Роль и история изобретения микроскопа

Разрешающая способность


Основная статья: Разрешение (оптика)

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

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

Виды рентгеновских микроскопов[править | править код]

  • Рентгеновские микроскопы отражательные
  • Рентгеновские микроскопы проекционные
  • Рентгеновские микроскопы флюоресцентные с применением планарных преломляющих, фокусирующх Х-лучи линз.

Рентгеновские микроскопы отражательныеправить | править код

Схема работы рентгеновской зеркальной оптической системы рентгеновского отражательного микроскопа

Также применение для фокусировки рентгеновского излучения изогнутых монокристаллов помимо геометрических искажений на качество изображения сказываются структурные несовершенства монокристаллов. Рентгеновские микроскопы отражательные в силу этого, а также из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации не получили широкого распространения.

Рентгеновские микроскопы проекционныеправить | править код

Схема Рентгеновского микроскопа проекционного

Файл:Proekzionnay rengenoscopiy.gif

Дифракционная френелевская бахрома

‎ Рентгеновская проекционная микроскопия основана на принципе теневой проекции объекта в расходящемся пучке рентгеновских лучей, испускаемых «точечным» источником. Рентгеновские микроскопы проекционные состоят из сверхмикрофокусного источника рентгеновских лучей с фокусом 0,1—1 мкм в диаметре, (специальной микрофокусной рентгеновской трубки или камеры-обскура, (диафрагмы) в сочетании с обычной широкофокусной рентгеновской трубкой)}, камеры для размещения исследуемого объекта и регистрирующего устройства. Увеличение М в методе рентгеновской проекционной микроскопии определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до объекта (а) и до детектора (b):

М = b/a.

Т.е.объект должен находиться на малых расстояниях от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки.

Линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1—0,5 мкм.

Область примененияправить | править код

  • Медицина
  • Минералогия

При помощью рентгеновского проекционного микроскопа можно:

— оценить качество тонких покрытий
— получить микрорентгенографии биологических и ботанических срезов толщиной до 200 мкм.
— применить для анализа смеси порошков лёгких и тяжёлых металлов, при изучении внутреннего строения объектов, непрозрачных для световых лучей и электронов.

При работе с Рентгеновским проекционным микроскопом исследуемые образцы не надо помещать в вакуум, как в электронном микроскопе, и очень важно, что они не подвергаются разрушающему действию электронов. Использование в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет вести оперативный контроль объектов в условиях научно-исследовательской и производственной деятельности.

Использование в рентгеновских микроскопах различных преобразователей рентгеновских изображений в видимые в сочетании с телевизионными системами позволяет вести оперативный контроль объектов в условиях научно-исследовательской и производственной деятельности.

Новое направление в рентгеноскопииправить | править код

Рентгеновская оптика преломленияправить | править код

Основная статья: Рентгеновская оптика преломления

Планарные параболические линзы

Как известно, показатель преломления Х-лучей мало отличается от единицы. Рентгеновская оптика являлась предметом постоянных оценок и рассуждений. Получение и появление составных рентгеновских линз и призм — начало новых шагов во всём мире в деле создания новых оптических устройств микроскопов, телескопов с использованием диапазона спектра длин волн жёстких Х-лучей, способных их преломлять и фокусировать с разрешением 5-10нм

Получение изображений в реальном и фурье-пространствахправить | править код

Рис.1,Применение планарных линз на примере прохождения Х-лучей в кристаллах

Рис.2,Cхема флюоресцентного наноскопа с использованием Х-линзы, преломляющей Х-лучи

В диапазоне жёсткого излучения (мощностью от 6-10 до 100кэВ), где работают преломляющие линзы (Рис.1, Рис.2), глубина поглощения достигает величин больших значенийй разрешения самих линз. Кроме того надо учесть, что преломляющие Х-линзы, дающие субмикронное фокальное пятно, имеют глубину резкости примерно 0,1—1см. И любое двумерное их оптическое изображение есть проекционное с деталями, которыые накладываются по ходу луча. Откуда, наиболее целесообразнее получить объективную оценку, применив способы томографии, компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии., получая изображение в трёхмерном пространстве (3D).

