Курсовая работа - Микроскопия в цитологии - файл n1.doc

Курсовая работа - Микроскопия в цитологии
Скачать все файлы (496.5 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc497kb.11.01.2014 16:05скачать

n1.doc

  1   2
Российский Государственный Педагогический университет им. А.И.Герцена

Биологический факультет
Курсовая работа

Микроскопия в цитологии

Содержание

страница


  1. Микроскопия 1


История

Виды микроскопии 3



  1. Оптические микроскопы 7

Электронные микроскопы 13

Рентгеновские микроскопы 14

Лазерный рентгеновский микроскоп 17


  1. Лазерный рентгеновский микроскоп 17


Строение

Принцип работы

Будущее
Новое направление в рентгеноскопии 20


  1. Наноскоп 22


Флюоресцентный наноскоп

Введение

Принцип работы



  1. Литература 28


МИКРОСКОПИЯ
Микроскопия (лат. ?????? — мелкий, маленький и др.-греч. ?????? ?????? — вижу) — способ изучения малых объектов с помощью микроскопа. Микроскопия позволяет получить изображения тонкой структуры объектов (качество зависит от разрешающей способности микроскопа).
Микроскопия как метод исследования в отличие от других методик постоянно развивается в зависимости от технических достижениий в области точной механики и оптики, от разработок более совершенных, с более высокой разрешающей способностью самих микроскопов, дающие возможность открыть новые материалы, применить новые методы исследований и т.д. Например, создание в 1847 году Карлом Цейссом первого опытного однолинзового образца микроскопа открыло эпоху разработок новых микроскопов, и вслед за этим - новых способов микроскопии, или применение атомно-силового микроскопа в нанотехнологии даёт возможность глубже проникнуть в микромир, управлять атомами и молекулами, что в свою очередь порождает новые методы и технологии дальнейших исследований, ведёт к созданию новых материалов, устройств и т.д.
История
До создания рентгеновских микроскопов работали с оптическими приборами, использующими лучи видимого света, так как и глаз работает в оптическом диапазоне длин волн. Соответственно, оптические микроскопы не могли иметь разрешения менее полупериода волны опорного излучения (для видимого диапазона длина волн 0,4—0,7 мкм, или 400—700 нм) c возможным максимальным увеличением в 2000 раз.
Идея просвечивающего электронного микроскопа состояла в замене опорного электромагнитного излучения на электронный пучок. Известно, что для увеличения разрешения микроскопов, использующих электромагнитное излучение, необходимо уменьшение длины волны электромагнитного излучения до ультрафиолетового диапазон вплоть до рентгеновского (длина волны сопоставима с межатомными расстояниями в веществе) и основная трудность состоит в фокусировке ультрафиолетовых и, тем более, рентгеновских лучей. Последние вообще не поддаются фокусировке.
Особенность взаимодействия рентгеновских лучей с веществом отличает рентгеновские оптические системы от оптических систем для световых и электронных лучей. (Малое отклонение показателя преломления рентгеновских лучей от единицы (меньше чем на 10?4) практически не позволяет использовать для их фокусировки линзы и призмы. Электрические и магнитные линзы для этой цели также неприменимы, так как рентгеновские лучи инертны к электрическому и магнитному полям. Поэтому в микроскопии рентгеновской для фокусировки рентгеновских лучей используют явление их полного внешнего отражения изогнутыми зеркальными плоскостями или отражение от кристаллографических изогнутых плоскостей)[2]. На этом принципе построены отражательные рентгеновские микроскопы.
Виды микроскопии
Существует несколько видов микроскопии: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, рентгеновская микроскопия (рентгеновская лазерная микроскопия), отличающиеся конструктивными элементами, деталями, узлами самих микроскопов, что обеспечивает наблюдение в разных диапазонах спектра электромагнитных лучей.
Возможности микроскопии как метода изучения и фотографирования малых объектов зависят от разрешающей способности, применения новых технологий оптических систем, стереоскопии, методов подготовки объекта (срезы, окрашивание препаратов, использование метода тёмного- и светлого поля, поляризованного света и т.д.). Новые микроскопы расширяют возможности исследований в таких областях наук, как биологии, медицине, металловедении, минералогии, космосе и др..
Невозможно точно определить, кто изобрёл микроскоп. Считается, что голландский мастер очков Ханс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели первый микроскоп в 1590, но это было заявление самого Захария Янсена в середине XVII века. Дата, конечно, не точна, так как оказалось, что Захария родился около 1590 г. Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей. Он разработал «occhiolino» («оккиолино»), или составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами в 1609 г. Галилей представил свой микроскоп публике в Академии деи Линчеи, основанной Федерико Чези в 1603 г. Изображение трёх пчел Франческо Стеллути было частью печати Папы Урбана VIII и считается первым опубликованным микроскопическим символом (см. «Stephen Jay Gould, The Lying stones of Marrakech, 2000»). Десятью годами позже Галилея Корнелиус Дреббель изобретает новый тип микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Кристиан Гюйгенс, другой голландец, изобрел простую двулинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась и, следовательно, стала огромным шагом вперед в истории развития микроскопов. Окуляры Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а расположение окуляров неудобно для глаз по сравнению с современными широкообзорными окулярами. В 1665 году англичанин Роберт Гук сконструировал собственный микроскоп и опробовал его на пробке. В результате этого исследования появилось название «клетки». Антон Ван Левенгук (1632—1723) считается первым, кто сумел привлечь к микроскопу внимание биологов, несмотря на то, что простые увеличительные линзы уже производились с 1500-х годов, а увеличительные свойства наполненных водой стеклянных сосудов упоминались ещё древними римлянами (Сенека). Изготовленные вручную, микроскопы Ван Левенгука представляли собой очень небольшие изделия с одной очень сильной линзой. Они были неудобны в использовании, однако позволяли очень детально рассматривать изображения лишь из-за того, что не перенимали недостатков составного микроскопа (несколько линз такого микроскопа удваивали дефекты изображения). Понадобилось около 150 лет развития оптики, чтобы составной микроскоп смог давать такое же качество изображения, как простые микроскопы Левенгука. Так что, хотя Антон Ван Левенгук был великим мастером микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространённому мнению.
Микроскопия в зависимости от микроскопов разделяется как:



