Optik mikroskobun ana uygulama alanlarına giriş
Optik mikroskop eski ve genç bir bilimsel araçtır. Doğumundan bu yana 300 yıllık bir geçmişi var. Optik mikroskobun geniş bir kullanım alanı vardır. Örneğin biyoloji, kimya, fizik, astronomi vb. alanlardaki bazı bilimsel araştırma çalışmalarında mikroskoptan ayrılamaz.
Farklı uygulama amaçlarına göre mikroskoplar kabaca dört kategoriye ayrılabilir: biyolojik mikroskoplar, metalografik mikroskoplar, stereo mikroskoplar ve polarizasyon mikroskopları. Adından da anlaşılacağı gibi biyolojik mikroskoplar esas olarak biyotıpta kullanılır ve gözlem nesneleri çoğunlukla şeffaf veya yarı saydam mikro cisimlerdir; metalografik mikroskoplar esas olarak malzemelerin metalografik yapısı ve yüzey kusurları gibi opak nesnelerin yüzeyini gözlemlemek için kullanılır; stereoskopik mikroskoplar mikro nesneleri büyütürken, aynı zamanda insan gözüne göre nesne ve görüntüleri aynı yönde yapan ve insanların geleneksel görme alışkanlıklarına uygun bir derinlik duygusuna sahip olan; Polarize mikroskoplar, farklı mikro nesne bileşenlerini ayırt etmek için polarize ışık için farklı malzemelerin iletim veya yansıma özelliklerini kullanır. Ayrıca bazı özel türler de alt bölümlere ayrılabilmektedir. Örneğin, ters çevrilmiş bir biyolojik mikroskop veya bir kültür mikroskobu, esas olarak bir kültür kabının tabanından kültürü gözlemlemek için kullanılan bir biyolojik mikroskoptur; bir floresan mikroskobu, belirli bir kısa dalga boyuna sahip ışığı absorbe etmek ve bu maddelerin varlığını keşfetmek ve içeriğini belirlemek için belirli bir daha uzun dalga boyuna sahip ışık yaymak için belirli maddelerin özelliklerini kullanır; Bir karşılaştırma mikroskobu, iki nesne arasındaki benzerlikleri ve farklılıkları karşılaştırmak için aynı görüş alanındaki iki nesnenin yan yana veya üst üste bindirilmiş görüntülerini oluşturabilir.
Geleneksel optik mikroskoplar esas olarak optik sistemlerden ve bunları destekleyen mekanik yapılardan oluşur. Optik sistemler, hepsi çeşitli optik camlardan yapılmış karmaşık büyüteçler olan objektif lensleri, göz merceklerini ve yoğunlaştırıcı lensleri içerir. Objektif mercek numuneyi büyütür ve büyütülmesi Mobject aşağıdaki formülle belirlenir: Mobject =Δ∕f'object, burada f'object objektif merceğin odak uzaklığıdır ve Δmesafe olarak anlaşılabilir Objektif merceği ile mercek arasında. Göz merceği, objektif merceğinin oluşturduğu görüntüyü yeniden büyüterek insan gözünün 250 mm önünde gözlem için sanal bir görüntü oluşturur. Bu çoğu insan için en rahat gözlem pozisyonudur. Göz merceğinin büyütülmesi M=250/f' göz; burada f', göz merceğinin odak uzaklığıdır. Mikroskopun toplam büyütmesi, objektif mercek ile göz merceğinin çarpımıdır, yani M=M nesne*M göz=Δ*250/f' göz *f; nesne. Objektif merceğinin ve göz merceğinin odak uzunluğunun azaltılmasının, bakteri ve diğer mikroorganizmaları mikroskopla görmenin anahtarı olan toplam büyütmeyi artıracağı ve sıradan büyüteçlerle arasındaki farkın da bu olduğu görülmektedir.