Первые оптические приборы

Ранние простые оптические приборы были с увеличительными стеклами и имели увеличение обычно около 6 x – 10 х. В 1590 году, два голландских изобретателя Ганс Янсен и его сын Захарий при шлифовке линз вручную обнаружили, что сочетание двух линз позволило увеличить изображение предмета в несколько раз.

Они смонтировали несколько линз в трубку и сделали очень важное открытие – изобретение микроскопа .

Их первые устройства были новизной, чем научный инструмент, поскольку максимальное увеличение было до 9 х. Первый микроскоп, сделанный для голландской королевской знати имел 3 раздвижные трубы, 50 см в длину и 5 см в диаметре. Было указано, что устройство имело увеличение от 3 x до 9 x когда полностью раскрыто.

Микроскоп Левенгука

Другой голландский ученый Антони ван Левенгук (1632-1723), считается одним из пионеров микроскопии, в конце XVII века стал первым человеком реально использовавшим изобретение микроскопа на практике.

Ван Левенгук достиг большего успеха, чем его предшественники путем разработки способа изготовления линзы путем шлифовки и полировки. Он достиг увеличения до 270 x, лучшее известное на то время. Это увеличение дает возможность просматривать объекты размером одна миллионная метра.

Антони Левенгук стал более активно участвовать в науке со своим новым изобретением микроскопа. Он мог видеть вещи, которые никто никогда не видел раньше. Он впервые увидел бактерии, плавающие в капле воды. Он отметил ткани растений и животных, клетки спермы и клетки крови, минералы, окаменелости и многое другое. Он также обнаружил нематод и коловраток (микроскопических животных) и обнаружил бактерии, глядя на образцы зубного налета от своих собственных зубов.

Люди стали понимать, что увеличение может выявить структуры, которые никогда не видели раньше – гипотеза, что все сделано из крошечных компонентов, невидимых невооруженным глазом тогда еще не рассматривалась.

Работы Антони Левенгука в дальнейшем развил английский ученый Роберт Гук, который опубликовал результаты микроскопических исследований «Микрография» в 1665 году. Роберт Гук описал подробные исследования в области микробиологии.

Англичанин Роберт Гук открыл микроскопическую веху и основную единицу всей жизни – клетку. В середине XVII века Гук увидел структурные клетки во время изучения образца, который напомнил ему о небольших монастырских комнатах. Гуку также приписывают быть первым, который использовал конфигурацию трех основных линз, как сегодня используют после изобретения микроскопа.

В 18-19 веках не так много изменений в конструкции основного микроскопа было введено. Были разработаны линзы с использованием более чистого стекла и различной формы для решения таких проблем, как искажение цвета и разрешение плохого изображения. В конце 1800-х годов немецкий физик-оптик Эрнст Аббе обнаружил, что покрытые маслом линзы предотвращают искажение света при высоком разрешении. Изобретение микроскопа помогло великому русскому учёному-энциклопедисту Ломоносову в середине 18 века проводить свои опыты двигать русскую науку.

Недостатки

Электронные микроскопы дороги в производстве и обслуживании, но общая и эксплуатационная стоимость конфокального оптического микроскопа сравнима с базовыми электронными микроскопами. Микроскопы, направленные на достижение высоких разрешений, должны быть размещены в устойчивых зданиях (иногда под землей) и без внешних электромагнитных полей. Образцы в основном должны рассматриваться в вакууме, так как молекулы, составляющие воздух, будут рассеивать электроны. Сканирующие электронные микроскопы, работающие в обычном высоковакуумном режиме, как правило, изображают проводящий образец; Поэтому непроводящие материалы требуют проводящее покрытие (золото / палладий, сплав углерода, осмий, и т.д.). Режим низкого напряжения современных микроскопов делает возможным наблюдение непроводящих образцов без покрытия. Непроводящие материалы могут быть изображены также переменным давлением (или окружающей средой) сканирующего электронного микроскопа.

