Виды микроскопов: описание, основные характеристики, назначение. чем электронный микроскоп отличается от светового?

Электронная микроскопия

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


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

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

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

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

Что изучает световой микроскоп

Обычно в световой микроскоп рассматривают микроскопические биологические объекты. Именно с его помощью была открыта живая клетка. Сегодня с помощью светового микроскопа можно исследовать целый ряд клеточных органелл, играющих важную роль в функционировании живого организма.

Именно такой микроскоп используется при преподавании школьного курса биологии.

В частности, при помощи этого прибора можно увидеть:

  • Ядро клетки, являющееся основным её компонентом.
  • Стенку, образующую поверхностный клеточный аппарат, включая мембрану.
  • Хлоропласты, содержащие важный для растительной клетки хлорофилл, с помощью которого происходит синтез углеводородов из воды и углекислого газа.
  • Митохондриальные структуры и коплекс Гольджи, важные для клеточного метаболизма.

различные виды ресничек, жгутиков, вакуолей и светочувствительных органелл.

Типы микроскопов

оп­ре­де­ля­ют­ся об­ла­стью их при­ме­не­ния или ме­то­дом на­блю­де­ния. Био­ло­ги­че­ские М. пред­на­зна­че­ны для ис­сле­до­ва­ний в мик­ро­био­ло­гии, гис­то­ло­гии, ци­то­ло­гии, бо­та­ни­ке, ме­ди­ци­не, а так­же для на­блю­де­ния про­зрач­ных объ­ек­тов в фи­зи­ке, хи­мии и т. д. В био­ло­гич. ис­сле­до­ва­ни­ях ис­поль­зу­ют­ся так­же лю­ми­нес­цент­ные и ин­вер­ти­ро­ван­ные М. В по­след­них объ­ек­тив рас­по­ла­га­ет­ся под на­блю­дае­мым объ­ек­том, а кон­ден­сор – свер­ху. Эти М. пред­на­зна­че­ны для ис­сле­до­ва­ния куль­ту­ры тка­ней, на­хо­дя­щих­ся в пи­тат. сре­дах, и снаб­же­ны тер­мо­ста­та­ми, а ино­гда и уст­рой­ст­ва­ми для ки­но­съём­ки мед­лен­ных про­цес­сов. Ме­тал­ло­гра­фи­че­ские М. пред­на­зна­че­ны для ис­сле­до­ва­ния мик­ро­струк­тур ме­тал­лов и спла­вов. По­ля­ри­за­ци­он­ные М. снаб­же­ны по­ля­ри­за­ци­он­ны­ми уст­рой­ст­ва­ми и пред­на­зна­че­ны гл. обр. для ис­сле­до­ва­ния шли­фов ми­не­ра­лов и руд. Сте­рео­мик­ро­ско­пы слу­жат для по­лу­че­ния объ­ём­ных изо­бра­же­ний на­блю­дае­мых пред­ме­тов.

Име­ют­ся так­же спе­циа­ли­зир. М.: мик­ро­ус­та­нов­ки для ки­но- и ви­део­съём­ки бы­ст­рых и мед­лен­ных про­цес­сов (дви­же­ния мик­ро­ор­га­низ­мов, про­цес­сов де­ле­ния кле­ток, рос­та кри­стал­лов и т. п.); М. для изу­че­ния сле­дов ядер­ных час­тиц в фо­то­эмуль­си­ях; вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные М. для ис­сле­до­ва­ния объ­ек­тов, на­гре­тых до 2000 °С; хи­рур­ги­че­ские М. сла­бо­го уве­ли­че­ния, при­ме­няе­мые при хи­рур­гич. опе­ра­ци­ях; ин­тер­фе­рен­ци­он­ные М. для ко­ли­че­ст­вен­ных ис­сле­до­ва­ний. Весь­ма слож­ны­ми при­бо­ра­ми яв­ля­ют­ся мик­ро­спек­тро­фо­то­мет­рич. ус­та­нов­ки для оп­ре­де­ле­ния спек­тров по­гло­ще­ния пре­па­ра­тов и те­ле­ви­зи­он­ные ана­ли­за­то­ры мик­ро­изо­бра­же­ний. Пер­вые пред­став­ля­ют со­бой со­че­та­ние М. со спец. мо­но­хро­ма­то­ра­ми и уст­рой­ст­ва­ми для из­ме­ре­ния све­то­вых по­то­ков; во вто­рых М. ра­бо­та­ет со­вме­ст­но с те­ле­ви­зи­он­ны­ми и элек­трон­ны­ми сис­те­ма­ми, ко­то­рые ав­то­ма­ти­че­ски оп­ре­де­ля­ют гео­мет­рич. ха­рак­те­ри­сти­ки изу­чае­мых струк­тур.

