Микроскоп под микроскопом

Увидеть скрытое, обнаружить невидимое, понять, что кроется внутри вещества или материи — человечество проникло в микромир, чтобы сделать привычный мир более управляемым и прогнозируемым.

По оценкам, 80–90 % информации человек получает через зрение. С момента появления первых приборов микроскоп стал продолжением глаз человека в области микромира. Благодаря микроскопии вещи становятся совершеннее, детали — меньше, материалы — сложнее, а сами микроскопы всё меньше напоминают приборы с уроков школьной биологии. В современных лабораториях это прежде всего биологические и медицинские микроскопы, такие как МИКМЕД-5 и МИКМЕД-6.

Первый микроскоп появился более 400 лет назад. Его увеличение составляло около 300×, чего хватало в основном для наблюдения насекомых и крупных деталей. Для современной науки увеличение в 2000× далеко не предел. Сегодня создаются новые материалы — фотонные кристаллы, наноструктуры, квантовые точки; для их исследования требуются принципиально иные подходы и новые типы микроскопов, включая современные цифровые микровизоры.

Сейчас существуют различные классы микроскопов: оптические (световые), электронные и зондовые. У каждого типа своё назначение и свои возможности. Каждый вид микроскопии даёт информацию, которую не даёт другой. В линейке «Микроанализ» оптические решения представлены стереомикроскопами, портативными микроскопами и специализированными системами.

Оптические (световые) микроскопы

Оптические микроскопы знакомы большинству по школьным занятиям. Они работают по тем же базовым принципам, что и наше зрение: для наблюдения необходим свет, который отражается или проходит через объект и затем собирается оптической системой. Для лабораторной микроскопии используются приборы уровня МИКМЕД-5 и МИКМЕД-6.

В человеческом глазе роль объектива выполняет роговица, а роль «второй линзы» — хрусталик. В простейшем случае оптический микроскоп также использует две основные компоненты:

• объектив — формирует увеличенное изображение объекта;
• окуляр — дополнительно увеличивает изображение и проецирует его на сетчатку глаза наблюдателя.

Теоретический предел полезного увеличения оптического микроскопа — порядка 1500–1600×. При попытке «накрутить» увеличение дальше, без роста разрешающей способности, вместо деталей пользователь увидит лишь размытое пятно. Ограничение связано с природой света.

Длина световой волны сопоставима с размерами наблюдаемых объектов микромира. Когда размер объекта становится меньше длины волны, вступают в игру дифракционные эффекты: волна огибает препятствие, и получить чёткое изображение становится невозможно. Поэтому увидеть отдельный атом или молекулу в классическом световом микроскопе нельзя.

В современных оптических системах используются сложные объективы и окуляры, состоящие из нескольких линз с различной кривизной и показателем преломления. Это позволяет:

• наблюдать не только клетки, но и их структуры и органеллы;
• оценивать состояние тканей, динамику процессов, синтез белков и др.;
• получать диагностически значимую информацию для биологии и медицины.

При этом любой, даже самый сложный объектив, остаётся подчинённым фундаментальному ограничению — дифракции света. Именно поэтому оптические микроскопы широко используют там, где важно исследовать живые объекты при относительно щадящем воздействии, а не стремиться к максимальному увеличению во что бы то ни стало. В прикладных задачах часто используются также стереоскопические микроскопы.

Флуоресцентная микроскопия

Если требуется наблюдать не весь объект, а конкретные структуры или молекулы, используют флуоресцентные микроскопы. На образец наносят специальные метки — флуоресцентные красители или метки на основе антител. Для таких задач применяют приборы уровня МИКМЕД-6 ЛЮМ LED.

Образец освещают светом в ультрафиолетовом или синем диапазоне; метки поглощают это излучение и испускают свет с большей длиной волны — возникает люминесценция. В результате «подсвечиваются» только нужные структуры, остальная часть объекта остаётся более тёмной.

Флуоресцентная микроскопия широко используется:

• в клинической диагностике для выявления конкретных типов клеток и возбудителей;
• в научных исследованиях для отслеживания процессов в живых клетках;
• в криминалистике — при проверке подлинности денежных купюр, ценных бумаг и документов.