Виды микроскопов
Для исследования объектов разного типа, и в зависимости от требуемой величины оптического разрешения и других требований, созданы разные микроскопы:
- Оптические микроскопы
Микроскопы универсального назначения



Специальные микроскопы:




- Электронные микроскопы
- Рентгеновские микроскопы




- Лазерный рентгеновский микроскоп
ОПТИЧЕСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик.
В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления положением конденсора.
В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.
Монокулярные микроскопы
Монокулярные микроскопы являются самыми простыми оптическими приборами, которые широко применяются в тех случаях, когда высокая кратность увеличения не так критична, и большое значение имеет стоимость приобретаемого прибора для микроскопических исследований. Надежность работы, простота в использовании и невысокая стоимость, делают монокулярные микроскопы идеальным вариантом для оснащения лабораторий различных учебных заведений и штатных медицинских учреждений, не проводящих особо серьезных научных исследований.
Монокулярные микроскопы позволяют проводить исследования прозрачных и полупрозрачных объектов.
Устройство классического монокулярного микроскопа состоит из следующих основных элементов: Объектив — металлический цилиндр, в котором размещается различное количество оптических линз, как раз и определяющих основные технические характеристики прибора. Устройство объектива монокулярного микроскопа и количество размещенных в нем линз напрямую влияет на разрешающую способность всего прибора;

Окуляр — это тоже металлический цилиндр с линзами, который определяет кратность увеличения микроскопа;

Осветитель — обычно встроен в основание микроскопа и служит для освещения объекта исследования. Также, в простых моделях, вместо осветителя может применяться зеркало, предназначенное для перенаправления светового потока от стороннего источника освещения на конденсор и изучаемый объект. Как правило, зеркало имеет две основных поверхности: выпуклую и вогнутую;

Конденсор — небольшой оптический прибор, концентрирующий или рассеивающий свет, поступающий на изучаемый объект;

Механическая составляющая микроскопа включает в себя систему управления фокусировкой, то есть поднятие/опускание предметного столика. В простых моделях фокусировкой управляет один винт и называется винтом грубой фокусировки, а в более серьезных моделях винт грубой фокусировки совмещен с винтом точной фокусировки, который перемещает столик с мелким шагом, что позволяет боле точно настраивать резкость при использовании объективов с большим увеличением. Так же современные микроскопы имеют встроены механизмы перемещения конденсора и координатного перемещения предметного столика, то есть влево/вправо и вперед/назад.

