Качество микроскопов увеличивается от каждого нового способа наблюдения за живыми и неживыми организмами. Последнее прорывное решение — квантовый микроскоп. Ученые утверждают, что в него можно разглядеть ранее недоступные клеточные структуры. Рассказываем подробнее, как работают и меняются микроскопы.
От чего зависит разрешающая способность микроскопа
Разрешающая способность микроскопа — это способность выдавать чёткое раздельное изображение двух близко расположенных точек объекта. Степень проникновения в микромир, возможности его изучения зависят от разрешающей способности прибора.
Эта характеристика определяется прежде всего длиной волны используемого в микроскопии излучения (видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение). Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить при помощи электромагнитного излучения изображение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излучения.
«Проникнуть глубже» в микромир возможно при применении излучений с меньшими длинами волн.
Как работает микроскоп?
Оптическая система предназначена для пространственного преобразования поля излучения до оптической системы (в «пространстве предметов») в поле после оптической системы (в «пространстве изображений»). Такое разделение «пространств» весьма условно, поскольку эти различные с точки зрения изменения структуры поля «пространства» могут в некоторых случаях (например при использовании зеркал) совпадать в трёхмерном физическом пространстве.
Такая организация и достигается путём использования имеющих определённую форму оптических элементов, действие которых проявляется в явлении преломления, отражения и рассеяния излучения. Физической причиной всех этих явлений является интерференция.
Во многих случаях для объяснения действия оптического элемента вполне достаточно применения понятий о сущности этих явлений, без раскрытия роли интерференции, что позволяет описывать поле излучения его формализованной геометрической моделью, основанной на интуитивно понятном представлении о «луче света» и постулате о бесконечно малости длины волны излучения и оптической однородности среды, заполняющей всё пространство, в котором действуют законы геометрической оптики.
Но в случае, когда оказывается необходимым учитывать волновые свойства излучения и принимать во внимание сравнимость размеров оптического элемента с длиной волны излучения, геометрическая оптика начинает давать ошибки, что носит название дифракции, по сути своей не являющейся самостоятельным явлением, а лишь той же интерференцией.
Какие бывают микроскопы
- Оптические микроскопы
Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличны один от другого.
Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет ~0,2 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины.
До середины XX века работали только с видимым оптическим излучением, в диапазоне 400—700 нм, а также с ближним ультрафиолетом (люминесцентный микроскоп). Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (диапазон длин волн 0,2—0,7 мкм, или 200—700 нм).
Таким образом, оптический микроскоп способен различать структуры с расстоянием между точками до ~0,20 мкм, поэтому максимальное увеличение, которого можно было добиться, составляло ~2000 крат.
- Электронные микроскопы
Пучок электронов, которые обладают свойствами не только частицы, но и волны, может быть использован в микроскопии.
Длина волны электрона зависит от его энергии, а энергия электрона равна E = Ve, где V — разность потенциалов, проходимая электроном, e — заряд электрона. Длины волн электронов при прохождении разности потенциалов 200 000 В составляет порядка 0,1 нм.
Электроны легко фокусировать электромагнитными линзами, так как электрон — заряженная частица. Электронное изображение может быть легко переведено в видимое.
Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема.
- Сканирующие зондовые микроскопы
Класс микроскопов, основанных на сканировании поверхности зондом.
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — относительно новый класс микроскопов. На СЗМ изображение получают путём регистрации взаимодействий между зондом и поверхностью.
На данном этапе развития возможно регистрировать взаимодействие зонда с отдельными атомами и молекулами, благодаря чему СЗМ по разрешающей способности сопоставимы с электронными микроскопами, а по некоторым параметрам превосходят их.
- Рентгеновские микроскопы
Рентгеновский микроскоп — 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 порядок больше разрешающей способности оптического микроскопа (до 150 нанометров). В настоящее время существуют рентгеновские микроскопы с разрешающей способностью около 5 нанометров.
- Инфракрасная микроскопия
Это метод исследования путём наблюдения образцов через микроскоп в инфракрасном свете. Метод предназначен для исследования образцов очень небольшого размера (порядка микрометров).
Видимый свет, наблюдаемый экспериментатором, и инфракрасный свет, регистрируемый детектором, проходят через одну общую оптическую систему, поэтому изображение в бинокуляре отвечает участку, который анализируется в ИК-излучении.
ИК-микроскопия используется для анализа образцов в очень малом количестве (от 0,01 до 100 мкг) или малых размеров (от 10–1 до 10–3 мм), а также концентрационных флуктуаций и включений.
Какие есть недостатки у изобретенных микроскопов?
Производительность световых микроскопов ограничена уровнем случайного шума, который создают элементарные частицы света — кванты электромагнитного излучения, или фотоны. Дискретность фотонов определяет чувствительность, разрешение и скорость оптических приборов.
Для оптимизации этих параметров разработчики обычно идут по пути увеличение интенсивности света и замены обычных его источников лазерными. Но использование лазерных микроскопов не всегда возможно при исследовании биологических систем, поскольку яркие лазеры могут разрушить живую клетку.
Как наука продвинулась в разработке микроскопов?
Последнее крупное открытие в этой сфере было сделано в начале июня 2021 года. Ученые из Австралии и Германии создали квантовый микроскоп, способный разглядеть невидимые ранее клеточные структуры.
По мнению авторов, это открывает путь для создания новых биотехнологий и практических приложений — от навигации до медицинской визуализации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Исследователи из Университета Квинсленда предположили, что биологическая визуализация может быть улучшена без увеличения интенсивности света, с помощью квантовых фотонных корреляций.
Вместе с немецкими коллегами из Ростокского университета они экспериментально доказали, что с помощью квантовых корреляций можно получить отношение сигнал/шум на 35 процентов выше, чем при обычной микроскопии без фотоповреждения. Значительно выше при такой технологии и скорость обработки изображений.
Как работает квантовый микроскоп?
Создатели квантового микроскопа сделали установку, представляющую из себя когерентный рамановский микроскоп с субволновым разрешением и ярким квантово-коррелированным освещением, позволяющий визуализировать молекулярные связи внутри клетки.
Микроскоп основан на науке о квантовой запутанности — эффекте, который Эйнштейн описал как «жуткие взаимодействия на расстоянии». Это первый в мире датчик на основе запутывания с характеристиками, превосходящими лучшие из существующих технологий. Его создание приведет к появлению различных видов новых технологий — от новейших навигационных систем до более совершенных аппаратов. Квантовая запутанность в нашем микроскопе обеспечивает на 35 процентов улучшенную четкость без разрушения клетки, позволяя видеть мельчайшие биологические структуры, которые в противном случае были бы невидимы.
Уорвика Боуэна, профессор из лаборатории квантовой оптики и Центра передового опыта для инженерных квантовых систем Австралийского исследовательского совета
Главным успехом нового метода авторы считают преодоление так называемого победу над принципами традиционной световой микроскопии, не способной проникнуть внутрь живой клетки.
Читать далее:
Животное ожило после 24 тыс. лет спячки в сибирской вечной мерзлоте
Изменение климата приведет к экстремальным осадкам и наводнениям
Естественный отбор может обратить вспять эволюцию полового отбора