Peki, daha incelikli nesneleri görebilmemiz için büyütmeyi artırmak amacıyla f' nesnesi f' örgüsünü sınırsız olarak küçültmek düşünülebilir mi? Cevap hayır! Bunun nedeni, görüntüleme için kullanılan ışığın aslında bir tür elektromanyetik dalga olmasıdır, bu nedenle, tıpkı günlük hayatta görülebilen su yüzeyindeki dalgaların engellerle karşılaşıldığında etrafta dolaşabilmesi gibi, yayılma süreci sırasında kaçınılmaz olarak kırınım ve girişim olgusu meydana gelecektir. ve iki su sütunu dalgası karşılaştığında birbirini güçlendirebilir veya zayıflatabilir. Nokta şeklindeki ışıklı bir nesneden yayılan ışık dalgası objektif merceğe girdiğinde, objektif merceğin çerçevesi ışığın yayılmasını engeller, bu da kırınıma ve girişime neden olur. Objektif mercekten geçtikten sonra artık tek bir noktada toplanamaz, belli büyüklükte bir ışık noktası oluşturur ve çevre üzerinde zayıf ve giderek zayıflayan yoğunlukta bir dizi ışık halkası bulunur. Merkezi parlak noktaya Airy disk diyoruz. İki ışık yayan nokta belirli bir mesafeye yakın olduğunda, iki ışık noktası, iki ışık noktası olarak tanınmayıncaya kadar üst üste gelecektir. Rayleigh, iki ışık noktasının merkezleri arasındaki mesafe Airy diskinin yarıçapına eşit olduğunda iki ışık noktasının ayırt edilebileceğini düşünerek bir değerlendirme standardı önerdi. Hesaplamanın ardından, bu anda ışık yayan iki nokta arasındaki mesafe e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Formülde In, ışık dalgasının dalga boyudur, ve insan gözünün alabileceği ışık dalgası dalga boyu yaklaşık 0.4-0.7um'dur ve n, ışık yayan noktanın bulunduğu ortamın kırılma indisidir. Örneğin, havada, n≈1, suda, n≈1,33 ve A, ışıldayan noktanın objektif merceğin çerçevesine açılma açısının yarısıdır ve NA, objektif merceğin sayısal açıklığı olarak adlandırılır. Yukarıdaki formülden, objektif merceğin ayırt edebildiği iki nokta arasındaki mesafenin, ışığın dalga boyu ve sayısal açıklık ile sınırlı olduğu görülmektedir. En hassas insan gözünün dalga boyu yaklaşık 0.5um olduğundan ve A açısı 90 dereceyi aşamadığından sinA her zaman 1'den küçüktür. Mevcut ışık ileten maddenin maksimum kırılma indisi ortam yaklaşık 1,5'tir, dolayısıyla e'nin değeri her zaman 0,2um'dan büyüktür; bu, bir optik mikroskop tarafından çözülebilecek minimum sınır mesafesidir. Görüntüyü mikroskopla büyütün. Objektif merceğin çözebileceği e nesne noktası mesafesini, insan gözünün çözebileceği belirli bir NA değeriyle büyütmek istiyorsanız, Me Büyük veya eşit 0,15 mm'ye ihtiyacınız vardır, burada { {29}},15mm, gözünüzün 250mm önünde insan gözünün ayırt edebileceği iki mikro nesne arasındaki minimum mesafedir, yani M Büyüktür veya eşittir (0,15∕0,61)NA ≈500NA. Büyütmeyi iki katına çıkarmak yeterlidir, yani 500N.A M'ye eşit veya daha küçük 1000N.A'ya eşit veya daha küçük; bu, mikroskobun toplam büyütmesinin makul bir seçim aralığıdır. Toplam büyütme ne kadar büyük olursa olsun, bunun bir anlamı yoktur, çünkü objektif merceğin sayısal açıklığı çözülebilir minimum mesafeyi sınırlamıştır ve büyütmeyi artırarak daha küçük nesne ayrıntılarını ayırt etmek imkansızdır.
Görüntüleme kontrastı optik mikroskoplarda bir diğer önemli konudur. Kontrast olarak adlandırılan şey, görüntü yüzeyindeki bitişik parçalar arasındaki siyah-beyaz kontrastı veya renk farkını ifade eder. İnsan gözünün 0.02'nin altındaki parlaklık farkını yargılaması zordur, ancak renk farkına biraz daha duyarlıdır. Biyolojik numuneler gibi bazı mikroskop nesnelerinin detayları arasında çok az parlaklık farkı vardır ve mikroskop optik sisteminin tasarım ve üretim hataları, görüntüleme kontrastını daha da azaltır ve ayırt edilmesini zorlaştırır. Şu anda nesnenin detayları net bir şekilde görülemiyor.
Yıllar geçtikçe insanlar mikroskobun çözünürlüğünü ve görüntüleme kontrastını geliştirmek için çok çalıştılar. Bilgisayar teknolojisi ve araçlarının sürekli gelişmesiyle birlikte optik tasarım teorisi ve yöntemleri de sürekli olarak geliştirildi. Hammadde performansının iyileştirilmesi, teknoloji ve tespit yöntemlerinin sürekli iyileştirilmesi ve gözlem yöntemlerindeki yeniliklerle birleştiğinde, optik mikroskobun görüntüleme kalitesi kırınım sınırının mükemmelliğine yaklaştı. İnsanlar numune boyama, karanlık alan, faz kontrastı, floresans, girişim ve polarize ışık kullanacak. Görüntüleme cihazları birbiri ardına ortaya çıkmış ve bazı açılardan üstün performansa sahip olsa da ucuzluk, kolaylık, sezgisellik ve özellikle canlı organizmalar üzerinde yapılan araştırmalara uygunluk açısından hala optik mikroskoplarla rekabet edemiyorlar. Optik mikroskoplar hala kendi konumlarını sağlam bir şekilde işgal ediyor. Öte yandan, lazer, bilgisayar, yeni malzeme teknolojisi ve bilgi teknolojisiyle birleşen antik optik mikroskop, gençleştirici ve güçlü bir canlılık gösteriyor. Dijital mikroskoplar, lazer konfokal taramalı mikroskoplar, yakın alan taramalı mikroskoplar, iki fotonlu mikroskoplar ve çeşitli yeni işlevlere sahip veya çeşitli yeni çevre koşullarına uyum sağlayabilen cihazlar, sonsuz bir akış halinde ortaya çıkıyor ve bu da optik mikroskopların uygulama alanını daha da genişletiyor. örnekler. Mars gezicilerinden yüklenen kaya oluşumlarının mikroskobik resimleri ne kadar heyecan verici! Optik mikroskobun güncel bir yaklaşımla insanlığa fayda sağlayacağına inancımız tamdır.
