Световой и электронный микроскоп сравнительная таблица. Принцип действия электронного микроскопа. Ограничения электронного микроскопа
Микроскоп - устройство, которое позволяет видеть увеличенное изображение объектов и структур, которые не видны глазу человека. В медико-биологических исследованиях используются световые и электронные методы микроскопии. , основанные на световой технологии, позволяют увеличивать объекты от 0.5 микрометров с разрешением объектов до 0.1 микрометра больше чем в 1500 раз. Микроскопы, основанные на электронной технологии - до 20 000 раз.
Технология световой микроскопии базируется на фундаментальных законах оптики, а так же на волновой теории в образовании изображений. Для освещения используют естественный, либо искусственный источники света. Первые простые микроскопы появились еще в 17-м веке. Более высоких успехов в их разработке смог добиться ученый из Голландии, А. Левенгук. В период с 1609 по 1610 гг. Г. Галилеем был построен более сложный микроскоп. В 1846 г. немецкий инженер-механик К. Цейсе открыл свою мастерскую и, примерно через год, начал изготавливать микроскопы. Цейс в своей фирме успешно использовал научные открытия профессора по физике Эрнста Аббе, который позже становится полноправным компаньоном Цейса. Теоретические и практические работы Э. Аббе, О. Шотта и А. Келера определили направления в развитии и принципы строения оптических систем в современных микроскопах.
Таким образом, конфокальные микроскопы очень полезны для изучения толстых образцов, таких как биопленки, которые можно исследовать живыми и незафиксированными. Конфокальная микроскопия может использоваться для визуализации структур, таких как биопленка цианобактерии на крыше.
Использование микроскопии для изучения биопленок
Биопленка представляет собой сложное сообщество одного или нескольких видов микроорганизмов, обычно образующихся в виде слизистого покрытия, прикрепленного к поверхности, из-за образования экстраполимерного вещества, которое прикрепляется к поверхности или к поверхности раздела между поверхностями. В природе биопленки многочисленны и часто занимают сложные ниши в экосистемах. В медицине биопленки могут покрывать медицинские устройства и существовать в организме. Поскольку они обладают уникальными характеристиками, такими как повышенная устойчивость к иммунной системе и антимикробным препаратам, биопленки представляют особый интерес для микробиологов и клиницистов.
Электронная микроскопия
Технология электронной микроскопии позволяет получать электронно-оптическое изображение при помощи потока электронов. Построение изображений базируется на фундаментальных законах волновой и геометрической оптики, а так же теории электромагнитного поля. Технология электронной микроскопии дает возможности для исследования объектов, у которых размеры лежат за пределами разрешающих возможностей светового микроскопа, а именно - объекты, менее 0.2 микрометров, и находит свое применение в изучении вирусов, бактериофагов, тонкого клеточного строения и других микрообъектов. Также такие микроскопы с успехом применяются для изучения макромолекулярных структур.
Очень важно не путать электронный микроскоп и цифровой микроскоп. В последнее время многие ошибочно называют - электронными микроскопами. На самом же деле, это не так. Микроскоп с электронной технологией появился в конце 30-х годов. Серийным запуском электронных микроскопов занялась фирма немецкого происхождения "SIEMENS". В 1940 году в ГОИ имени С. И. Вавилова, находящимся в Ленинграде, создали первый отечественный микроскоп с электронной технологией, увеличительные способности которого достигали 10000 крат. Микроскопы с электронной технологией используются, в основном, в научно-исследовательских лабораторных комплексах, для серьезных научных разработок. Минимальная стоимость таких изделий начинается примерно с двух-трех миллионов рублей.
Биопленка образуется, когда планктонные бактерии одного или нескольких видов прилипают к поверхности, продуцируют слизь и образуют колонию. Поскольку биопленки толстые, их нельзя очень хорошо наблюдать с помощью световой микроскопии; нарезание биопленки для создания более тонкого образца может убить или нарушить микробное сообщество. Флуоресцентные красители могут быть полезны при идентификации клеток внутри матрицы. Электронная микроскопия может использоваться для наблюдения биопленок, но только после обезвоживания образца, который вызывает нежелательные артефакты и искажает образец.
Микроскопы для пайки используются в тех случаях, когда необходимо выявить трещины в материнских платах, микросхемах, в теле- и радиоаппаратуре, мобильных телефонах, ювелирных изделиях. Словом, он нужен для определения мельчайших дефектов, которые не видны невооруженным глазом. Очень часто ими пользуются сервисные центры по ремонту компьютеров, цифровой техники.
