биология что можно увидеть в световой микроскоп

Преимущество использования световой микроскопии перед электронной

Содержание:

Виды микроскопов

Чтобы правильно определить преимущество использования световой микроскопии перед электронной, надо рассмотреть принцип действия микроскопов. Более подробно на занятиях по предмету «Биология» рассматриваются строение, принцип действия и правила использования светового микроскопа. Даются представления о работе электронного микроскопа, его возможностях при изучении биологических объектов. В некоторых заданиях требуется сравнить два вида микроскопии.

В оптическом (световом) микроскопе используется система линз, расположенных в окуляре и объективе. Изображение получается в результате преломления и рассеивания света. Приборы, основанные на световой технологии, позволяют добиться увеличения объектов в 140–2000 раз.

Что можно увидеть в световой микроскоп:

В электронном микроскопе изображение получают с помощью рассеивания потока электронов. Достигается увеличение объекта до 20000 раз. Можно изучить ультраструктуру органелл клетки, строение вирусов.

Преимущество использования световой микроскопии перед электронной

Электронный микроскоп более востребован в научной работе, так как дает большее увеличение по сравнению со световым. Если требуется установить преимущество использования световой микроскопии перед электронной, то следует обратить внимание на подготовку биологических объектов. В электронный микроскоп нельзя изучать живые бактерии, клетки.

В качестве примера рассмотрим тестовое задание: «Выберите преимущество использования световой микроскопии перед электронной». Формулировка теста или вопроса может несколько отличаться. Во всех случаях надо уметь различать возможности световой микроскопии и особенности электронного микроскопа.

Результат выполнения задания «Отметьте преимущество использования световой микроскопии перед электронной»:

Предлагаемые ответы тестового задания «Найдите преимущество использования световой микроскопии перед электронной»:

Правильный ответ — 2) возможность видеть живые объекты.

Ответы 1, 3, 4 неверные, так как являются характеристиками электронной микроскопии. Разрешение электронного микроскопа в тысячи раз превосходит аналогичный показатель светового микроскопа. Используются сложные манипуляции для приготовления препарата. Изучаемый объект сначала фиксируют специальными веществами, затем обезвоживают и заливают пластмассой. Электронный микроскоп — дорогостоящий прибор, его приобретают и устанавливают в крупных исследовательских заведениях.

Источник

Что в световой микроскоп можно увидеть?

Свойства объёмного стекла увеличивать изображение были знакомы людям очень давно. Самая древняя линза, найденная археологами в Ираке близ города Нимруд, датируется VIII веком до нашей эры. Изобретатели этого полезного приспособления так и остались неизвестными. Неясно также, кто впервые применил его для создания микроскопа. Есть достоверные сведения, что комбинации из двух линз для своих приборов использовали знаменитые учёные XVI-XVII веков — Галилео Галилей, Джироламо Фракасторо, Кристиан Гюйгенс. История умалчивает, были эти приспособления изобретены до них, или нет. Но именно в ту эпоху оптика стала впервые применяться для изучения микромира.

Исследователи быстро поняли, что при использовании сразу нескольких линз их кратности увеличения предметов не складываются, а перемножаются друг на друга. И это даёт значительный эффект, позволяющий рассмотреть объекты микромира. Проблема состояла в том, что первые линзы были несовершенны и достаточно грубо обработаны. Поэтому изображение получалось с дефектами, которые увеличивались вместе с объектом исследований. Для решения этой проблемы разрабатывались микроскопы с единственной мощной линзой, один из которых позволил Антони Ван Левенгуку разглядеть растительную клетку. Лишь через полтора столетия многосоставные микроскопы, обладающие несколькими линзами, завоевали широкую популярность среди учёных. А с появлением электричества стала использоваться подсветка, значительно облегчившая процесс наблюдения. Именно так появился прибор, схожий по принципу работы с современным световым микроскопом.

Принцип работы

Световой микроскоп использует одно из неотъемлемых свойств луча света — преломление. Лучи подсветки отражаются в зеркальце, расходятся от объекта и параллельным пучком идут внутри тубуса, в котором размещены линзы. При помощи линз лучи преломляются, т.е. изменяют угол своего падения таким образом, что происходит их концентрация на сетчатке глаза. Таким способом объект наблюдения увеличивается и проступают его незаметные прежде детали.