Бинокулярный микроскоп
Все бинокулярные микроскопы (не только биологические) позволяют изучать объект исследования сразу двумя глазами, что обеспечивает оптимальное распределение нагрузки между ними.
Принцип действия бинокулярных микроскопов практически аналогичен принципам, по которым работает обычный монокулярный оптический прибор: объект изучения помещается под объектив, где он освещается с помощью источника искусственного светового потока и системы зеркал (конденсора).
Основным элементом любого биологического бинокулярного микроскопа является оптическая система, нижней частью которой является объектив, оснащенный системой оптических линз. Различная кратность микроскопа достигается установкой объективов необходимого увеличения в рабочее положение с помощью, так называемого, револьверного устройства. Верхняя часть оптической системы заканчивается специальной бинокулярной насадкой, позволяющей вести изучение объекта при помощи обоих глаз.
Бинокулярные микроскопы подходят для исследования прозрачных и полупрозрачных объектов и работают по принципу проходящего светового потока. Для оптимального освещения предмета исследования в бинокулярных микроскопах часто используется искусственное освещение, создаваемое специальным источником, встроенным в его корпус.


Металлографические микроскопы
Металлографические микроскопы – это оптические приборы, предназначенные для наблюдения непрозрачных и полупрозрачных объектов. Современные металлографические микроскопы дают возможность использовать различные методы исследования: наблюдение и измерение интересующих объектов как в отраженном, так и в проходящем свете, в светлом поле и поляризованном свете.
Приборы достаточно универсальны и обладают целым спектром возможностей, благодаря чему имеют широкую сферу применения: они используются в металлургии, металлографии, микроэлектронике, петрографии, минералогии, кристаллографии и других областях. С помощью металлографических микроскопов можно проводить исследования любой степени сложности в машиностроении и электронной промышленности. Этот тип оптической техники используют для исследования микроструктуры готовых деталей, шлифов, металлов, специальных композиционных материалов, пород, шлаков, сплавов.
Портативный металлографический микроскоп снабжен специальной оптикой, благодаря которой можно эффективно решать профессиональные задачи рабочего, лабораторного и исследовательского характера. Металлографические микроскопы оснащены качественными и надежными визуальными, проекционными и осветительными системами. Современные модели металлографических микроскопов укомплектованы поляризаторами и анализаторами.


Поляризационные микроскопы
Применяется микроскоп в медико-биологических исследованиях при изучении препаратов крови, шлифов зубов, костей, в минералогии, металлографии, химии, криминалистики, различных областях медицины. Позволяют выявлять неоднородности (анизотропию) структуры при изучении строения тканей и образований в организме в поляризационном свете.


Флуоресцентный наноскоп и люминесцентный микроскоп
Флуоресцентный наноскоп или Микроско́п (????ό? — маленький и ????έ? — смотрю) — лабораторная оптическая система для получения увеличенных изображений малых объектов с целью рассмотрения, изучения и применения на практике с разрешающей способностью 10-30 нанометров, использующий эффект флюоресцентии - свечения покрашенных микроэлементов под действием лазерного облучения живых клеток организма и микроэлементов с выдачей оцифрованных цветных стереизображений на экране монитора.
В основе наноскопии лежит впервые сформулированный новый метод российского ученого Андрея Климова, позволяющий увеличить разрешение оптических микроскопов на два порядка.


