскопом исследуются тонкие срезы мозговой ткани с единичными участками, пораженными болезнью Альцгеймера. После этого определяется соотношение между пораженной и здоровой тканью головного мозга, что является трудоемким и дорогим методом исследования. Затем исследуемые образцы ткани мозга послойно просвечиваются лазером, с помощью специальных химических веществ сенильные диски в пораженной ткани мозга становятся флюоресцентными. Образцы ткани просвечиваются лазером, под этими участками ткань мозга также просматривается под ультрамикроскопом. При этом здоровые участки мозговой ткани остаются темными. Таким образом, вместо двухмерной модели послойного анализа мозговой ткани используется трехмерная компьютерная модель всех сенильных дисков в опытах на мышах.

Разработкой специальных линз и тонкой лазерной ленты для ультрамикроскопа занимается профессор технического университета Вены, доктор Клаус Беккер, в тесном сотрудничестве с медицинским университетом Вены и университетской клиникой неврологии города Тюбингер, чтобы в дальнейшем наряду с гистологическими исследованиями ткани головного мозга применять флуоресценцию образцов мозговой ткани с использованием смолы.

Заключение

Ультрамикроскоп позволяет констатировать присутствие коллоидных частиц, подсчитывать и наблюдать их движение. Принцип, на котором основан ультрамикроскоп, заключается в том, что на коллоидную систему сбоку направляют сильный луч света и с помощью обычного микроскопа наблюдают свет, рассеянный отдельными частицами. По существу, принцип ультрамикроскопа сводятся к наблюдению под микроскопом конуса Тиндаля.

С помощью ультрамикроскопа нельзя увидеть коллоидные частицы, можно только констатировать их присутствие по рассеянному свету. Таким образом, ультрамикроскоп служит не для того, чтобы рассматривать форму и размер отдельных частиц, а для того, чтобы иметь возможность доказать их присутствие и наблюдать их движение в системах настолько высокодисперсных, что обыкновенный микроскоп не обнаруживает даже признаков оптической неоднородности.

Современный ультрамикроскоп с фотоумножителем позволяет автоматизировать определение среднего размера частиц и даже проводить расчет распределения частиц по размерам. Прибор разделяет частицы по яркости свечения, подсчитывает импульсы света различной яркости и обрабатывает полученные результаты, выдавая их в виде кривых распределения.

Литература

1. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ; Учеб. пособие. -- М.: Высш. школа, 1981. -- 335 с., ил.

2. РУКОВОДСТВО по МИКРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДАМ АНАЛИЗА. Учебное пособие.Издательство Ленинградского университетета ,1981 г.

3. Коузов П. А., Основы анализа дисперсного состава промышленных пылен и измельченных материалов, 3 изд., Л., 1987.

4. Г.Шрёдер,Т.Трайбер,Техническая оптика.-М.:Техносфера,2006.-424с.

5. Волков В.А. Коллоидная химия Изд.Лань, 2015 г.-672 с.

6. http://www.biotechnologies.ru/catalog/ultramicroscope.html

7. https://abctpia-gid.com/meditsina/ultramikroskop-primenyaetsya-dlya-diagnostiki-bolezni-altsgejmera-avstriya

Размещено на Allbest.ru