Кратности увеличения

Окуляром микроскопа называется линза, в которую непосредственно смотрит глаз наблюдателя. Обычно для этих целей используются линзы с десятикратным увеличением. Ниже, в тубусе, располагается ряд объективов, каждый из которых имеет своё увеличение — 4, 10, 40 или же 100. Поскольку кратности перемножаются, то, в зависимости от выбранного объектива в сочетании с десятикратным окуляром, можно достигать кратности от 40 до 1000 соответственно.

Обычно наблюдение начинают с выбора четырёхкратного объектива, дающего наименьшее увеличение в 40 раз. Зачем? Дело в том, что для подробного рассмотрения какого-либо объекта нужно сперва этот объект найти. Осуществлять такой поиск при слишком большом увеличении неудобно. Поэтому при изучении микроскопического предмета, как правило, начинают от самого малого увеличения к большему. Объектив с маленьким увеличением позволяет гораздо быстрее фокусироваться, чем с большим.

Полезное и бесполезное увеличение

Увеличение бывает как полезным,так и бесполезным. В чём разница между тем и другим? Дело в том, что возможности любого светового микроскопа имеют предел. Теоретически возможно, используя множество линз, увеличить кратность прибора до бесконечности.

Но на практике наступает предел, после которого дальнейшее увеличение не делает видимыми новые детали объекта. До этого предела увеличение считается полезным, а после — бесполезным.

Разрешающая способность

Увеличивать изображение до бесконечности нет смысла потому, что разрешающая способность прибора конечна. Этой способностью называется расстояние между двумя близкими линиями, позволяющее видеть их раздельно. Для светового микроскопа такое расстояние достигает максимум 0,2 мкм. Именно этот фактор, а вовсе не конечные значения кратности, ограничивают область применения световой микроскопии. Более мелкие объекты доступны электронным и другим более современным микроскопам.

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:

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.

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:

различные виды ресничек, жгутиков, вакуолей и светочувствительных органелл.

Новейшие достижения — самые мощные микроскопы

В 2006 году исследовательской группой во главе с немецким учёным Штефаном Хелем и аргентинцем Мариано Босси была завершена разработка оптического (светового) микроскопа, ставшего настоящим прорывом в технологиях исследований с помощью высокоточной оптики. Изобретение, которое назвали наноскопом, позволяет вести наблюдение за объектами размерами менее 10 нм. При этом получаются их высококачественные изображения в трёхмерном формате. Вероятно,это не предел — исследования в разных странах, направленных на повышение разрешающей способности светового микроскопа, продолжаются.

Источник

12 методов в картинках: микроскопия

Авторы

Редакторы

Один из старейших научных приборов — микроскоп — появился практически одновременно с наукой в ее современном виде. Этот канонический инструмент биолога более 400 лет был важнейшим средством для познания живого, и дал львиную долю наших знаний об устройстве жизни. Все это время эволюция микроскопа продолжалась, расширяя возможности увидеть неразличимое глазом.

12 биологических методов в картинках

Генеральный партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Одна из главных миссий «Биомолекулы» — докопаться до самых корней. Мы не просто рассказываем, какие новые факты обнаружили исследователи — мы говорим о том, как они их обнаружили, стараемся объяснить принципы биологических методик. Как вытащить ген из одного организма и вставить в другой? Как проследить в огромной клетке за судьбой нескольких крошечных молекул? Как возбудить одну крохотную группу нейронов в огромном мозге?

И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!

История микроскопии

На пороге микромира

Собирающие (увеличивающие) линзы были известны с XI века, и очки распространились по Европе уже в XIV веке. Традиционно изобретение первого составного микроскопа приписывают отцу и сыну — Хансу и Захарию Янсенам в 1595 году (рис. 1). Этот первый микроскоп мог увеличивать изображение всего в 3–9 раз. Есть версия, что первый микроскоп создал Корнелиус Дреббель. Среди изобретателей первых микроскопов был и Галилей, создавший свой микроскоп в 1609 году. Так или иначе, ни один из изобретателей не оставил подробных описаний микромира. Микроскопия как наука началась с Роберта Гука, который в 1665 году издал Micrographia — книгу, в которой подробно описывались устройство микроскопа, основы оптики и первые наблюдения за биологическими объектами, иллюстрированные подробными рисунками [1]. Микроскоп Гука (рис. 2) состоял из трех линз и источника света — эта основа сохраняется и в современной микроскопии. Однако достичь больших увеличений удалось с помощью более простой конструкции — Антони ван Левенгук использовал, казалось бы, примитивный микроскоп всего с одной линзой (рис. 2). Однако благодаря высочайшему качеству этой линзы ему удалось достичь 200-кратного увеличения и описать клетки простейших и даже крупные бактерии. Использование всего одной линзы не создавало оптических аберраций, которые только множились при конструировании более сложной оптической системы.