Люминесцентная микроскопия (лат. Lumen, luminis свет; греч. Micros малый + skopeo рассматривать, исследовать) – метод микроскопии, позволяющий наблюдать первичную или вторичную люминесценцию микроорганизмов, клеток, тканей или отдельных структур, входящих в их состав.
Цвет люминесценции, т.е. длина волны излучаемого света зависит от химической структуры и от физико–химического состояния микроскопируемого объекта, что и обусловливает возможность использования л.м. в целях микробиологической и цитологической диагностики, для дифференцирования отдельных компонентов клеток. Первичная люминесценция присуща ряду биологически активных веществ, таких, как ароматические аминокислоты, порфирины, хлорофилл, витамины А, В2, В1 , некоторые антибиотики (тетрациклин) и химиотерапевтические вещества (акрихин, риванол). Вторичная, или наведённая, люминесценция возникает в результате обработки микроскопируемых объектов флюоресцирующими красителями – флюорохромами. Некоторые из этих красителей диффузно распределяются в клетках, другие избирательно связываются с определёнными структурами клеток или даже с определёнными химическими веществами. Эта способность флюорохромов к избирательному окрашиванию позволяет проводить люминесцентно – цитологический и люминесцентно – цитохимический анализ.
Для проведения люминесцентной микроскопии используются либо специальные люминесцентные микроскопы, либо приставки к обычным биологическим микроскопам, позволяющие использовать их для наблюдения люминесценции микрообъектов.
Люминесцентный микроскоп снабжен мощным источником освещения с большой поверхностной яркостью, максимум излучения которого находится в коротковолновой области видимого спектра, системой светофильтров, а также интерференционной светоделительной пластинкой, применяемой при возбуждении люминесценции падающим светом. Эта система возбуждения люминесценции падающим светом через опак – иллюминатор имеет ряд преимуществ:

интерференционная светоделительная пластинка с нанесёнными на неё слоями диэлектриков избирательно отражает на препарат более 90% света, возбуждающего люминесценцию, и почти полностью пропускает более длинноволновый свет люминесценции, что позволяет увеличить яркость люминесценции;

объектив микроскопа служит одновременно конденсором осветительной системы; поэтому при использовании высокоапертурных иммерсионных объективов с большим увеличением освещённость препарата и соответственно яркость люминесценции возрастают пропорционально четвёртой степени апертуры объектива;

люминесцентную микроскопию можно сочетать с фазово-контрастной и интерференционной при освещении снизу через конденсор микроскопа.
Источниками освещения для люминесцентного микроскопа чаще являются ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления, а также лампы накаливания: ксеноновые и кварцево-галогенные.
Для возбуждения люминесценции при люминесцентной микроскопии обычно используют длинноволновую ультрафиолетовую, сине-фиолетовую, а иногда и зелёную область спектра, в люминесцентном микроскопе применяют обычно стеклянную оптику и обычные предметные и покровные стёкла, пропускающие излучение в этой части спектра и не обладающие собственной люминесценцией. Иммерсионные и заключающие среды также должны соответствовать этим требованиям. В качестве заключающих сред для препаратов могут быть использованы буферный раствор глицерина, а также нелюминесцирующие полимеры (полистирол, поливиниловый спирт).


Флюоресцентный рентгеновский наноскоп (греч. ????ό? — маленький и греч. ????έ? — смотрю) — специализированный микроскоп, предназначенный для изучения свойств веществ с использованием явления флюоресценции с возможностью флюоресцентного исследования в отражённом или проходящем освещении, где используется опорное рентгеновское освещение и линзы преломляющие рентгеновские лучи.
Это лабораторная оптическая система для получения увеличенных изображений малых объектов с разрешающей способностью 1-10нм и менее, с использованием различного характера свечения малых структурных элементов объекта под действием возбуждающего лазерного рентгеновского облучения, например, для исследования живых клеток, с выдачей оцифрованных цветных стереизображений на экран монитора.


Ближнепольная оптическая микроскопия
Ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ) — оптическая микроскопия, обеспечивающее разрешение лучшее, чем у обычного микроскопа. Повышение разрешения БОМа достигается детектированием рассеяния света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длина волны света. В случае, если зонд (детектор) микроскопа ближнего поля снабжен устройством пространственного сканирования, то такой прибор называют сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. Такой микроскоп позволяет получать растровые изображения поверхностей и объектов с разрешением ниже дифракционного предела.

Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп
Дифференциальная интерференционно-контрастная микроскопия (Интерференционно-контрастная микроскопия или микроскопия Номарского) — световая оптическая микроскопия, используемая для создания контраста в неокрашенных прозрачных образцах. ДИК микроскоп позволяет определить оптическую плотность исследуемого объекта на основе принципа интерференции и таким образом увидеть недоступные глазу детали. Относительно сложная оптическая система позволяет создать чёрно-белую картину образца на сером фоне. Это изображение подобно тому, которое можно получить с помощью фазово-контрастного микроскопа, но в нём отсутствует дифракционное гало.
В ДИК микроскопе поляризованный луч из источника света разделяется на два луча, которые проходят через образец разными оптическими путями. Длина этих оптических путей (т. е. произведение показателя преломления и геометрической длины пути) различна. Впоследствии эти лучи интерферируют при слиянии. Это позволяет создать объемное рельефное изображение, соответствующее изменению оптической плотности образца, акцентируя линии и границы. Эта картина не является точной топографической картиной.
ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ
Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию вместо светового потока пучка электронов с энергиями 30ч200 кЭв и более. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000ч10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.
Виды электронных микроскопов



РЕНТГЕНОВСКИЕ МИКРОСКОПЫ
Рентге́новский микроско́п — устройство для исследования очень малых объектов, размеры которых сопоставимы с длиной рентгеновской волны. Основан на использовании электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 1 нанометра.
Рентгеновские микроскопы по разрешающей способности находятся между электронными и оптическими микроскопами. Теоретическая разрешающая способность рентгеновского микроскопа достигает 2-20 нанометров, что на два порядка больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 20 микрометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров.
Существуют два типа рентгеновских микроскопов — отражательные и проекционные. В отражательных микроскопах используется явление преломления рентгеновских лучей при скользящем падении. Проекционные микроскопы используют высокую проникающую способность рентгеновских лучей. В них изучаемый объект помещается перед источником излучения просвечивается рентгеновскими лучами. Благодаря тому, что коэффициент поглощения рентгеновских лучей зависит от размеров атомов, через которые они проходят, такой метод позволяет получать информацию не только о структуре, но и о химическом составе изучаемого объекта.


Проекционные
Проекционные рентгеновские микроскопы представляют собой камеру, в противоположных концах которой располагаются источник излучения и регистрирующее устройство. Для получения чёткого изображения необходимо, чтобы угловая апертура источника была как можно меньше.
Увеличение (М) в методе рентгеновской проекционной микроскопии определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до детектора (b) к расстоянию от источника до объекта (а):

М = b/a
В микроскопах такого типа до недавнего времени не использовались дополнительные оптические приборы. Основным способом получить максимальное увеличение является размещение объекта на минимально возможном расстоянии от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки. В последнее время ведутся разработки микроскопов, использующих зонные пластинки Френеля для фокусировки изображения. Такие микроскопы имеют разрешающую способность до 30 нанометров.

Отражательные
В микроскопах этого типа используются приёмы, позволяющие добиться максимального увеличения, благодаря чему линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1—0,5 мкм. В качестве линз в них используется система зеркал. Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем: астигматизм, кома.
Для фокусировки рентгеновского излучения применяются также изогнутые монокристаллы. Но при этом на качество изображения сказываются структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций.
Отражательные рентгеновские микроскопы не получили широкого распространения из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации.

ЛАЗЕРНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ МИКРОСКОП
Лазерный рентгеновский микроскоп (греч. ????ό? — маленький и ????έ? — смотрю) — лабораторный прибор для получения увеличенных изображений малых объектов с возможностью фотографировать непрозрачные элементы благодаря образцам дифракции, получаемым в результате взрыва частиц фотонами рентгеновского лазера с диаметром луча в 0,1 нм.


?Получаемое при взрыве облачко частиц в возбужденном плазменном (мгновенном) состоянии успевает фиксироваться детектором 5 в виде дифракционных картинок, принявших поток электромагнитных волн взорванной частицы.
Лазерный рентгеновский микроскоп (ЛРМ) (См.Рис.1) использует принцип лазерного луча на свободных электронах установки (FEL), которая генерирует инфракрасный луч мощностью 14,2 киловатта с сечением в 0,1 нанометра. Мощность генерируемого луча образует плазменное облачко частиц (при взрыве) при встрече луча с микрочастицей. Фиксируемые изображения возбуждённых наночастиц имеют разрешение в 1,61 мкм. В 2004 году Американский национальный центр ускорителей — лаборатория Джефферсона (Thomas Jefferson Lab, National Accelerator Facility) на установке FEL лазерный луч формировала в вигглере.