Сканирующая оптическая микроскопия и телемедицина

Сканирующие оптические микроскопы позволяют получать цифровое изображение всего препарата целиком посредством построчного или точечного сканирования. Результат выводится на компьютер для хранения, анализа и удалённых консультаций. Такой функционал обеспечивают современные сканирующие микровизоры.

Такие системы активно применяются:

• для морфологического и диагностического анализа;
• для количественного и качественного подсчёта элементов;
• в телемедицине, когда специалист и объект исследования территориально разделены.

Пробоподготовка в гистологии

Какой бы совершенной ни была оптика, критическую роль играет качество образца. В гистологии объектом исследования являются ткани живых организмов, и задача пробоподготовки — сделать материал:

• достаточно плотным и стабильным во времени;
• устойчивым к разрушению и порче;
• достаточно тонким для просвечивания светом или электронами.

Типовой путь гистологического образца включает:

1. фиксацию и первичную оценку под макромикроскопом с измерением размеров;
2. отбор участков ткани и их помещение в кассеты;
3. обезвоживание и пропитку парафином в тканевом процессоре;
4. формирование гистологического блока;
5. микронарезку блока на микротоме;
6. удаление парафина, окраску и финальную подготовку препарата.

В сумме весь цикл занимает несколько часов, но именно он обеспечивает стабильное качество изображения и сопоставимость результатов между различными лабораториями.

Электронные микроскопы

В электронных микроскопах вместо света используются сфокусированные потоки электронов. Они сканируют поверхность образца или проходят через него, как электронный луч в кинескопе прочерчивает картинку на экране. Взаимодействие электронов с объектом сопровождается:

• отражением электронов;
• вырыванием вторичных электронов;
• генерацией рентгеновского излучения и других эффектов.

Классическим примером является просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ). Это крупный прибор, который используют в нанотехнологиях и микроэлектронике. Для ПЭМ необходимы ультратонкие образцы толщиной порядка сотен нанометров, что само по себе сложная технологическая задача.

Зондовые микроскопы

Создание нанотранзисторов, сверхтонких дисплеев и новых клейких полимеров во многом стало возможно благодаря зондовым микроскопам. Зондовый микроскоп — это нанотехнологический комплекс, часто включающий несколько микроскопов и вспомогательное оборудование. Для юстировки нередко используется оптический канал, в том числе на базе классических световых микроскопов — стереомикроскопов и МИКМЕД-5.

Принцип работы основан на «ощупывании» поверхности образца чувствительным зондом. Радиус наконечника зонда обычно менее 50 нм. Зонды изготавливают из кремния, графита, вольфрама, драгоценных металлов. Иглы не ломаются, а постепенно стираются — новое исследование требует нового зонда.

Чтобы получить стабильные и воспроизводимые результаты, во многих зондовых системах создают условия сверхвысокого вакуума: это позволяет исключить влияние тонких плёнок окислов и адсорбированных газов на поверхности.

Зондовые микроскопы стали ключевым инструментом наноиндустрии. С их помощью:

• контролируют процессы нанесения и структурирования тонких плёнок;
• восстанавливают и анализируют нанорельеф;
• выполняют точные измерения на наноуровне.

Итоги

Оптические, электронные и зондовые микроскопы сегодня используются во всех областях науки и техники. Открывая тайны малого, они позволяют создавать большое: от новых материалов и электронных устройств до методов диагностики и лечения.

Человек создал микроскоп, чтобы увидеть от насекомого до бактерии, от поверхности материала до его строения на атомном уровне. И чем глубже мы проникаем в микромир, тем сложнее становится микроскоп — инструмент, помогающий совершать открытия и развивать технологии будущего. В решении прикладных задач используются приборы линейки МИКМЕД-5, МИКМЕД-6, а также цифровые микровизоры.

Статья подготовлена по мотивам телепрограммы «Наука 2.0. Большой скачок: Микроскоп под микроскопом».