Современные микроскопы

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

Кафедра общей и прикладной физики

Реферат

По дисциплине «Основы оптики»

Тема: Современные микроскопы

Студент РЭ2-171-ОБ группы Кузьмина А.О.

Руководитель,

Доцент Лисицинын В.И.

Воронеж 2018

Введение

Микроскопические методы исследования - способы изучения различных объектов с помощью микроскопа. В биологии и медицине эти методы позволяют изучать строение микроскопических объектов, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза человека. Основу микроскопических методов исследования (М.м.и.) составляет световая и электронная микроскопия. В практической и научной деятельности врачи различных специальностей - вирусологи, микробиологи, цитологи, морфологи, гематологи и др. помимо обычной световой микроскопии используют фазово-контрастную, интерференционную, люминесцентную, поляризационную, стереоскопическую, ультрафиолетовую, инфракрасную микроскопию. В основе этих методов лежат различные свойства света. При электронной микроскопии изображение объектов исследования возникает за счет направленного потока электронов.

1.Принцип работы и характеристики

Все современные микроскопы имеют многозарядные фотокассеты, позволяющие производить не меньше 12 снимков без нарушения вакуума. ?

В хороших современных микроскопах апертурное число достигает 1 6, так что граница разрешения примерно равна Х / 3 и составляет около 2000 А для белого света и 800 А для наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения, которое еще можно использовать в микроскопе, фотографируя изображение.

В объективах числовая апертура достигает значительных величин. ?

Максимальное увеличение достигает 4000 - 4500 раз, тогда как полезное увеличение почти в 3 раза меньше. ?

Во всех современных микроскопах принято соотношение, при котором перемещению тубуса или столика на 0 1 мм соответствует полный оборот рукоятки микромеханизма. Это означает, что кинематическая чувствительность микромеханизма, равная 0 3 мкм / град, обеспечивает необходимую точность фокусировки при использовании самых высокоапертурных объективов. ?

В оптических системах микроскопов кроме окуляров и объективов часто установлены другие оптические детали: линзы, смещающие изображения и увеличивающие его масштаб, проекционные системы, фотоокуляры микрофотонасадок и др. - При определении общего увеличения таких микроскопов в формулу ( 2: 1) вводят соответствующие коррективы. ?

Линейное увеличение объективов доходит до 90 - 100 крат. ?

Источником света в современных микроскопах чаще всего служат специальные осветители, состоящие из лампы накаливания / и линзы-коллектора 2; иногда зеркалом направляют на объект обычный дневной свет. Для ограничения светового пучка и уменьшения рассеянного света в системе предусмотрены полевая 3 и апертурная 5 диафрагмы. ?

Кроме указанных линз в современные микроскопы вводят также стигматоры, представляющие собой слабые цилиндрические магнитные или электростатические линзы, оптической силой и ориентацией которых можно управлять. Назначением их является подавление одного из видов осевой аберрации - приосевого астигматизма, обусловленного отступлением линз от вращательной симметрии из-за неоднородности магнитных материалов и различных загрязнений, появляющихся в микроскопе. Стигматоры располагают в объективной линзе и в слабой линзе двойного конденсора для получения круглой формы сечения пучка на объекте. ?

Такой разрешающей способностью действительно обладают лучшие современные микроскопы, однако это достигается только при устранении влияния астигматизма и предупреждении влияния хроматических аберраций.

2.Виды микроскопов

Световая микроскопия

Для световой микроскопии и основанных на ней других М.м.и. определяющее значение помимо разрешающей способности микроскопа имеет характер и направленность светового луча, а также особенности изучаемого объекта, который может быть прозрачным и непрозрачным. В зависимости от свойств объекта изменяются физические свойства света - его цвет и яркость, связанные с длиной и амплитудой волны, фаза, плоскость и направление распространения волны. На использовании этих свойств света и строятся различные М. м. и. Для световой микроскопии биологические объекты обычно окрашивают с целью выявления тех или иных их свойств . При этом ткани должны быть фиксированы, т. к. окраска выявляет определенные структуры только убитых клеток. В живой клетке краситель обособляется в цитоплазме в виде вакуоли и не прокрашивает ее структуры. Однако в световом микроскопе можно изучать и живые биологические объекты с помощью метода витальной микроскопии. В этом случае применяют темнопольный конденсор, который встраивают в микроскоп.

