18新利最新登入光学显微镜的工作原理

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不,这不是一个很酷的绘画,是心肌的显微镜摄影节。塞巴斯蒂安Condrea /盖蒂图片社

自从他们的发明在1500年代末,光学显微镜中增强我们的知识基础生物学,生物医学研究、医学诊断和材料科学。光学显微镜可以1000倍放大对象,揭示微观细节。光学显微镜技术的发展远远超出最初的显微镜罗伯特胡克安东尼·范·列文虎克。特殊的技术和光学已经开发的生活,揭示了结构和生物化学细胞。显微镜甚至已经进入了数字时代,使用电荷耦合器件(ccd)和数码相机捕获图像。然而这些高级显微镜的基本原理很像那些学生显微镜你可能用在第一个上生物课。

在这个版本的18新利最新登入HowStuffWorks,我们将进入小世界的光学显微镜和检查各种技术,让他们暴露否则肉眼不能察觉。

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最基本的

典型的学生光显微镜图,显示部分光路18新利最新登入

光学显微镜的工作原理很像一个折射望远镜,但有一些细微的差别。让我们简要地回顾一个望远镜是如何工作的。18新利最新登入

望远镜必须收集大量的光线昏暗,遥远的对象;因此,它需要一个大的物镜收集尽可能多的光线和明亮的焦点。因为物镜很大,它使物体的形象集中在某个距离,这就是为什么望远镜比显微镜更长的时间。望远镜的目镜放大,它带给你的眼睛的形象。

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相比一个望远镜,显微镜必须收集光从一个小区域的薄,有很好的照明附近的标本。因此,显微镜不需要大的物镜。相反,显微镜的物镜是小球状,这意味着它有一个更短焦距。它集中了物体的图像在一个短的距离在显微镜的管。图像被放大了镜头,被称为接目镜目镜,因为它是你的眼睛。

另一个主要区别望远镜和显微镜,显微镜光源和一个冷凝器。冷凝器是一种透镜系统,主要从源到一个小的光线,标本的亮点,这是同一地区的客观镜头了。

也不像一个望远镜,这有一个固定的物镜和可互换的目镜,显微镜通常有可互换的客观镜头和固定的目镜。通过改变客观镜头(从相对平坦,低放大率目标圆,高倍率目标),显微镜可以带来越来越多的小区域视图——光收集的主要任务不是显微镜的物镜,因为它是一个望远镜的。

我们将详细的观察显微镜在本文后面的部分。

图像质量

形象良好的亮度下的花粉粒(左)和可怜的亮度(右)

当你使用显微镜观察标本,图像的质量是由以下评估:

  • 亮度——18新利最新登入图像有多光明或黑暗?亮度与照明系统和可以改变通过改变灯的电压(变阻器)和调整电容器和隔膜/针孔光阑。亮度也有关数值孔径物镜的数值孔径越大,图像越亮)。
  • 焦点——图像模糊的或明确的吗?重点是相关的焦距并与聚焦旋钮可以控制。幻灯片上的盖玻片标本的厚度也会影响你关注图像的能力,它可以对物镜太厚。正确的保护玻璃厚度是写在物镜的一边。
花粉粒的焦点(左)和失焦(右)
  • 决议——18新利最新登入距离图像中两个点可以在它们不再被视为两个独立的点?分辨率与物镜的数值孔径(数值孔径越高,分辨率越好)和波长的光通过镜头(波长越短,分辨率越好)。
花粉粒具有良好的图像分辨率(左)和可怜的决议(右)
  • 对比——有什么不同照明相邻地区的标本?对比相关的照明系统,可以通过改变调整光线的强度和隔膜/针孔孔径。同时,化学污渍应用于标本可以增强对比度。
花粉粒具有良好的形象对比(左)和可怜的对比(右)