Генеральный партнер цикла «12 методов» — компания «Диаэм»

«Диаэм» — крупнейшая российская компания, специализирующаяся на поставке оборудования и реагентов ведущих мировых производителей в области микроскопии: от микроскопов начального уровня до исследовательских, конфокальных и мультифотонных систем, а также автоматизированных биоимиджинговых систем, способных поддерживать жизнеспособность клеток при постановке длительных экспериментов.

Материал предоставлен партнёром — компанией «Диаэм»

Рисунок 1. Микроскопия: этапы большого пути. 1590 г. — Захарий и Ханс Янсены создают первый микроскоп. 1665 г. — первое издание книги Роберта Гука Micrographia: описание и иллюстрации первых микроскопических исследований. 1674 г. — Антони ван Левенгук с помощью своего микроскопа описывает инфузории, а в дальнейшем — бактерии, сперматозоиды, вакуоли внутри клетки и т.п. 1858 г. — Йозеф фон Герлах разрабатывает окрашивание кармином — одной из первых гистологических красок. 1878 г. — Эрнст Аббе выводит формулу Аббе, позволяющую вычислить максимальное разрешение, исходя из длины волны. 1911 г. — Оскар Хеймштадт изобретает первый флуоресцентный микроскоп. 1929 г. — Филипп Эллингер и Август Хирт конструируют эпифлуоресцентный микроскоп, в котором эффективно отфильтровывалось излучение от источника света. 1932 г. — Фриц Цернике изобретает фазовый контраст, позволяя рассматривать живые неокрашенные объекты с большим контрастом. 1933 г. — Эрнст Руска совместно с Максом Кноллем создает первый электронный микроскоп. В 1939 году с его помощью выпустили первый коммерческий электронный микроскоп. 1934 г. — Джон Маррак получает первый конъюгат антитела с красителем. Первое практическое использование Альбертом Кунсом, усовершенствовавшим технику конъюгацией с флуоресцентной меткой. 1942 г. — Эрнст Руска создает сканирующий электронный микроскоп. 1962 г. — первое описание GFP Осамой Симомурой. 1967 г. — первое использование конфокальной микроскопии Моймиром Петраном, Дэвидом Эггером и Робертом Галамбосом. 1969 и 1971 гг. — первое описание конфокальной лазерной микроскопии. 1981 г. — Герд Бинниг и Генрих Рорер создают первый сканирующий туннельный микроскоп. 1986 г. — Герд Бинниг, Келвин Куэйт и Кристофер Гербер изобретают атомно-силовую микроскопию. 1990 г. — Винфрид Денки и Джеймс Стиклер разрабатывают первый двухфотонный микроскоп. 1994 г. — Штефан Хелл: суперразрешающая электронная микроскопия на основе подавления спонтанного испускания (STED). 2006 г. — изобретение PALM/STROM-микроскопии. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

Рисунок 2а. Первые «ласточки». Микроскоп Гука (реконструкция).

Источник

Методы световой микроскопии

Световая, или оптическая, микроскопия — это один из основных методов исследования частиц, неразличимых человеческим глазом. Данный метод имеет широкое распространение в медицине, фармакологии, биологии, металлографии, криминалистике и других сферах.

Увеличение изображения в световом микроскопе обеспечивается системой собирательных линз, расположенных в окуляре и объективе.

Метод световой микроскопии

Предельная разрешающая способность человеческого глаза составляет около 0,1 мм. Это понятие отражает минимальное расстояние, на котором 2 соседние точки определяются как отдельные объекты. Микрочастицы, клеточные структуры и дефекты поверхности имеют размер менее 100 мкм, поэтому для их исследования требуется специальное оборудование.

Историческая справка

Первые оптические микроскопы были изобретены в XVI-XVII вв. Первым, кто заметил увеличительный эффект комбинации из нескольких линз, был венецианский врач Джироламо Фракасторо. В 1609 г. Галилео Галилей представил собственный вариант прибора с 2 стеклами: выпуклым и вогнутым. Первое устройство называлось оккиолино (occhiolino).

Практическое применение микроскопа началось с конца XVII в., когда Антони Ван Левенгук использовал собственное оптическое устройство для исследования биологических структур. Его микроскоп содержал всего одно мощное стекло, что уменьшало количество дефектов картинки.

Приборы Левенгука позволяли увеличить изображение в 275 раз и рассмотреть строение бактерий, дрожжей, эритроцитов, одноклеточных микроорганизмов и насекомых.

Популяризации микроскопии способствовала и книга английского исследователя Роберта Гука, которая вышла в 1664 г. В ней ученый ввел термин «клетка» и опубликовал гравюры некоторых микрообъектов.

В течение следующих столетий конструкция оптического микроскопа непрерывно совершенствовалась. Несмотря на то, что в первой половине XX в. были изобретены электронные приборы, которые позволяли рассмотреть нанообъекты, световой метод не теряет своей популярности. В 2006 г. группа немецких ученых разработала оптическое устройство под названием наноскоп, которое обладает разрешающей способностью 10 нм.

Подробно о принципе действия

Принцип работы оптического микроскопа основывается на прохождении прямого или отраженного луча света через систему линз.

Объектив прибора содержит до 14 стекол. При прохождении светового пучка через эту часть устройства изображение увеличивается до 100 раз, а при прохождении окуляра — в 20-24 раза. Выпуклые и вогнутые стекла позволяют сфокусировать картинку на сетчатке или приспособлениях для документирования информации.

Видимое излучение, которое создает осветительная система прибора, ограничивают несколькими диафрагмами. Это повышает четкость изображения.

Увеличивающие линзы имеют 2 дефекта. Сферическая аберрация мешает фокусировать сразу все поле исследования, а хроническая приводит к появлению яркой каймы по контуру изображения. Чтобы компенсировать дефекты, окуляр и объектив оснащаются корригирующими стеклами.

Где применяется

Методы световой микроскопии применяют в следующих областях науки и промышленности:

В целом об устройстве светового микроскопа

Оптический микроскоп состоит из следующих элементов:

Некоторые модели прибора оборудованы дополнительными объективами, системами записи и передачи информации.

Виды световых микроскопов с описанием

Особенности конструкции зависят от предназначения микроскопа. Для увеличения четкости изображения используют методы флуоресценции, люминесценции, инверсии и др.

Биологическое оборудование

Биологические приборы позволяют исследовать прозрачные или полупрозрачные объекты. Принцип их работы основан на изучении светлого поля в потоке проходящего света. Такие микроскопы применяют в лабораторной диагностике, ботанике, цитологии, микроэлектронике, археологии и пищевой промышленности.

Для повышения разрешающей способности используют иммерсионные оптические системы. В этом случае между образцом и первым стеклом вводится жидкость с высоким коэффициентом преломления (минеральное масло, раствор глицерина, дистиллированная вода и др.).

Криминалистическое оборудование

Главная особенность криминалистического микроскопа — это возможность сравнения 2 объектов. Такое исследование помогает найти сходство между компонентами взрывных устройств, гильзами, пулями, волосами, волокнами и другими уликами.

Приборы для криминалистики оснащают фото- и видеокамерами, а также программным обеспечением.

Это позволяет снизить вероятность ошибок, построить модели объектов и сравнить с данными из электронных источников.

Флуоресцентные микроскопы

Флуоресцентные, или люминесцентные, микроскопы позволяют исследовать объекты, которые испускают световой поток после облучения ультрафиолетом. Они оборудованы коротковолновым источником освещения, светофильтрами и интерференционной пластинкой.

Флуоресцентные микроскопы активно применяют в лабораторной диагностике, в частности, при изучении клеток крови и антигенов. Для анализа предметов, которые не излучают свет, используют люминесцентные красители и порошки.

Поляризационные микроскопы

Поляризационный прибор является наиболее сложным из всех представленных видов микроскопов. Его используют для исследования анизотропных материалов, полимеров, некоторых клеток и микробиологических объектов.

Источник света со специальными фильтрами формирует поляризованный поток, который облучает образец.

Оптическая система интерпретирует двойное лучепреломление среды и позволяет изучить ее структуру.

Инвертированные с перевернутым положением объектива

В инвертированном микроскопе объектив располагается не над образцом, а под предметным столиком. Такие приборы применяют в биологии, медицине, промышленности, металлографии, криминалистике и других сферах.

Перевернутое положение оптической системы позволяет изучать более крупные образцы и работать со специальной посудой.

Микроскопы для металлографии

Металлографические микроскопы предназначены для исследования поверхности непрозрачных объектов. Изображение получают путем преломления отраженного светового луча.

Предметом изучения являются микродефекты поверхности и зерна сплавов. Помимо металлургии и промышленности, такие устройства применяют в геологии и археологии. Для обеспечения четкости используют специальные системы линз и зеркал.

Стереомикроскопы (дают объемное изображение)

Стереомикроскопы оснащены 2 объективами, что позволяет получать объемное изображение исследуемого образца. По сравнению с устройствами плоского поля они дают более резкую, четкую и контрастную картинку.

Такие приборы используют в точном машиностроении, ювелирном деле и других областях промышленности.

Моновидеомикроскопы с возможностью получения видео

Видеомикроскопы предназначены для динамического наблюдения за образцом и фиксации изображения. Для повышения эффективности работы их оснащают специальными линзами, светофильтрами и адаптерами.

Разновидности методов световой микроскопии

Выбор метода оптической микроскопии определяется особенностями объектов и целью исследования.

Светлое поле в потоке проходящего света

Данный метод основан на принципе прохождения потока света через образец. Предмет частично поглощает и рассеивает попадающие на него лучи, что позволяет сформировать изображение.

Светлопольную микроскопию применяют для изучения окрашенных тканей животных и растений, тонких шлифов и др. Для прохождения светового пучка препарат должен быть прозрачным.

Косое освещение

Данный метод является разновидностью микроскопии светлого поля. Чтобы выявить рельеф и сделать изображение более контрастным, поток направляют под большим углом к образцу.

Светлое поле в отраженном свете

Светопольная микроскопия в отраженном свете позволяет исследовать поверхности непрозрачных предметов (сплавов, покрытий, руд и др.). Свет падает на образец сверху, а основная оптическая система исполняет роль объектива и конденсора.

Изображение формируется за счет того, что элементы поверхности по-разному отражают и рассеивают попадающие лучи. Травление дает возможность изучить не только дефекты, но и микроструктуру и фазовый состав образца.

Темное поле

Метод темного поля предназначен для изучения прозрачных образцов, которые не абсорбируют свет. Специальный конденсор направляет лучи так, что они формируют полый конус, в центре которого находится объектив. Таким образом, большая часть лучей не попадает в оптическую систему.

Изображение представляет собой темное поле с небольшими светлыми включениями, которые формируются за счет рассеяния света частицами препарата.

Ультрамикроскопия

Метод ультрамикроскопии является разновидностью темнопольного. Для исследования образцов используют сильные источники света, а лучи направляют перпендикулярно предметному столу. Эффект рассеяния волн позволяет обнаружить частицы менее 10 нм.

Фазовое контрастирование

Метод фазового контраста позволяет изучать прозрачные и неокрашенные образцы. При малом различии в коэффициенте преломления изображение нельзя получить ни на светлопольном, ни на темнопольном микроскопе, поскольку разница в поглощении и рассеянии света будет минимальной.

Однако при прохождении через образец волна приобретает фазовый рельеф, который фиксируется специальным объективом. В изображении он отображается как различие в яркости элементов.

Аноптральный контраст

Данная методика является подвидом фазовой микроскопии. На иммерсионную линзу наносят кольцо из сажи, которое пропускает 10% лучей и совпадает с контуром кольцевой диафрагмы конденсора. При отсутствии образца амплитуда световых волн уменьшается на 90%.

Проходя через среды разной плотности, лучи дифрагируют, в результате чего их амплитуда остается неизменной.

За счет этого поле исследования получается темным, а частицы образца — светлыми.

Поляризационный метод

Анализ анизотропных материалов проводят в свете, пропущенном через специальную фильтрующую пластинку. При прохождении через образец плоскость поляризации лучей меняется.

По разнице между начальными и конечными характеристиками волн определяют количество оптических осей, их ориентацию и др.

Интерференционная микроскопия

Интерференционный метод основан на параллельном прохождении 2 лучей через предметный столик и мимо него. В окуляре микроскопа когерентные волны соединяются и интерферируют между собой.

При прохождении через образец первый луч запаздывает по фазе, что влияет на результирующую амплитуду и яркость изображения.

Люминесценция или флуоресценция

Принцип люминесцентной микроскопии основан на том, что некоторые образцы испускают видимый свет после облучения ультрафиолетом. Перед исследованием препараты обрабатывают флуоресцирующими антисыворотками, порошками или маркерами.

Волны ультрафиолетового спектра применяют для повышения разрешающей способности микроскопа. Для изучения препаратов, которые не испускают видимый свет после воздействия УФ-лучей, используют фотокамеры и кварцевые линзы.

Источник