Строение микроскопа

На данный момент существуют простые и сложные микроскопы. Первые работают с одной системой линз, именно такое строение получила лупа. В сложном же сочетают две простейшие линзы. Поговорим немного о последнем варианте.


Сложный микроскоп будет давать большее увеличение, также он имеет хорошую разрешающую способность. Именно благодаря ей можно различать элементы образцов. Например, клетка под микроскопом сложной конструкции будет идеально разложена на составляющие. Увеличенное изображение, где нельзя различать подробности, никакой полезной информации не несет.

Большая часть сложных микроскопов основана на двухступенчатых схемах. Одна линза подносится практически вплотную к объекту, то есть благодаря ей и создается увеличенное изображение. После при помощи окуляра, то есть другой системы линз, само изображение увеличивается. Именно он располагается ближе к глазу наблюдателя. Описанные системы линз должны находиться на разных концах тубуса прибора.

История создания микроскопа

Хотя первые увеличительные линзы, на основе которых собственно и работает световой микроскоп, археологи находили еще при раскопках древнего Вавилона, тем не менее, первые микроскопы появились в Средневековье. Что интересно, среди историков нет согласия по поводу того, кто первым изобрел микроскоп. Среди кандидатов на эту почтенную роль такие известные ученые и изобретатели как Галилео Галилей, Христиан Гюйгенс, Роберт Гук и Антонии ван Левенгук.

Стоит также упомянуть итальянского врача Г. Фракосторо, который еще в далеком 1538 году первым предложил совместить несколько линз, чтобы получить больший увеличительный эффект. Это еще не было созданием микроскопа, но стало предтечей его возникновения.

А в 1590 году некто Ханс Ясен, голландский мастер по созданию очков заявил, что его сын – Захарий Ясен – изобрел первый микроскоп, для людей Средневековья такое изобретение было сродни маленькому чуду. Однако, ряд историков сомневается в том, является ли Захарий Ясен истинным изобретателем микроскопа. Дело в том, что в его биографии немало темных пятен, в том числе пятен и на его репутации, так современники обвиняли Захарию в фальшивомонетчестве и краже чужой интеллектуальной собственности. Как бы там ни было, но точно узнать был ли Захарий Ясен изобретателем микроскопа или нет, мы, к сожалению, не можем.

А вот репутация Галилео Галилея в этом плане безупречна. Этого человека мы знаем, прежде всего, как, великого астронома, ученого, гонимого католической церковью за свои убеждения о том, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Среди важных изобретений Галилея – первый телескоп, с помощью которого ученый проник своим взором в космические сферы. Но сфера его интересов не ограничивалась лишь звездами и планетами, ведь микроскоп, это по сути тот же телескоп, но только наоборот. И если с помощью увеличительных линз можно наблюдать за далекими планетами, то почему бы не обратить их мощь в другое направление – изучить то, что находится у нас «под носом». «Почему бы и нет», – наверное, подумал Галилей, и вот, в 1609 году он уже представляет широкой публике в Академии деи Личеи свой первый составной микроскоп, который состоял из выпуклой и вогнутой увеличительных линз.

Старинные микроскопы.

Позднее, спустя 10 лет, голландский изобретатель Корнелиус Дреббель усовершенствовал микроскоп Галилея, добавив в него еще одну выпуклую линзу. Но настоящую революцию в развитии микроскопов совершил Христиан Гюйгенс, голландский физик, механик и астроном. Так он первым создал микроскоп с двухлинзовой системой окуляров, которые регулировались ахроматически. Стоит заметить, что окуляры Гюйгенса применяются и по сей день.


А вот знаменитый английский изобретатель и ученый Роберт Гук навеки вошел в историю науки, не только как создатель собственного оригинального микроскопа, но и как человек, сделавший при его помощи великое научное открытие. Именно он первым увидел через микроскоп органическую клетку, и предположил, что все живые организмы состоят из клеток, этих мельчайших единиц живой материи. Результаты своих наблюдений Роберт Гук опубликовал в своем фундаментальном труде – Микрографии.