在下一节中,我们将讨论不同类型的显微镜。

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类型的显微镜

相差显微镜的光路

在显微镜下观察标本的一个严重问题是,他们没有太多的对比图片。特别是生物(如细胞),虽然天然色素,如绿色的叶子,可以提供良好的对比。以提高对比度的方法之一是将试样用彩色颜料或染料,绑定到特定结构内的标本。不同类型的显微镜开发提高样本的对比。专门化主要照明系统中,光通过样品的类型。例如,暗视野显微镜使用一个特殊的电容器来阻挡大部分的阳光照亮了标本和斜的光线,就像月亮的光太阳在一个日食。这光设置提供了一个完全黑暗的背景和增强图像的对比,细节,明亮的区域边界内的标本。

这里有各种类型的光学显微镜技术:

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  • Brightfield——这是基本的显微镜配置(图片见过到目前为止都来自brightfield显微镜)。这种技术已经很少对比;的照片你见过到目前为止,大部分的对比提供了通过染色标本。
  • 暗视野——这个配置增强对比度,如上所述。看到分子表达:暗视野显微镜对细节和例子。
  • Rheinberg照明——此设置类似于暗视野,但使用一系列的过滤器来产生“光染色”的标本。看到分子表达:Rheinberg照明细节和例子。

以下技术Rheinberg照明使用相同的基本原理,通过使用不同的光学组件实现不同的结果。的基本思想是把光束分成两条途径,照亮了标本。光波通过致密结构内的标本相比慢下来,通过密度较低的结构。所有的光波进行收集和传播目镜,重组,所以他们影响彼此。干预模式提供了对比:他们可能显示黑暗区域(更稠密)光背景(密度较低),或者创建一个类型的假三维(3 d)的形18新利最新登入象。

  • 相衬——该技术最适合看活的标本,如培养细胞。
在相差显微镜下,环状的物镜和冷凝器分离光。的光通过光路的中心部分是重组的光环绕着外围的标本。这两条路径产生的干扰产生图像的密度比背景结构显得更黑。看到分子表达:相差显微镜对细节和例子。
相衬显微镜的图像从老鼠大脑的神经胶质细胞培养
礼貌特里萨·m·Freudenrich照片
  • 微分干涉对比(DIC)——DIC使用偏振过滤器和棱镜来分离和重组光路径,让3 d外观标本(DIC也被称为Nomarski后的人发明了)。看到分子表达:微分干涉对比显微镜的细节和例子。
  • 霍夫曼调制对比度-霍夫曼调制对比度DIC类似,除了它使用盘子小缝在轴和离轴光路产生两组的光波通过标本。再一次,形成三维图像。看到分子表达:霍夫曼调制对比度显微镜对细节和例子。
  • 极化偏振光显微镜使用两个偏振器,一个标本的两侧,定位互相垂直,因此只有光通过样品到达目镜。光偏振在一架飞机穿过第一个过滤器,达到标本。均匀间隔的,图案或结晶部分标本的光经过旋转。其中一些旋转光穿过第二偏振滤光镜,所以这些定期间隔区域出现明亮的黑色背景。18新利最新登入看到分子表达式:介绍偏振光显微镜细节和例子。
  • 荧光——这种类型的显微镜使用高能短波长光(通常是紫外线)激活电子在某些分子在一个标本,导致这些电子转向更高的轨道。当他们回到原来的能级,它们发出的低,——光(通常是在可见光谱),形成图像。

在下一节中,我们将讨论荧光显微镜进行更详细的。

荧光显微镜

数字化显微镜的光路

荧光显微镜使用汞或氙灯产生紫外线。光显微镜和打击二向色镜一面镜子,反映出一个波长范围和允许通过另一个范围。二向色镜反映了紫外线的标本。紫外线激发荧光分子内的标本。物镜收集fluorescent-wavelength光。这个荧光通过二向色镜和一个吸收滤光片(消除波长以外的荧光),使目镜形成图像。