Микропрепарат миокарда при внезапной смерти от острой коронарной недостаточности: окраска по Ли позволяет выявить контрактурные пересокращения миофибрилл (участки красного цвета); Ч250.

Фазово-контрастная микроскопия

Для исследования живых и неокрашенных биологических объектов используют также фазово-контрастную микроскопию. Она основана на дифракции луча света в зависимости от особенностей объекта излучения. При этом изменяется длина и фаза световой волны. Объектив специального фазово-контрастного микроскопа содержит полупрозрачную фазовую пластинку. Живые микроскопические объекты или фиксированные, но не окрашенные, микроорганизмы и клетки из-за их прозрачности практически не изменяют амплитуду и цвет проходящего через них светового луча,

вызывая лишь сдвиг фазы его волны. Однако, пройдя через изучаемый объект, лучи света отклоняются от полупрозрачной фазовой пластинки. В результате между лучами, прошедшими через объект, и лучами светового фона возникает разность длины волны. Если эта разность составляет не менее 1/4 длины волны, то появляется зрительный эффект, при котором темный объект отчетливо виден на светлом фоне или наоборот в зависимости от особенностей фазовой пластинки.

Разновидностью фазово-контрастной микроскопии является амплитудно-контрастная, или аноптральная, микроскопия, при которой применяют объектив со специальными пластинками, изменяющими только яркость и цвет фонового света. В результате расширяются возможности исследования живых неокрашенных объектов. Фазово-контрастная микроскопия находит применение в микробиологии и паразитологии при исследовании микроорганизмов, простейших, клеток растений и животных; в гематологии для подсчета и определения дифференцировки клеток костного мозга и крови; а также при изучении клеток культуры тканей и т. п.

Интерференционная микроскопия

Интерференционная микроскопия решает те же задачи, что и фазово-контрастная. Но если последняя позволяет наблюдать лишь контуры объектов исследования, то с помощью интерференционной микроскопии можно изучать детали прозрачного объекта и проводить их количественный анализ. Это достигается благодаря раздвоению луча света в микроскопе: один из лучей проходит через частицу наблюдаемого объекта, а другой мимо нее. В окуляре микроскопа оба луча соединяются и интерферируют между собой. Возникающую разность фаз можно измерить, определив т. о. массу различных клеточных структур. Последовательное измерение разности фаз света с известными показателями преломления дает возможность определять толщину живых объектов и нефиксированных тканей, концентрацию в них

воды и сухого вещества, содержание белков и т. д. На основании данных

интерференционной микроскопии можно косвенно судить о проницаемости мембран, активности ферментов, клеточном метаболизме объектов исследования.

Поляризационная микроскопия

Поляризационная микроскопия позволяет изучать объекты исследования в свете, образованном двумя лучами, поляризованными во взаимноперпендикулярных плоскостях, т. е. в поляризованном свете. Для этого используют пленчатые поляроиды или призмы Николя, которые помещают в микроскопе между источником света и препаратом. Поляризация меняется при прохождении (или отражении) лучей света через различные структурные компоненты клеток и тканей, свойства которых неоднородны. В так называемых изотропных структурах скорость распространения поляризованного света не зависит от плоскости поляризации, в анизотропных структурах скорость его распространения меняется в зависимости от направления света по продольной или ванном свете в норме.

Микропрепарат миокарда в поляризо поперечной оси объекта.

Если показатель преломления света вдоль структуры больше, чем в поперечном направлении, возникает положительное двойное лучепреломление, при обратных взаимоотношениях - отрицательное двойное лучепреломление. Многие биологические объекты имеют строгую молекулярную ориентацию, являются анизотропными и обладают положительным двойным преломлением света. Такими свойствами обладают миофибриллы, реснички мерцательного эпителия, нейрофибриллы, коллагеновые волокна и др. Сопоставление характера преломления лучей поляризованного света и величины анизотропии объекта позволяет судить о молекулярной организации его структуры. Поляризационная микроскопия является одним из гистологических методов исследования, способом микробиологической диагностики, находит применение в цитологических исследованиях и др. При этом в поляризованном свете можно исследовать как окрашенные, так и неокрашенные и нефиксированные, так называемые нативные препараты срезов тканей.

Микропрепарат миокарда в поляризованном свете при внезапной смерти от острой коронарной недостаточности -- выявляются участки, в которых отсутствует характерная поперечная исчерченность кардиомиоцитов; Ч400.