Вигглер Хальбаха


Вигглер — установка, состоящая из длинного ряда мощных электромагнитов или постоянных магнитов, полюса которых чередуются. Через него пропускается пучок электронов с околосветовой скоростью, которые направляются с установки - ускорителя, расположеного рядом. В магнитных полях вигглера электроны заставляют двигаться по синусоиде. Теряя энергию она преобразуется в поток фотонов. Лазерный луч, как и в других лазерах, собирается и усиливается системой из обычных и полупрозрачных зеркал, установленных на концах вигглера. Т.е. изменение энергии лазерного пучка и параметров вигглера (например, расстояние между магнитами) дает возможность получать в широких пределах частоту лазерного луча. Другие системы: твердотельные или газовые лазеры с накачкой мощных ламп и с химической этого обеспечить не могут. Как известно, спектр электромагнитного излучения содержит разные лучи, в том числе и рентгеновские, сила которых зависит от частоты или длины волны луча. Чем короче длина волны излучения, тем она мощнее и ее проникающая способность выше. Это напрямую связано с разрешающей способностью микроскопов (изображение получается с разрешением в 1,61 мкм).


Рис.1 Принципиальная схема работы Лазерного рентгеновского микроскопа
1 — Ультрафиолетовое излучение или Инфракрасное излучение

2 — Вынужденное излучение

3 — Зона встречи Лазерного импульса с частицей материи

4 — Генератор частиц

5 — Фотосенсор — приёмник спектра электромагнитных излучений возбужденных элементов плазменного облака

6 — Рентгеновская оптика

7 — Вигглер

8 — Линейный источник когерентного света Linac Coherent Light Source — LCLS

9 — Частица до взрыва

10 — Единичная параболическая кремниевая Х-линза (см.Рентгеновская оптика преломления).



Рис.2 Схема Лазерного рентгеновского микроскопа будущего
Будущее лазерной рентгеноскопии связано с возможностью настройки сжатия и получения «жёстких» рентгеновских лучей, применяемых в диапазоне разных длин волн включая длину волны 0,1нм. Применение лазерной Х-микроскопии позволяет фотографировать непрозрачные элементы благодаря образцам дифракции, получаемым в результате взрыва частиц фотонами рентгеновского лазера с диаметром луча в 0,1 нм. Получаемое при взрыве облачко частиц в возбужденном плазменном (мгновенном) состоянии успевает фиксироваться детектором в виде дифракционных картинок, принявшим поток электромагнитных волн взорванной частицы. Попадая в аналогоцифровой преобразователь (АЦП) с помощью гидродинамической модели вычислений получают оцифрованное изображение, например, молекулы и в виде файла передаются в компютер и на экран монитора (См. Рис.2). При этом белок с поперечником в 2 нанометра взрывался после того, как его облучили 20-фемтосекундным лазерным рентгеновским импульсом мощностью 12-килоэлектронвольт. Кроме того, достижения в области разработок и создания линз фокусировки и преломления Х-лучей позволит повысить разрешение микроскопов с уменьшением длины волны опорного излучения менее 0,1нм

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В РЕНТГЕНОСКОПИИ
В настоящее время на основе оптических материалов монокристаллического кремния исследованы и созданы линзы и призмы, преломляющие Х-лучи. Это аналоги оптических устройств (тонких линз), используемых в диапазоне видимых лучей света. До последнего времени считались невозможными использовать преломляющие системы для рентгеновского излучения.



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 устойств 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-пространствах
Фокусирующие элементы могут передавать рентгеновские изображения в реальном (видимом) пространстве объектов в виде стереоизображений 3D. В данном случае важно при создании методов рентгеноскопии, когда пространственное разрешение фиксируется предельным разрешением сфокусированного объекта на субмикронном атомно-молекулярном уровне. Эти методы уже с 1980 годов реализованы, но в диапазоне «мягких» Х-волн при использовании зонных пластинок Френеля и рентгеновской зеркальной оптикой. В данном случае, например, получают двумерные рентгеновские изображения при использовании мягких Х-лучей с энергией 1-1,5кэВ, где глубина поглощения менее 1мкм, что не на много больше разрешения, т.е. 20-100нм.