В дополнение к этим подходам, можно следить за водными течениями через формы биопленок, используя видео движения бус с флуоресцентным покрытием. На этом изображении несколько видов бактерий растут в биопленке из нержавеющей стали. Сканирующий зондовый микроскоп не использует свет или электроны, а скорее очень острые зонды, которые проходят по поверхности образца и взаимодействуют с ним напрямую. Такие большие увеличения могут быть использованы для наблюдения отдельных атомов на поверхностях. На сегодняшний день эти методы использовались в основном для исследований, а не для диагностики.
Все дети по существу своему очень любопытны, благодаря чему они всегда стремятся узнавать что-то новое. Познавая мир, проявляя живой интерес ко всему окружающему, ребенок активно растет и всесторонне развивается. Маленькие «почемучки» желают знать все: «почему муравьи маленькие», «какие капельки водички», «почему жужжит пчела» и еще тысячу разных «почему».
Этот ток протекает через квантовое туннелирование электронов между зондом и образцом, а интенсивность тока зависит от расстояния между зондом и образцом. Зонд перемещается горизонтально над поверхностью и измеряется интенсивность тока. Сканирующая туннельная микроскопия может эффективно отображать структуру поверхностей с разрешением, при котором могут быть обнаружены отдельные атомы. Когда наконечник зонда проходит по образцу, силы между атомами заставляют его двигаться вверх и вниз. Отклонение наконечника зонда определяется и измеряется с использованием закона упругости Гука, и эта информация используется для построения изображений поверхности образца с разрешением на атомном уровне.
Электронные микроскопы появились в 1930-х годах и вошли в повсеместное употребление в 1950-х.
На рисунке изображен современный трансмиссионный (просвечивающий) электронный микроскоп , а на рисунке показан путь электронного пучка в этом микроскопе. В трансмиссионном электронном микроскопе электроны, прежде чем сформируется изображение, проходят сквозь образец. Такой электронный микроскоп был сконструирован первым.
Таблицы 1, 2 и 3 суммируют микроскопические методы для легких микроскопов, электронных микроскопов и сканирующих зондовых микроскопов, соответственно. Что имеет более высокое увеличение, световой микроскоп или сканирующий зондовый микроскоп? Многочисленные типы микроскопов используют различные технологии для создания микрофотографий. Световая микроскопия использует линзы для фокусировки света на образце для создания изображения. Обычно используемые световые микроскопы включают в себя яркие поля, темные поля, фазово-контрастные, дифференциальные интерференционные контрасты, флуоресцентные, конфокальные и двухфотонные микроскопы. Электронная микроскопия фокусирует электроны на образце с использованием магнитов, создавая гораздо большее увеличение, чем световая микроскопия. Прозрачный электронный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп являются двумя распространенными формами. Сканирующая зондовая микроскопия дает изображения еще большего увеличения путем измерения обратной связи от острых зондов, которые взаимодействуют с образцом. Микроскопы зонда включают сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп. Яркий полевой микроскоп с пятном яркого микроскопа без пятна темнопольного микроскопа.
- Назовите одно преимущество и одно ограничение сканирующей зондовой микроскопии.
- Большинство из них пригодны для конкретного типа образца или применения.
Электронный микроскоп перевернут «вверх дном» по сравнению со световым микроскопом. Излучение подается на образец сверху, а изображение формируется внизу. Принцип действия электронного микроскопа в сущности тот же, что и светового микроскопа. Электронный пучок направляется конденсорными линзами на образец, а полученное изображение затем увеличивается с помощью других линз.
Какой тип микроскопа особенно полезен для просмотра толстых структур, таких как биопленки? Просвечивающий электронный микроскоп - фазово-контрастный микроскоп - конфокальный сканирующий лазерный микроскоп - атомно-силовой микроскоп. Конфокальный сканирующий лазерный микроскоп особенно полезен для просмотра толстых структур, таких как биопленки.
Какой тип микроскопа будет лучшим выбором для просмотра очень небольших поверхностных структур ячейки? Просвечивающий электронный микроскоп - сканирующий электронный микроскоп - яркий полевой микроскоп - темный микроскоп - фазоконтрастный микроскоп. Сканирующий электронный микроскоп был бы лучшим выбором для просмотра очень небольших поверхностных структур ячейки.
В таблице суммированы некоторые сходства и различия между световым и электронным микроскопами . В верхней части колонны электронного микроскопа находится источник электронов - вольфрамовая нить накала, сходная с той, какая имеется в обычной электрической лампочке. На нее подается высокое напряжение (например, 50 000 В), и нить накала излучает поток электронов. Электромагниты фокусируют электронный пучок.
Какой тип микроскопа использует кольцевую остановку? Фазоконтрастный микроскоп использует кольцевую остановку. Какой тип микроскопа использует конус света, так что свет косвенно коснется образца, создавая более темное изображение на более ярком фоне? Просвечивающего электронного микроскопа сканирующего электронного микроскопа с ярким полевым микроскопом микроскоп с темным полем 400 × представляет собой общее увеличение образца, который просматривается со стандартной окулярной линзой и объективом 40 ×. Электронная микроскопия является полезным методом, позволяющим рассматривать микроскопическую структуру образцов с высоким разрешением.
Внутри колонны создается глубокий вакуум. Это необходимо для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов из-за столкновения их с частицами воздуха. Для изучения в электронном микроскопе можно использовать только очень тонкие срезы или частицы, так как более крупными объектами электронный пучок почти полностью поглощается. Части объекта, отличающиеся относительно более высокой плотностью, поглощают электроны и потому на сформировавшемся изображении кажутся более темными. Для окрашивания образца с целью увеличения контраста используют тяжелые металлы, такие как свинец и уран.
Однако он не лишен недостатков и требует значительных ресурсов для покупки и обслуживания устройства при оптимальной функции. Преимущества и недостатки электронной микроскопии более подробно обсуждаются ниже. Каждый из этих факторов следует рассмотреть, прежде чем принимать решение о том, является ли электронная микроскопия правильным решением для текущей ситуации.
Увеличение и высокое разрешение
Одним из наиболее важных преимуществ электронной микроскопии является способность производить мощное увеличение. По этой причине он предлагает более высокое разрешение, чем это возможно при оптической микроскопии, и играет важную роль во многих областях научных исследований.
Электроны невидимы для человеческого глаза, поэтому они направляются на флуоресцирующий , который воспроизводит видимое (черно-белое) изображение. Чтобы получить фотоснимок, экран убирают и направляют электроны непосредственно на фотопленку. Полученный в электронном микроскопе фотоснимок называется электронной микрофотографией.
Изображение нейтрофилов человека с использованием просвечивающего электронного микроскопа. Изображение сгустка крови с использованием сканирующего электронного микроскопа. Электронная микроскопия имеет широкий спектр применений в области технологий, промышленности и научных исследований. Например, он может использоваться для проверки полупроводников, изготовления компьютерных микросхем и проверки качества контроля качества. Его уникальные свойства, особенно его способность обеспечивать изображение образцов с высоким разрешением, делают его очень полезным для нескольких целей на практике.
Преимущество электронного микроскопа
:
1) высокое разрешение (0,5 нм на практике)
Недостатки электронного микроскопа
:
1) подготовленный к исследованию материал должен быть мертвым, так как в процессе наблюдения он находится в вакууме;
2) трудно быть уверенным, что объект воспроизводит живую клетку во всех ее деталях, поскольку фиксация и окрашивание исследуемого материала могут изменить или повредить ее структуру;
3) дорого стоит и сам электронный микроскоп и его обслуживание;
4) подготовка материала для работы с микроскопом отнимает много времени и требует высокой квалификации персонала;
5) исследуемые образцы под действием пучка электронов постепенно разрушаются. Поэтому, если требуется детальное изучение образца, необходимо его фотографировать.
Электронные микроскопы чрезвычайно чувствительны к вибрации и внешним магнитным полям. В результате они требуют стабильной среды для функционирования и обеспечения изображения образца с высоким разрешением. В некоторых случаях для подавления работы микроскопа требуются системы отмены магнитного поля.
Кроме того, большинство образцов рассматриваются в вакууме, чтобы молекулы в воздухе не рассеяли электроны и не исказили изображение с микроскопа. Однако некоторые электронные микроскопы, такие как электронный сканирующий электронный микроскоп, преодолели это ограничение с возможностью просмотра гидратированных образцов в условиях низкого давления или влажности.