Люминесцентная микроскопия

Широкое распространение имеет люминесцентная микроскопия. Она основана на свойстве некоторых веществ давать свечение - люминесценцию в УФ-лучах или в сине-фиолетовой части спектра. Многие биологические вещества, такие как простые белки, коферменты, некоторые витамины и лекарственные средства, обладают собственной (первичной) люминесценцией. Другие вещества начинают светиться только при добавлении к ним специальных красителей -- флюорохромов (вторичная люминесценция). Флюорохромы могут распределяться в клетке диффузно либо избирательно окрашивают отдельные клеточные структуры или определенные химические соединения биологического объекта. На этом основано использование люминесцентной микроскопии при цитологических и гистохимических исследованиях. С помощью иммуно-флюоресценции в люминесцентном микроскопе выявляют вирусные антигены и их концентрацию в клетках, идентифицируют вирусы, определяют антигены и антитела, гормоны, различные продукты метаболизма и т. д. В связи с этим люминесцентную микроскопию применяют в лабораторной диагностике таких инфекций, как герпес, эпидемический паротит, вирусный гепатит, грипп и др., используют в экспресс диагностике респираторных вирусных инфекций, исследуя отпечатки со слизистой оболочки носа больных, и при дифференциальной диагностике различных инфекций. В патоморфологии с помощью люминесцентной микроскопии распознают злокачественные

опухоли в гистологических и цитологических препаратах, определяют участки ишемии мышцы сердца при ранних сроках инфаркта миокарда, выявляют амилоид в биоптатах тканей.

2.Ультрафиолетовая микроскопия

Ультрафиолетовая микроскопия основана на способности некоторых веществ, входящих в состав живых клеток, микроорганизмов или фиксированных, но не окрашенных, прозрачных в видимом свете тканей, поглощать УФ-излучение с определенной длиной волн (400- 250 нм). Этим свойством обладают высокомолекулярные соединения, такие как нуклеиновые кислоты, белки, ароматические кислоты (тирозин, триптофан, метилаланин), пуриновые и пирамидиновые основания и др. С помощью ультрафиолетовой микроскопии уточняют локализацию и количество указанных веществ, а в случае исследования живых объектов - их изменения в процессе жизнедеятельности.

Инфракрасная микроскопия

Инфракрасная микроскопия позволяет исследовать непрозрачные для видимого света и УФ-излучения объекты путем поглощения их структурами света с длиной волны 750--1200 нм. Для инфракрасной микроскопии не требуется предварительной хим. обработки препаратов. Этот вид М. м. и. наиболее часто используют в зоологии, антропологии, других отраслях биологии. В медицине инфракрасную микроскопию применяют в основном в нейроморфологии и офтальмологии.

Стереоскопическая микроскопия

Для исследования объемных объектов используют стереоскопическую микроскопию. Конструкция стереоскопических микроскопов позволяет видеть объект исследования правым и левым глазом под разными углами. Исследуют непрозрачные объекты при относительно небольшом увеличении (до 120 раз). Стереоскопическая микроскопия находит применение в

микрохирургии, в патоморфологии при специальном изучении биопсийного, операционного и секционного материала, в судебно-медицинских лабораторных исследованиях.

Электронная микроскопия

Для изучения на субклеточном и макромолекулярном уровнях структуры клеток, тканей микроорганизмов и вирусов используют электронную микроскопию. Этот М. м. и. позволил перейти на качественно новый уровень изучения материи. Он нашел широкое применение в морфологии, микробиологии, вирусологии, биохимии, онкологии, генетике, иммунологии. Резкое повышение разрешающей способности электронного микроскопа обеспечивается потоком электронов, проходящих в вакууме через электромагнитные поля, создаваемые электромагнитными линзами. Электроны могут проходить через структуры исследуемого объекта (трансмиссионная электронная микроскопия) или отражаться от них (сканирующая электронная микроскопия), отклоняясь под разными углами, в результате чего возникает изображение на люминесцентном экране микроскопа. При трансмиссионной (просвечивающей) электронной микроскопии получают плоскостное изображение структур, при сканирующей - объемное. Сочетание электронной микроскопии с другими методами, например, с радиоавтографией, гистохимическими, иммунологическими методами исследования, позволяет проводить электронно-радиоавтографические, электронно-гистохимические, электронно-иммунологические исследования.

Электронограмма кардиомиоцита, полученная при трансмиссионной (просвечивающей) электронной микроскопии: отчетливо видны субклеточные структуры; Ч22000.