Устройство на базе школьного микроскопа

бъектив представляет собой цилиндр из металла (тубус), в который вмонтированы несколько линз. Его увеличение обозначают цифры.

Две или три линзы используются для окуляра. Предназначение расположенной между ними диафрагмой — фокусировка поля зрения. Нижней линзой фокусируются исходящие от объекта лучи, а само наблюдение происходит с помощью верхней.

В осветительном устройстве используются зеркало или электрический осветитель

Важной деталью является наличие конденсора, в состав которого входят две или три линзы. Подымаясь или опускаясь на кронштейне со специальным винтом, он может концентрировать или рассеивать свет, падающий на объект

Диаметр потока света изменяется специальной диафрагмой управляемый рычажком. Степень освещённости объекта регулирует кольцо, имеющее матовое стекло или светофильтр.

Составляющие механической системы микроскопа:

  • Подставка.
  • Коробка с микрометренными приспособлениями.
  • Тубус.
  • Тубусодержатель.
  • Винт грубой наводки.
  • Кроншетейн и винт перемещения конденсора.
  • Револьвер.
  • Предметный столик.

На предметном столике располагается объект наблюдения. Микрометренные механизмы предназначены для небольших перемещений тубусодержателя с тубусом, чтобы расстояние между объективом и объектом было оптимальным для наблюдения. Для более значительного смещения используют винты, осуществляющие грубую наводку. Функция револьвера — быстрая смена объективов. Это чрезвычайно удобное приспособление, которого не имели первые микроскопы, поэтому испытатели прошлого вынуждены были тратить на данную процедуру чрезвычайно много времени и усилий. Кронштейн, на котором держится конденсор, также способен подниматься и опускаться при помощи винта.

Оптическая схема и основные характеристики микроскопа

Схема оптического микроскопа: 1 – источник света; 2 – коллектор; 3, 9 – полевые диафрагмы; 4 – апертурная диафрагма; 5 – конденсор; 6 – предметный столик; 7 –…

Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма М. при­ве­де­на на рис. Ис­точ­ник све­та 1 ос­ве­ща­ет объ­ект (пре­па­рат), рас­по­ло­жен­ный на пред­мет­ном сто­ли­ке 6. Ос­ве­ти­тель­ный ка­нал со­дер­жит, по­ми­мо ис­точ­ни­ка све­та, кол­лек­тор 2 и кон­ден­сор 5. Ири­со­вые диа­фраг­мы (по­ле­вая 3 и апер­тур­ная 4) слу­жат для ог­ра­ни­че­ния све­то­вых пуч­ков и умень­ше­ния рас­се­ян­но­го све­та. Объ­ек­тив 7 соз­да­ёт дей­ст­ви­тель­ное, пе­ре­вёр­ну­тое и уве­ли­чен­ное изо­бра­же­ние объ­ек­та в плос­ко­сти по­ле­вой диа­фраг­мы 9. Оку­ляр 10, подобно лупе, об­ра­зу­ет вто­рич­но уве­ли­чен­ное мни­мое изо­бра­же­ние, бес­ко­неч­но уда­лён­ное (обыч­но на рас­стоя­нии наи­луч­ше­го в́и­де­ния 250 мм) от зрач­ка 11 гла­за на­блю­да­те­ля.