样品中的荧光分子可以自然发生或。例如,您可以用染料染色的细胞钙黄绿素/ AM。就其本身而言,这种染料荧光。的是部分分子隐藏部分结合钙的钙黄绿素分子,这是荧光。当你混合解决方案洗澡的钙黄绿素/ AM细胞,染料跨越进入细胞。活细胞有删除是部分,陷阱细胞内的钙黄绿素和允许钙黄绿素结合钙,这样它会发出荧光绿色在紫外线照射下。死细胞不再有这种酶。因此,活细胞将发出荧光绿、死细胞不会发出荧光。你可以看到死去的细胞在相同的样品如果你在另一个名为propidium碘的染料混合,只有穿透死细胞。Propidium碘结合DNA核和红在紫外线照射下。这个double-dye技术用于毒理学研究来确定细胞的百分比人口死亡处理一些环境化学、农药等。

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培养老鼠大脑细胞的荧光图像。活细胞染色剂与钙黄绿素(左)和死细胞染色与propidium碘(右)。
礼貌特里萨·m·Freudenrich照片
培养老鼠大脑细胞的荧光图像。活细胞染色剂与钙黄绿素(左)和死细胞染色与propidium碘(右)。
礼貌特里萨·m·Freudenrich照片

荧光显微法技术用于看到结构和测量在活细胞生理生化活动。各种荧光指标可用于研究许多生理上重要的化学物质如DNA,钙、镁、钠、pH值和酶。此外,抗体特定于各种生物分子化学绑定到荧光分子和用于染色细胞内的特定结构。看到分子表达:荧光显微镜对细节和更多的例子。

在下一节中,我们将研究光学显微镜的组成部分及其功能。

光学显微镜的部分

光学显微镜,无论是一个简单的学生显微镜显微镜或一个复杂的研究,有以下基本的系统:

  • 标本控制——持有和操纵标本阶段的标本剪辑——用于保存标本仍然在舞台上(因为你看着一个放大的图像,即使是最小的标本可以移动部件的运动图像从你的视野)。显微操纵器——设备,允许您移动控制的标本,增量沿着x和y轴(用于扫描一张幻灯片)
  • 照明——阐明标本(最简单的照明系统是一面镜子,反映了空间光通过样品)。产生光(灯通常是钨灯丝灯泡。对于专业应用程序,汞或氙气灯可用于产生紫外线。甚至一些显微镜使用激光扫描标本)。变阻器——改变当前应用于灯控制光的强度冷凝器——相吻合的透镜系统和集中的光灯到标本横隔膜针孔光阑——放置在光路来改变光的数量达到了冷凝器(增强对比度的图像)典型的学生光显微镜图,显示部分光路18新利最新登入
  • 镜头——形成图像物镜——收集标本的光目镜——传输和物镜的放大图像到你的眼睛鼻甲——旋转挂载,拥有许多客观的镜头——保存在适当的距离物镜和目镜块杂散光
  • 焦点——位置在适当的距离物镜标本coarse-focus旋钮-用于将对象进入物镜的焦平面细焦点旋钮——用于精细调整焦点的图像
  • 支持和对齐手臂——弯曲的部分,所有的光学零件在一个固定的距离和对齐基地——支持所有的显微镜部件的重量是连接到手臂显微镜的方法齿条和小齿轮。这个系统允许你关注图像时改变镜头或观察员和移动镜头离阶段改变标本。

上面提到的一些部分在图中没有显示和显微镜之间有所不同。18新利最新登入显微镜有两种基本配置:正直和反向。图中所示的显微镜是一个18新利最新登入正直的显微镜舞台下的照明系统和透镜系统在舞台之上。一个倒置显微镜舞台上方的照明系统和透镜系统以下阶段。倒置显微镜更适合通过厚的标本,如培养细胞的菜肴,因为镜片可以接近底部的菜,细胞生长的地方。

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光学显微镜可以揭示活细胞和组织的结构,以及岩石和半导体等非生物样本。显微镜可以是简单或复杂的设计,和一些可以做超过一种类型的显微镜,都揭示了稍微不同的信息。18luck手机登录光学显微镜大大先进的生物医学知识和科学家仍然是一个强大的工具。

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