Опубликованная в 1665 году Лондонским королевским обществом, эта книга тут же стала научным бестселером тех времен и произвела подлинный фурор в научном сообществе. Еще бы, ведь в ней имелись гравюры с изображением увеличенной в микроскоп блохи, вши, мухи, комара, клетки растения. По сути, этот труд представлял собой удивительное описание возможностей микроскопа.

Интересный факт: термин «клетка» Роберт Гук взял потому, что клетки растений ограниченные стенами напомнили ему монашеские кельи.

Так выглядел микроскоп Робета Гука, изображение из «Микрографии».

И последним выдающимся ученым, который внес свой вклад в развитие микроскопов, был голландец Антонии ван Левенгук. Вдохновленный трудом Роберта Гука, «Микрографией», Левенгук создал свой собственный микроскоп. Микроскоп Левенгука, хотя и обладал лишь одной линзой, но она была чрезвычайно сильной, таким образом, уровень детализации и увеличения у его микроскопа был лучшим на то время. Наблюдая в микроскоп живую природу, Левенгук сделал множество важнейших научных открытий в биологии: он первым увидел эритроциты, описал бактерии, дрожжи, зарисовал сперматозоиды и строение глаз насекомых, открыл инфузории и описал многие их формы

Работы Левенгука дали огромный толчок к развитию биологии, и помогли привлечь внимание биологов к микроскопу, сделали его неотъемлемой частью биологических исследований, аж по сей день. Такая в общих чертах история открытия микроскопа

Примечания

  1. M. Knoll. Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper // Zeitschrift fur technische Physik. 16, 467—475 (1935)
  2. M. von Ardenne. Das Elektronen-Rastermikroskop // Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 108 (9-10) :553-572, 1938
  3. E. Ruska. The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy. Hirzel, Stuttgart, 1980, ISBN 3-7776-0364-3
  4.  (недоступная ссылка). Дата обращения 21 февраля 2010.
  5. ↑ Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Ф. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: в двух книгах. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. 303 с.

Камера-обскура

Заканчивая разговор об оптических инструментах, необходимо упомянуть камеру-обскуру, изобретенную в 1420 г. итальянским инженером Дж. Фонтаной. Камера-обскура является простейшим оптическим приспособлением, позволяющим получать на экране изображения предметов. Это темный ящик с небольшим отверстием в одной из стенок, перед которым помещают рассматриваемый объект. Исходящие от него лучи света проходят через отверстие и создают на противоположной стене ящика (экране) перевернутое изображение объекта.

В 1558 г. итальянец Дж. Порта приспособил камеру-обскуру для исполнения рисунков. Ему же принадлежит идея применения камеры-обскуры для проецирования рисунков, помещенных у отверстия камеры и сильно освещаемых свечами или солнцем.

Микроскопы представляют собой оптические приборы, используемые для многократного увеличения рассматриваемых объектов. С помощью этих приборов определяются размеры, форма и строение мельчайших частиц, которые невозможно увидеть невооруженным глазом.


Микроскопы – незаменимое оптическое оборудование для таких сфер деятельности, как медицина, биология, ботаника, электроника и геология, так как на результатах исследований основываются научные открытия, ставится правильный диагноз и разрабатываются новые препараты.

Создатель телескопа Галилей в 1610 году обнаружил, что в сильно раздвинутом состоянии его зрительная труба позволяет сильно увеличить мелкие предметы.

Рисунок 118. Первые микроскопы:Янсена,А. Левенгука, Роберта Гука

Его можно считать изобретателем микроскопа, состоящего из положительной и отрицательной линз. Более совершенным инструментом для наблюдения микроскопических предметов является простой микроскоп. Когда появились эти приборы, в точности неизвестно. В самом начале XVII века несколько таких микроскопов изготовил очковый мастер Захария Янсен из Миддельбурга.

Первые выдающиеся открытия были сделаны как раз с помощью простого микроскопа. В середине XVII века блестящих успехов добился голландский естествоиспытатель Антони Ван Левенгук. В течение многих лет Левенгук совершенствовался в изготовлении крохотных (иногда меньше 1 мм в диаметре) двояковыпуклых линзочек, которые он изготавливал из маленького стеклянного шарика, в свою очередь получавшегося в результате расплавления стеклянной палочки в пламени. Затем этот стеклянный шарик подвергался шлифовке на примитивном шлифовальном станке. На протяжении своей жизни Левенгук изготовил не менее 400 подобных микроскопов. Один из них, хранящийся в университетском музее в Утрехте, дает более чем 300-кратное увеличение, что для XVII века было огромным успехом.

В начале XVII века появились сложные микроскопы, составленные из двух линз. Изобретатель такого сложного микроскопа точно не известен, но многие факты говорят о том, что им был голландец Корнелий Дребель, живший в Лондоне и находившийся на службе у английского короля Иакова I. В сложном микроскопе было два стекла: одно — объектив — обращенное к предмету, другое — окуляр — обращенное к глазу наблюдателя. В первых микроскопах объективом служило двояковыпуклое стекло, дававшее действительное, увеличенное, но обратное изображение. Это изображение и рассматривалось при помощи окуляра, который играл, таким образом, роль лупы, но только лупа эта служила для увеличения не самого предмета, а его изображения. В1663 году микроскоп Дребеля был усовершенствован английским физиком Робертом Гуком, который ввел в него третью линзу, получившую название коллектива. Этот тип микроскопа приобрел большую популярность, и большинство микроскопов конца XVII — первой половины VIII века строились по его схеме.

Виды приборов

Просвечивающая электронная микроскопия

Основная статья: Просвечивающий электронный микроскоп

В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80—200 кэВ (используются различные напряжения от 20 кВ до 1 МВ), фокусируется системой магнитных линз (иногда электростатических линз), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или ПЗС-камере.

Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.

Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100 нм) и неустойчивость(разложение) образцов под пучком.

Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)

Основная статья: Просвечивающий растровый электронный микроскоп

Один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), однако есть приборы работающие исключительно в режиме ПРЭМ. Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.

Растровая (сканирующая) электронная микроскопия

Основная статья: Растровый электронный микроскоп

В основе лежит телевизионный принцип развёртки тонкого пучка электронов по поверхности образца.

Окрашивание

Основная статья: Растровый электронный микроскоп

В своих наиболее распространенных конфигурациях, электронные микроскопы дают изображения с отдельным значением яркости на каждый пиксель, с результатами, как правило, изображенными в оттенках серого. Однако, часто эти изображения затем раскрашены посредством использования программного обеспечения, или просто ручным редактированием с помощью графического редактора. Это делается обычно для эстетического эффекта или для уточнения структуры и, как правило, не добавляет информацию об образце.

Ультраструктура неонатальных кардиомиоцитов после аноксии-реоксигенации

В некоторых конфигурациях о свойствах образца можно собрать больше информации на каждый пиксель, благодаря использованию нескольких детекторов. В СЭМ, атрибуты топографии и рельефа материала могут быть получены с помощью пары электронных детекторов отражения и такие атрибуты могут быть наложены в единое цветное изображение, с присвоением разных первичных цветов для каждого атрибута. По аналогии, сочетаниям отраженного и вторичного электронного сигнала могут быть присвоены различные цвета и наложены на один цветной микрограф, одновременно показывающий свойства образца.

Изображение муравья в сканирующем электронном микроскопе

Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе. Примерами являются детекторы, используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентных микроскопов, которые анализируют интенсивность и спектр электронно-стимулированной Люминесценция в (например) геологических образцах. В системах СЭМ использование этих детекторов является общим для цветового кода сигналов и накладывают их в единое цветное изображение, так что различия в распределении различных компонентов образца можно ясно видеть и сравнивать. Дополнительно, стандарт вторичных электронных изображений может быть объединен с одним или более композиционными каналами, так что можно сравнить структуру и состав образца. Такие изображения могут быть сделаны с сохранением полной целостности исходного сигнала, который не изменяется в любом случае.

Раскрашенное изображение (PЭМ) фильтрующих щетинок антарктического криля


С этим читают