Осн. оп­тич. ха­рак­те­ри­сти­ки М.: ви­ди­мое уве­ли­че­ние $Γ$, ли­ней­ное по­ле в про­стран­ст­ве пред­ме­тов 2$y$ (или уг­ло­вое по­ле в про­стран­ст­ве изо­бра­же­ний 2$ω’$), чи­сло­вая апер­ту­ра $A$ в про­стран­ст­ве пред­ме­тов (диа­метр вы­ход­но­го зрач­ка $D’$): $A=n\sinσ$ ($n$ – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния сре­ды ме­ж­ду пред­ме­том и объ­ек­ти­вом, $σ$  – апер­тур­ный угол ме­ж­ду оп­тич. осью и край­ним лу­чом осе­во­го пуч­ка). Эти ха­рак­те­ри­сти­ки М. свя­за­ны ме­ж­ду со­бой со­от­но­ше­ни­ем $$ Γ = –250 \text {tg} ω’/y = –500A/D’ = 250/f’$$, где $f’$  – фо­кус­ное рас­стоя­ние микроско­па.

Об­щее уве­ли­че­ние М. рав­но про­из­ве­де­нию уве­ли­че­ния объ­ек­ти­ва на уве­ли­че­ние оку­ля­ра:$$Γ=β_{\text{об}}Γ_{\text{ок}}.$$ Уве­ли­че­ние объ­ек­ти­ва $β_{\text{об}}=–Δ/f’_{\text{об}}$, где $Δ$ – рас­стоя­ние ме­ж­ду зад­ним фо­ку­сом объ­ек­ти­ва $F’_{\text{об}}$ и пе­ред­ним фо­ку­сом оку­ля­ра $F_{\text{ок}}$ (т. н. оп­тич. дли­на ту­бу­са М.), $f’_{\text{об}}$ – фо­кус­ное рас­стоя­ние объ­ек­ти­ва. Уве­ли­че­ние оку­ля­ра $Γ_{\text{ок}}=250/f’_{\text{ок}}$, где $f’_{\text{ок}}$ – фо­кус­ное рас­стоя­ние оку­ля­ра.

Важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой М. яв­ля­ет­ся его раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность, оп­ре­де­ляе­мая как ве­ли­чи­на, об­рат­ная наи­мень­ше­му рас­стоя­нию $δ$, на ко­то­ром два со­сед­них эле­мен­та струк­ту­ры ещё мо­гут быть вид­ны раз­дель­но. Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность М. ог­ра­ни­че­на, что объ­яс­ня­ет­ся ди­фрак­ци­ей све­та. Вслед­ст­вие ди­фрак­ции изо­бра­же­ние бес­ко­неч­но ма­лой све­тя­щей­ся точ­ки, да­вае­мое объ­ек­ти­вом М., име­ет вид не точ­ки, а круг­ло­го свет­ло­го пят­на, ок­ру­жён­но­го тём­ны­ми и свет­лы­ми коль­ца­ми. Ес­ли две све­тя­щие­ся точ­ки рас­по­ло­же­ны близ­ко друг к дру­гу, то их ди­фрак­ци­он­ные изо­бра­же­ния на­кла­ды­ва­ют­ся од­но на дру­гое, да­вая в плос­ко­сти изо­бра­же­ния слож­ное рас­пре­де­ле­ние ос­ве­щён­но­сти. Для не­са­мо­све­тя­щих­ся объ­ек­тов пре­дель­ное ми­ним. рас­стоя­ние $δ_{\text{пр}}$ ме­ж­ду дву­мя точ­ка­ми со­став­ля­ет: $δ_{\text{пр}}=λ/(А+A’_{\text{к}})≈λ/2А$, где $λ$  – дли­на вол­ны све­та, $A’_{\text{к}}=n\sin δ ‘_{\text{к}}$ – зад­няя чи­сло­вая апер­ту­ра кон­ден­со­ра (на прак­ти­ке обыч­но рав­ная чи­сло­вой апер­ту­ре $A$ объ­ек­ти­ва). Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность 1/$δ$ пря­мо про­пор­цио­наль­на апер­ту­ре объ­ек­ти­ва, и для её по­вы­ше­ния ис­поль­зу­ют им­мер­си­он­ные объ­ек­ти­вы, у ко­то­рых про­стран­ст­во ме­ж­ду пред­ме­том и объ­ек­ти­вом за­пол­не­но жид­ко­стью с боль­шим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния. Апер­ту­ры им­мер­си­он­ных объ­ек­ти­вов с боль­шим уве­ли­че­ни­ем дос­ти­га­ют ве­ли­чи­ны $A≈$ 1,3 (у обыч­ных «су­хих» объ­ек­ти­вов $A≈$ 0,9).

Су­ще­ст­во­ва­ние пре­де­ла раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти влия­ет на вы­бор уве­ли­че­ния М. Уве­ли­че­ние М. в пре­де­лах (500–1000)$A$ счи­та­ет­ся по­лез­ным, т. к. при нём раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность М. наи­луч­шим об­ра­зом со­от­но­сит­ся с раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью гла­за на­блю­да­те­ля. При уве­ли­че­ни­ях ме­нее 500$A$ раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти М. не­дос­та­точ­но. При уве­ли­че­ни­ях св. 1000$A$ раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность гла­за не по­зво­ля­ет вы­явить но­вые под­роб­но­сти струк­ту­ры ис­сле­дуе­мо­го объ­ек­та (пре­па­ра­та).

Разница между световым микроскопом и электронным микроскопом

Источник освещения

Оптический микроскоп использует лучи видимого света (длина волны 400-700 нм) для освещения образца.

Электронный микроскоп использует электронные лучи (длина волны ~ 0,01 нм) для освещения образца.

Лупа Техника

Оптический микроскописпользует оптические линзы, чтобы изгибать лучи света и увеличивать изображения.

Электронный микроскоп использует магниты, чтобы изгибать лучи электронов и увеличивать изображения.

разрешение

Оптический микроскоп имеет более низкое разрешение по сравнению с электронными микроскопами, около 200 нм.

Электронный микроскоп может иметь разрешение порядка 0,1 нм.

увеличение

Световые микроскопы может иметь увеличение около ~ × 1000.

Электронные микроскопы может иметь увеличение до ~ 50000 (SEM).

операция

Оптический микроскоп не обязательно нужен источник электричества для работы.

Электронный микроскоп требует электричества для ускорения электронов. Это также требует, чтобы образцы были помещены в вакуумы (в противном случае электроны могут рассеиваться от молекул воздуха), в отличие от световых микроскопов.

Цена

Оптический микроскоп намного дешевле по сравнению с электронными микроскопами.

Электронный микроскоп сравнительно дороже.

Размер

Световой микроскоп маленький и может быть использован на рабочем столе.

Электронный микроскоп довольно большой, и может быть таким же высоким, как человек.

Рекомендации

Young, H.D. & Freedman, R.A. (2012). Физика Сирса и Земанского: с современной физикой. Addison-Wesley.

Изображение предоставлено


«Punktiertes Wurzelsternmoos (Rhizomnium punctatum), Laminazellen, 400x vergrößert », Кристиан Петерс — Фабелфрох (сфотографировано Кристианом Питерсом) [

История

История микроскопа может быть прослежена с конца 16-го или начала 17-го века. До сих пор ведутся споры о том, кто же на самом деле изобрел этот инструмент. Согласно новой всемирной энциклопедии, считается что прибор был предоставлен  производителями очков из Нидерландов: Хансу Липперши, Хансу и Захариасу Янсену.

Также Галилео Галилей в 1600-х годах изобрел устройство, внесшее свой вклад в область микроскопии. В его устройстве использовались линзы вогнутой и выпуклой формы.

Этот инструмент становился все более сложным с появлением науки и техники и теперь доступен в различных типах, которые используются для многих целей.

Наиболее распространенным среди них является самый старый и простейший тип микроскопа, называемый оптическим или световым микроскопом, который имеет три типа – простой, сложный свет и стерео.

Строение светового микроскопа

Чтобы ознакомиться со строением клетки и рассмотреть её составные части, нужно использовать увеличительное оборудование, одним из которых является световой микроскоп.

Первые микроскопы были похожи на увеличительные стёкла, и в них использовалось только одно стекло или линза из полированного горного хрусталя.

Одним из первых создателей (1610 г.) микроскопа считают физика и математика Галилео Галилея.

Большие технические возможности и лучшее качество изображения можно получить при помощи микроскопа с двумя линзами. Создание такого прибора связано с именем английского физика Роберта Гука (1665 г.). Этот микроскоп увеличивал в 30 раз.

Для своего времени превосходного мастерства в изготовлении микроскопов достиг нидерландский купец Антони ван Левенгук ( 1632 – 1723 ). Он умел производить линзы, увеличивающие в 200 – 270 раз

Линзы закреплялись на специальном штативе, так как, чтобы достичь такого увеличения, важно, чтобы исследуемый объект находился точно напротив линзы и на определённом расстоянии от неё. За свою жизнь Левенгук изготовил более 200 микроскопов

Разрешающие способности

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

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

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

Недавние достижения

В группе немецкого учёного Штефана Хелля (Stefan Hell) из научного сообщества Макса Планка (Гёттинген) в сотрудничестве с аргентинским учёным Мариано Босси (Mariano Bossi) в 2006 году был разработан оптический микроскоп под названием Наноскоп, позволяющий преодолевать барьер Аббе и наблюдать объекты размером около 10 нм (а на 2010 год и ещё меньше), оставаясь в диапазоне видимого излучения, получая при этом высококачественные трёхмерные изображения объектов, ранее недоступных для обычной световой и конфокальной микроскопии.

Ведутся работы над получением кристаллов нитрида бора с гексагональной решёткой (hBN) из чистых на 99% изотопов бора. Такой материал линз за счёт поляритонов, образующихся на поверхности кристалла, позволяет многократно понизить дифракционный предел и достичь разрешений порядка десятков и даже единиц нанометров.

Российские учёные из Томского государственного политехнического университета усовершенствовали наноскоп, использовав в нём не микролинзы, как в классической конфигурации, а специальные дифракционные решетки с золотыми пластинками. При получении изображения с такого прибора срабатывают одновременно эффект аномальной амплитудной аподизации, резонанс Фабри — Перо и резонанс Фано. Вместе они и помогают увеличить разрешение, по сравнению с обычной дифракционной решеткой, до 0,3 λ.

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.

Микроскоп — сложный оптический прибор. Чтобы научиться с ним работать, необходимо знать, из каких частей он состоит

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.


Тубус с окуляром

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.

Современные микроскопы оснащены сразу несколькими объективами

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.

Объект должен лежать так, чтобы прямо через него проходил поток света от зеркала к объективу

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.

Более удобным является бинокулярный микроскоп: изображение в нем предстает в более полном виде

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!

С помощью компьютера и микроскопа можно создавать удивительные фильмы

Итоги

Что такое микроскоп, мы рассмотрели в данной статье. Его фотографии и полное описание позволят человеку полностью разобраться в данном вопросе

Следует обратить внимание, что сейчас существует большое количество видов данных устройств. Поэтому нужно четко понимать, какие из них в каких сферах используются

Наиболее популярным сейчас и более известным является световой. Дело в том, что он используется в школах, в государственных лабораториях, то есть в тех организациях, где нет смысла приобретать более дорогостоящее оборудование.

Стоимость на микроскопы заметно варьируется также в зависимости от видов. Например, оптические и цифровые обойдутся потребителям минимум в 2500 руб. Однако у таких моделей небольшое увеличение, полностью соответствующее ценовой категории.

Что такое микроскоп? Это довольно популярное изделие, которое на слуху, и в последнее время часто пользуется спросом. Благодаря ему можно рассматривать клетки, вирусы, разные биологические объекты, которые необходимы для улучшения жизни человека.


С этим читают