Электронная микроскопия требует специальной подготовки объектов исследования, в частности химической или физической фиксации тканей и микроорганизмов. Биопсийный материал и секционный материал после

фиксации обезвоживают, заливают в эпоксидные смолы, режут стеклянными или алмазными ножами на специальных ультратомах, позволяющих получать ультратонкие срезы тканей толщиной 30--50 нм. Их контрастируют и затем изучают в электронном микроскопе. В сканирующем (растровом) электронном микроскопе изучают поверхность различных объектов, напыляя на них в вакуумной камере электронно-плотные вещества, и исследуют так наз. реплики, повторяющие контуры образца.

3.Некоторые виды современных микроскопов

Фазово-контрастный микроскоп (аноптральный микроскоп) служит для исследования прозрачных объектов, которые не видны на светлом поле и не подлежат окрашиванию из-за возникновения аномалий в исследуемых образцах.

Интерференционный микроскоп дает возможность исследовать объекты с низкими показателями преломления света и чрезвычайно малой толщины.

Ультрафиолетовый и инфракрасный микроскопы предназначены для исследования объектов в ультрафиолетовом или инфракрасном участке светового спектра. Они снабжены флюоресцентными экраном, на котором формируется изображение исследуемого препарата, фотокамерой с чувствительным к этим излучениям фотоматериалом или электронно-оптическим преобразователем для формирования изображения на экране осциллоскопа. Длина волны ультрафиолетовой части спектра составляет 400--250 нм, поэтому в ультрафиолетовом микроскопе можно получить более высокое разрешение, чем в световом, где освещение осуществляется видимым световым излучением с длиной волны 700--400 нм. Преимуществом этого М. является также то, что невидимые в обычном световом микроскопе объекты становятся видимыми, поскольку поглощают УФ-излучение. В инфракрасном микроскопе наблюдение объектов ведется на экране электронно-оптического преобразователя или фотографируется. С помощью инфракрасной микроскопии изучают внутреннюю структуру непрозрачных объектов. микроскоп люминесцентный контрастный

Поляризационный микроскоп позволяет выявлять неоднородности (анизотропию) структуры при изучении строения тканей и образований в организме в поляризованном свете. Освещение препарата в поляризационном микроскопе осуществляется через поляризатор-пластинку, которая обеспечивает прохождение света в определенной плоскости распространения волн. Когда поляризов13

изменяется, то структуры резко контрастируют, что широко используют в медико-биологических исследованиях при изучении препаратов крови, гистологических препаратов, шлифов зубов, костей и т. д.

Люминесцентный микроскоп (МЛ-2, МЛ-3) предназначен для исследования люминесцирующих объектов, что достигается при освещении последних с помощью УФ-излучения. Наблюдая или фотографируя препараты в свете их видимой возбужденной флюоресценции (т. е. в отраженном свете), можно судить о структуре исследуемого образца, что используется в гистохимии, гистологии, микробиологии и при иммунологических исследованиях. Прямое окрашивание люминесцентными красителями позволяет более четко выявлять такие структуры клеток, которые трудно рассмотреть в световом микроскопе.

Рентгеновский микроскоп используется для исследования объектов в рентгеновском излучении, поэтому такие микроскопов снабжены микрофокусным рентгеновским источником излучения, преобразователем рентгеновского изображения в видимое -- электронно-оптическим преобразователем, формирующим видимое изображение на осциллографической трубке или на фотопленке. Рентгеновские микроскопы имеют линейное разрешение до 0,1 мкм, что позволяет исследовать тонкие структуры живого вещества.

Электронный микроскоп предназначен для исследования сверхтонких структур, неразличимых в световых микроскопах. В отличие от светового, в электронном микроскопе разрешение определяется не только явлениями дифракции, но и различными аберрациями электронных линз, которые практически невозможно корригировать. Наводка микроскопа, в основном, производится диафрагмированием за счет применения малых апертур электронных пучков.

Заключение

Будут совершенствоваться микроскопические исследования процессов в динамике, т.е. происходящих непосредственно в микроскопе или в сочлененных с ним установках. К таким процессам относятся испытания образцов в микроскопе (нагрев, растяжение и т.д.) непосредственно во время анализа их микроструктуры. Здесь успех будет обусловлен, в первую очередь, развитием техники высокоскоростной фотографии и повышением временного разрешения детекторов (экранов) микроскопов, а также использованием мощных современных компьютеров.

Размещено на Allbest.ru