Применение планарных линз на примере прохождения Х-лучей в кристаллах


В диапазоне жёсткого излучения (мощностью от 6-10 до 100кэВ), где работают преломляющие линзы, глубина поглощения достигает величин больших значений 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).
Для получения рентгеновских изображений в действительном пространстве сейчас в основном применяют преломляющие линзы, рассмотренные выше с параболическим аксиально симметричным профилем. Имеются и другие Х-линзы с другими рассчётными профилями. В настоящее время опережающее развитие получает безлинзовая компьютерная микроскопия в томографии, где происходит форимрование трёхмерных изображенй структуры объектов (3D). Сейчас созданы нанотомографы с разрешением 200нм. Для повышения разрешения трехмерных изображений величиной в 25-50нм предполагается применение в топографии методов преобразований сигналов изображений нанообъектов — спектров дифракции в фурье-пространстве (с последующими преобразованиями сигналов — дискретизациия, калибровка, восстановление их при АЦП и т.д. с выдачей в стерео пространстве изображений на экране монитора). Флюоресцентная рентгеноскопия с разрешением 5-10нм отличается тем, что в разных участках объекта периодически создаются видимые раздельно флуоресцирующие молекулы и наночастицы. Лазер (рентгеновский) обеспечивает такое их возбуждение, которое достаточно не только для регистрации их неперекрывающихся изображений, но и для обесцвечивания уже зарегистрированных флуоресцирующих молекул. При этом десятки тысяч кадров с зарегистрированными изображениями одиночных молекул и наночастиц (в виде пятен диаметром порядка длины волны света флуоресцении, умноженной на увеличение микроскопа), обрабатываются на компьютере для поиска координат центров пятен и создания изображения объекта по миллионам вычисленных координат центров пятен, соответствующих координатам индивидуальных флуоресцирующих молекул и наночастиц. При этом применяемые две цифровые, размещённые под углом, с высоким разрешением камеры, улавливая светящиеся окрашенные в RGB цвета микрочастицы (молекулы, атомы) при формировании стереоизображений окрашивают их в нужный цвет.




Cхема флюоресцентного наноскопа с использованием Х-линзы, преломляющей Х-лучи
НАНОСКОП
Флюоресцентный наноскоп (греч. ????ό? — маленький и греч. ????έ? — смотрю) — специализированный световой (оптический) микроскоп, предназначенный для изучения свойств органических или неорганических веществ с использованием явления флюоресценции с возможностью флюоресцентного исследования только в отражённом или проходящем освещении. Это лабораторная оптическая система для получения увеличенных изображений малых объектов с разрешающей способностью 1-10нм, с использованием различного характера свечения малых структурных элементов объекта под действием возбуждающего лазерного облучения. Микроскоп используется, например, для исследования живых клеток, с выдачей оцифрованных цветных 3D стереизображений на экран монитора.
В основе наноскопии лежит новый метод, впервые сформулированный защищённый авторским свидетельсвом по изобретениям российским физиком Андреем Климовым, позволяющий увеличить разрешение оптических микроскопов на два и выше порядков. Однако, патент, который оспаривается, принадлежит разработчикам и создателям флюоресцентного наноскопа Штефану Хеллу (Stefan Hell) из Института биофизической химии (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry (Karl Friedrich Bonhoeffer Institute)) — 2006 год. Большинство микроскопов флюоресценции основаны на использовании возбуждения и наблюдение флюоресценции - сверху . Эти микроскопы стали важной частью в области биологии, открывая двери для более передовых напрвлений микроскопии, типа софокусного лазерного микроскопа просмотра и микроскопа полного внутреннего флюоресцентного отражения. Это микроскопия, объединяющаяся локализации с пространственно смодулированным опорным освещением с использованим стандартных красок флюоресценции и получение оптического изображения (по принципу оптической микроскопии), но c разрешением 1-10нм. (За счёт разделения возбуждающего лазерного опорного освещения и фильтрации более слабых образуемых видимых электромагнитных лучей на атомно-молекуляарном уровне.
  1   2
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации