Рисунок микроскопа светового: Строение микроскопа для учеников 5 класса в рисунках и картинках

Обзор Электронные микроскопы, устройство, строение, виды

Электронные микроскопы

Как известно, для создания изображений световой микроскоп использует поток фотонов, проходящих через образец и собирающийся системой линз. В отличие от светового микроскопа электронный для этого использует пучок ускоренных электронов. Такой пучок создаётся системой электромагнитов из электронов, выходящих из металла вследствие его высокотемпературного нагрева. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе используются электромагнитные поля. Хотя электроны и фотоны имеют свойства как волны, так и частицы, их длины волн различаются примерно в 1000 раз. Длина волны электрона в пучке намного короче, чем у фотона. Поэтому разрешающая способность и увеличение электронного микроскопа намного выше, чем у обычного светового. Это позволяет электронным микроскопам «увидеть» структуры объектов размером около 10^-12 м (1 пикометр).

С тех пор как был разработан первый электронный микроскоп прошло уже почти 100 лет, и современные модели способны давать увеличение до 50 млн крат, однако они все ещё работают по тому же принципу, что и 100 лет назад, и имеют связь между длиной волны электрона и разрешением.

Электронные микроскопы имеют несколько ключевых особенностей в сравнении со световыми «коллегами»:

·         цена изготовления и обслуживании очень высока;

·         должны быть размещены в специальных помещениях, с отсутствием какого-либо магнитного поля;

·         объекты исследования должны находиться в вакууме;

·         в качестве объектов исследования нельзя использовать магнитные образцы;

·         в качестве объектов исследования нельзя использовать мелкодисперсные порошки, которые могут повредить насос, создающий вакуум;

·         образцы, не проводящие ток, перед исследованием подвергают специальной обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя токопроводящего материала.

Электронные микроскопы делятся на 2 основных типа:

1. Просвечивающий (трансмиссионный)

Используется для исследования образцов, через которые могут проходить электроны. Поэтому образцы должны быть тонкими (менее 100 нанометров (10^-9 м)). Изображение создается в результате прохождения пучка электронов через образец и их взаимодействия. Современные трансмиссионные электронные микроскопы могут достичь разрешения в 50*10^-12 м (50 пикометров) с увеличением, более чем в 50 млн крат.

2. Растровый (сканирующий)

Создаёт изображения поверхности образца, при отражении от неё пучка электронов. Также от такого взаимодействия можно получить представление о составе образца. Поскольку эти микроскопы отображают только внешнюю часть образца, они обеспечивают более низкое разрешение изображения, чем просвечивающие. Однако по сравнению со световыми микроскопами, они могут обеспечить высокое качество трехмерных изображений поверхности образца.

3. Электронный цифровой микроскоп.

Оптический микроскоп, объектив которого соединен с электронной системой оцифровки изображения и вывода его на экран или программное обеспечение компьютера. Такой прибор не имеет привычных окуляров и производит прямую передачу изображения на дисплей.

Ознакомиться с ценами и купить электронные цифровые микроскопы можно в разделах: 
» Микроскопы для пайки и ремонта электроники »  
и
» Цифровые микроскопы и сканеры »
 каталога товаров.

Обзор 10 видов лучших микроскопов

Микроскоп – не только прибор профессионального назначения, но и способ привлечения к науке детей и подростков. Существуют определенные различия в богатом ассортименте приборов.

Устройство и принцип работы

Устройство:

Конструкция состоит из тубуса – полой трубки, где оборудуется окуляр (система линз). Когда он снимается, то регулируется увеличение. Прибор оснащается насадками для одного (монокулярная) или двух глаз (бинокулярная) либо двойной линзой с камерой для съемки.

Перед рассматриваемым объектом располагается объектив. Он бывает двух типов: сухой и иммерсионный. Увеличение осуществляется специальным механизмом – револьверной насадкой (дорогие модели). Простые модели требуют ручной смены объективов.

Исследуемый элемент размещается на предметном столике. Чтобы переместить объект по вертикали используется винт регулировки. Освещенность настраивается конденсатором. Некоторые модели оборудованы подсветкой (электрическая или зеркальная).

Принцип работы:

• Исследуемый объект кладется на предметное стекло, сверху покрывается тонкой стеклянной пластинкой.
• Свет концентрируется третьей системой линз – конденсатором, который крепится держателем. Ниже находится осветительное зеркало, которое передает свет от лампы.
• Изображение сохраняется, если микроскоп оборудован камерой.

Принцип работы электронного микроскопа основан на изображении пучка заряженных частиц энергии. Они контролируются магнитными линзами, которые задают движение электронов.

Одна часть рассеивается, вторая – проходит через объект. Информация поступает от зарядов и подается на экран.

Назначение и функции:

Основное предназначение заключается в получении увеличенных изображений, измерении предметов, видимых или невидимых глазом.

Основные задачи:

• Редактирование схем.
• Анализы дефектов.
• Мониторинг.
• Подготовка материалов.
• Тестирование.
• Снятие микрохарактеристик.

Область применения микроскопов безмерна широка: метрология, криобиология, токсикология, вирусология, нанометрология, химия, биология, судебная экспертиза.

Функции микроскопов

• Создание светового потока.
• Воспроизведение увеличения оптического образа.
• Визуализация изображения.

Как выбрать микроскоп

Важные параметры:

Тип конструкции

Материал изготовления прибора говорит о надежности и долговечности изделия.

Лучшими характеристиками отличается металлический сплав. Его структура снижает вибрацию, а при температурных изменениях колебания отсутствуют.

Пластиковый корпус уступает металлическому по прочности.

Оптика

Важнейший параметр – обустройство качественного фокуса.

Стандартными линзами считаются DIN или JIN. Эти модели есть в розничной продаже, их легко заменить при поломке.

Линзы дают светокоррекцию.

Чем их количество больше, тем лучше передаются цвета, особенно на больших расстояниях. Пластиковые варианты, которыми оборудуются детские микроскопы, дают нечеткое и размытое изображение.

Окуляры

Линзы, расположенные ближе к глазу. Характеризуются широким полем зрения, что дает большее изображение. Глазам легче фокусироваться на объекте. Минимальный допустимый диаметр линз окуляра составляет 18 мм.

Подсветка

• Лампа накаливания. Самая простая и недорогая.
• Флуоресцентное освещение. Стеклянная колба, заполненная газом. Стоимость дороже, но работает дольше.
• LED-лампы. Относятся к профессиональным устройствам, экономны, эффективны.
• Галогеновые лампы. Мощный поток белого света гарантируют яркое освещение при любых условиях.

Фокус

Грубая фокусировка состоит из одного регулятора, который двигает предмет через фокальную плоскость линзы. Чтобы увидеть изображение, регулятор поворачивается, но сделать это сложно.

При точной фокусировке объект увеличивается в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Второстепенные параметры:

• Сменные окуляры. Замена механизма происходит быстро, что ограничивает попадание пыли, так как очистить эти места сложно.
• Набор для опытов. Если комплектация включает готовые образцы, то к работе можно приступить сразу после приобретения микроскопа. Это удобно, но не играет роли при выборе подходящего устройства.
• Цифровой экран. Такое приспособление подходит как способ демонстрации процесса, так как действия видны на дисплее. Но стоимость значительно возрастает, практически все модели подключаются к внешним мониторам.

Какой должен быть хороший микроскоп:

Важное требование к качественному изделию – бинокулярная или тринокулярная насадка. Два окуляра позволяют смотреть двумя глазами, не оказывают нагрузку для глаз при продолжительной эксплуатации.

Тринокулярный механизм включает в себя дополнительную трубку для установки камеры, поэтому одновременно проводится наблюдение, фото или видеосъемка.

Характеристики

• Ирисовая диафрагма.
• Держатель фильтра
• Увеличение до 2000 раз.
• Предметный столик с препаратодержателем.
• Мощная подсветка (нижняя, верхняя).
• Точная, грубая фокусировка.
• Адаптер переменного тока.
• Регулируемое межзрачковое расстояние.

Плюсы:

• Встроенный экран.
• Качественная оптика.
• Работа от сети и автономная.
• Диоптрийная коррекция зрения.
• Эргономичная конструкция штатива.
• Комплектация набором для исследований.
• Запись фото, видеофайлов с выводом на компьютер.
• Оптическая схема микроскопа рассчитана на бесконечность.

Минусы:

• Высокая стоимость.
• Тяжелый вес или объем.

Лучший микроскоп для пайки

Приспособление для точных работ, пайки, монтажа электронных карт, микросхем. При ремонте и восстановлении электронных приборов, возникает необходимость пайки мелких деталей. Большинство случаев подразумевает поиск микротрещин материнских плат.

Устройство оборудовано фокусировкой вручную, плавным изменением степени увеличения, подсветкой.

С помощью программ измеряются углы, расстояния, площади, радиусы при увеличении до микрометра.
Рейтинг:

• Konus Crystal PRO 7-45X Stereo – самый многофункциональный. Тринокулярный прибор предназначен для пайки, ювелирных мастерских, зубных лабораторий.

Бинокулярная и стереоскопическая насадка дополняют возможности изделия. Расстояние, диоптрии настраиваются, регулируется галогеновое освещение.

• Andonstar A 1 – самый продуктивный. Увеличение достигает 500х путем изменения расстояния до рассматриваемого предмета. Отличительной чертой считается невысокая стоимость.

Комплектация включает насадку с зеркалом, подсветка регулируется. При необходимости подключается к компьютеру, что удобно и эффективно.

• Bresser Advance ICD – самый профессиональный. Большая поверхность предоставляет место для беспрепятственного проведения сборочных операций, исследования объектов до 40 мм высотой.

Головка микроскопа вращается на 360 градусов, поэтому он используется для наблюдения несколькими пользователями без перемещения в пространстве.

Характеристики:

• Камера 2,0 мпикс.
• Увеличение до 200х.
• Ручная фокусировка до 500 мм.
• Освещение 8 светодиодов.
• Источник питания компьютер.

Плюсы:

• Маленький вес.
• Регулируемое увеличение.
• Подсветка ремонтируемого объекта.
• Доступный ремонт.
• Настраиваемая резкость.

Минусы:

Лучший бинокулярный микроскоп

Рейтинг:

• Levenhuk 2ST – сверхточный. Большое рабочее расстояние 60 мм, увеличение 40х. Исследованию подлежат плоские микропрепараты, тонкие срезы, крупные предметы.

Оптическая система изготовлена из специального прозрачного стекла, которое передает качественную реалистичную картинку.

Резкость регулируется специальным колесиком.

• Микромед 2 вар. 2-20 – самый освещенный. Яркость подсветки регулируется, прибор оснащен галогеновой лампой. В основе работы лежит метод проходящего света светлого и темного поля, фазового контраста.

Исследуемые объекты – окрашенные и неокрашенные срезы, мазки. Микроскоп используется для медицины, биологии, химии. С помощью прибора проводятся диагностические исследования в больницах, клиниках, высших учебных заведениях.

Изображение выводится на экран компьютера или ноутбука при подключении видеоокуляра.

• OptikaM B -157 – самый надежный. Модель включает высококачественную оптику, прочные механические детали, простую настройку, эксплуатацию. Прибор подходит для обучения естественным наукам.

Корпус эргономичный, изготавливается из литого металла под давлением. Объективы ахроматические, покрыты противогрибковым составом.

Особое удобство при использовании оборудования – это наблюдение двумя глазами. Опция распределяет нагрузку равномерно, снижает дискомфорт при длительной работе. Популярностью пользуются модели для лабораторий.

Характеристики:

• Диаметр трубки 30,5 мм.
• Диапазон увеличение до 600х.
• Подсветка белым светодиодом.
• Подключение дополнительной техники.

Плюсы:

• Высокое качество.
• Механизмы грубой и точной настройки.
• Большой предметный столик.
• Контрастное изображение.
• Вращающаяся бинокулярная насадка на 360 градусов.
• Регулируемое межзрачковое расстояние.
• Подсветка естественная.

Минусы:

• Отсутствие подсветки (некоторые модели).
• Вертикальное положение окуляров.

Лучший микроскоп для ребенка

Рейтинг:

• Микромед Эврика 40х-1280х . Прибор предназначается для учебных и лабораторных работ в области биологии в школе, лицее или другом учебном заведении.Универсальное питание системы освещения (адаптер и три батарейки) допускает использование дома.

Объективами 4х, 10× изучаются непрозрачные плоские элементы. Камера 2мп выводит изображение на экран компьютера.

• MP -450 – самый доступный. Микроскоп двойного действия, используется освещение солнечного света при зеркале вверх, при изменении положения поступает освещение от лампы.

Комплектация включает 4 предметных стекла с подготовленными препаратами. Исследуемый объект – биологические материалы в виде срезов и мазков. Комплектация включает линзу Барлоу, которая изменяет кратность увеличения.

• Levenhuk LabZZ M 101 Lime >– самый стильный. Микроскоп изготавливается в ярких, привлекательных цветах. Оптика соответствует уровню традиционных моделей.

Стандартный набор включает 4 дополнительных предметных стекла со стикерами для маркировки. Комплектация включает все необходимые материалы для проведения исследований. Выдвижной окуляр не требует замены, поэтому риск потерять стекла не возникает.

Для исключения усталости трубка наклонена на 45 градусов. Образец располагается на круглом предметном столике, фиксируется плотно зажимами.

Приборы характеризуются средней мощностью. Они оказывают помощь в изучении ботаники, зоологии, биологии, химии, физики. Объекты микромира рассматриваются на мониторе, так как цифровые устройства подключаются через USB к компьютеру, ноутбукуили планшету.

Приборы просты в использовании.

Характеристики:

• Питание – сеть, батарейки.
• Фокусировка грубая.
• Яркость регулируется.
• Количество объективов 3.
• Выдвижной окуляр.
• Увеличение до 640×.
• Предметный столик 90×90.
• Поддержка программного обеспечения.
• Сенсорная камера.
• Разрешение 1600×1200.

Плюсы:

• Низкое энергопотребление.
• Набор для опытов.
• Ребенок погружается в увлекательный мир науки.
• Компактные размеры.
• Быстрое включение.
• Легкие, но прочные приборы.
• Продолжительная автономная работа (около 20000 часов).

Минусы:

• Небольшое увеличение.
• Оптические элементы из пластика.

Лучший инструментальный микроскоп

Рейтинг:

• МБС-12 – самый плавный. Используется при исследованиях ботаники, биологии, минералогии, ювелирной промышленности. Увеличение происходит плавно, без рывков, до 102×. Картинка сохраняется на всех этапах работы.

Рабочая поверхность 79 мм подходит для изучения крупных объектов. Диоптрии настраиваются.

• Биологический микроскоп БИОЛАМ М-1 – самый многофункциональный. С помощью устройства проводятся исследования препаратов из области металлографии и микроэлектроники.

Изучение происходит в отраженном, поляризованном освещении методом светлого и темного поля. Увеличение до 1000 крат.

• Bresser Science MTL – 201 – самый профессиональный. Основное назначение прибора – металлографический микроскоп. Незаменим в исследованиях минералогической, электронной и точной инженерной сфере.

Среди главных преимуществ: большой предметный столик с регулируемыми осями, ручки грубой и точной настройки, комбинация поляризатора и анализатора.

Предназначение изделия – наблюдение за относительно крупными предметами. Это бабочки, насекомые, кристаллы, ювелирные изделия, мелкие часовые механизмы. Увеличение в сто раз. Объем образуется за счет отдельных оптических систем для каждого глаза.

Стереомикроскопы применяются специалистами для получения максимально объемного и четкого изображения объекта. Операции с элементами проводятся прямо на предметном столике без покровного стекла.

Изделия стационарные, оснащаются системой крепления.

Характеристики:

• Галогенная подсветка.
• Тринокулярная насадка.
• Предметный стол с нониусной шкалой.
• Угол наклона 30 градусов.
• Количество объективов 5.
• Источник питания сеть.

Плюсы:

• Регулировка освещения.
• Удобный разворот для пользователя.
• Возможность видеозаписи, фотосъемки.
• Коррекция диоптрий, межзрачкового расстояния.
• Качественное, яркое изображение.

Минусы:

• Высокая стоимость.
• Большие габариты.

Лучший лазерный микроскоп

Рейтинг:

• 3D микроскоп NS -3000 – высокоскоростной. Прибор предназначен для точного измерения объектов, построения изображений в пространстве.

Быстродействующий сканирующий модуль и программные алгоритмы формируют картинку в режиме реального времени.

С помощью механизма проверяются, измеряются миниатюрные 3D-структуры (полупроводниковые пластины, плоские панели для дисплеев, стеклянные подложки).

Управление микроскопом с регулировкой параметров под силу даже новичку, главная панель управления и изображение находятся в одном окне программы.

• K 1-Fluo – самый производительный.

Микроскоп применяется в области биологии и медицины, отличается превосходным качеством изображения из-за оптических компонентов, высокочувствительного детектора, стабильного многоволнового диодного лазера.

Оптика и механизм объединяются с любым другим типом микроскопа. Интерфейс располагает простым и понятным управлением.

Программное обеспечение включает режимы сканирования, трехмерное изображение, мульти-канальное детектирование, изображение сечения, временные серии.

• Nanofinder S – 3D – самый универсальный.

Предназначение прибора – исследования в нанолабороториях при анализах полупроводников, жидких кристаллов, оптических световодов, полимеров, фармацевтических, биологических веществ, одиночных молекул.

Преимуществом работы является выбор лазеров, автоматизированная структура.

Приборы увеличивают изображения исследуемых объектов за счет образцов дифракции, которые образуются в результате взрыва частиц фотонами лазерного луча.

Живые ткани рассматриваются вглубь на 1 мм посредством флюоресценции (физического процесса, разновидности люминесценции). Собирается лазер системой обычных и полупрозрачных зеркал.

Применяются устройства в лабораториях, для домашнего использования не подходят из-за сложности принципа работы.

Характеристики:

• Увеличение до 100x.
• Диапазон измерений высоты – 70 мм.
• Высокочувствительный сенсор.
• Количество детекторов до 4.
• Разрешение сканирования 2048×2048.
• Электронное управление.

Плюсы:

• Наглядное, яркое изображение.
• Оптическое высокое разрешение.
• Построение конфокального изображения в реальном времени.
• Автофокусировка, подбор увеличения.
• Простой режим анализа.
• Ткань, исследуемая лазерными фотонами, практически не разрушается.
• Обеспечивается высокое пространственное разрешение.

Минусы:

• Требуются дорогие оптические ресурсы.
• Луч поглощается водой тканей.

Лучший демонстрационный микроскоп

Рейтинг:

• Celestron – самый современный. Инновационная конструкция включает дисплей вместо традиционного окуляра. Просмотр изображения удобен для одного человека или группы.

Предметы исследования – части растений, животных, волокна тканей, бактерии, плесень, дрожжи.

• МЕТАМ ЛВ 32 – самый точный. Применяется при исследованиях микроструктур металла, сплава, непрозрачных объектов в отраженном свете (светлое, темное поле) и поляризованном свете.

Отличительные элементы микроскопа – новые объективы без хроматической окраски контуров, широкоугольные окуляры. Растровая осветительная система повышает равномерную освещенность объекта.

Область применения – металлургические, машиностроительные предприятия.

• Bresser LCD 50x–2000x – самый защищенный. Модель характеризуется высокой оптикой и богатой комплектацией.

Подходит для демонстрации, обучения школьников и студентов, профессиональных исследований нумизматики, филателии и других мелких работ. Микроскоп защищен сетевым адаптером от перепадов напряжения.

Размер экрана позволяет проводить исследования без подключения к другому монитору. Изображение увеличивается, фиксируется фото, видеосъемка.

Устройство оборудовано жидкокристаллическим монитором для наблюдения или исследования объектов группой пользователей (школьников, студентов, ученых или других специалистов). Демонстрационный микроскоп используется в учебном процессе.

Характеристики:

• Окуляры 10х22,5 мм.
• Перемещение столика 40 продольно, 130 поперечно.
• Максимальная нагрузка 3 кг.
• Увеличение 1500-2000х.
• Цифровая камера 5 мегапикселей.
• Светодиодная подсветка.
• Подключение USB.

Плюсы:

• Сохранение изображения.
• Дисплей жидкокристаллический.
• Четкая цветопередача.
• Изучение прозрачных, непрозрачных материалов.

Минусы:

• Высокая стоимость.
• Небольшой ассортимент.

Лучший поляризационный микроскоп

Особенность технологии заключается в наблюдении на сером или темном фоне. Рассматриваемое изображение выглядит четким и контрастным.

Модели применяются для медицинских, промышленных целей (обнаружение волокон, кристаллов, проверка полупроводников, точки напряжения).

Характеристики

• Допустимый вес до 15 кг.
• Увеличение 2000 крат.
• Число объективов 5.

Плюсы  

• Современный дизайн.
• Доступные рукоятки управления.
• Объектив без необходимости фокусировки.

Минусы

• Отсутствует подключение к ПК.

Рейтинг лучших моделей

• Микромед ПОЛАР 3 – самый удобный. Приспособление осуществляет исследования прозрачных и непрозрачных предметов в поляризованном или обыкновенном проходящем свете. Поляризатор вращается на 360 градусов, а анализатор – на 90.

Предметный стол круглый, вращается, углы фиксируются. Система линз Бертрана. Изображение фотографируется.

• Bresser Science ADL-601P – самый оснащенный. Отличием модели считается тринокулярная насадка под углом 30 градусов, что позволяет изучать и фиксировать объекты одновременно результаты исследований.

Освещение регулируется для конкретных потребностей эксперимента.

• Nikon Eclipse E200 POL – самый бесконечный. Особенностью этой модели считается новая оптическая система CFI60, которая включает бесконечное построение изображения с парфокальным расстоянием 60 мм.

Это гарантирует четкую, яркую картинку при большом рабочем расстоянии и числовых апертурах. В процессе используются специальные объективы для наблюдений в проходящем поляризованном свете.

Лучший технический микроскоп

Приборы необходимы специалистам при выполнении мелких, точных ремонтных работ, включая пайку, нарезание дорожек на печатных платах, поиск микротрещин, короткого замыкания, контроля качества работы.

Микроскопы используют любые методы исследования – фазовый контраст, поляризация, флуоресценция, темное поле.

Характеристики

• Увеличение 300 крат.
• Камера 5 пикселей.
• Объектив линза высокого качества.
• Окуляры 2 (15, 10х).

Плюсы

• Плавная регулировка яркости освещения.
• Совместимость с компьютерными программами.
• Антигрибковое покрытие.
• Широкое поле обзора.
• Документирование результатов.
• Профессиональный штатив.

Минусы

• Крепление штатива некоторых моделей шаткое.
• Ошибки совместимости программного обеспечения.

Рейтинг лучших моделей

• USB-микроскоп DigiMicro Prof – самый профессиональный. Встроенная камера передает ясное, четкое увеличенное изображение, которое захватывает мельчайшие детали.

Фото и видео передается на компьютер через USB-подключение, используется изделие как со штативом, так и без. Опции измеряют расстояние, площади, углы, радиусы.

• Eclipse Е200F/Е200F LED – самый высокоинтенсивный. Прибор оснащается линзой Fly-Eye, которая гарантирует равномерную яркость во всей области работы. Цветовая температура остается постоянной при любой степени увеличения.

Рабочее расстояние 60 мм открывает доступ к огромному количеству исследуемых материалов.

• USB микроскоп Supereyes B011 – самый длиннофокусный. Технические работы легко осуществляются при помощи этой модели, так как рабочее расстояние между исследуемым предметом и линзой превосходит по значению любые виды микроскопов.

При этом выполняется операции высокой точности, без искажений по всему пространству объекта с 500-кратным увеличением. Все данные передаются, сохраняются на компьютере.

Лучший школьный микроскоп с подсветкой

Изделия делятся на простые оптические и сложные цифровые. В школе распространены простые устройства, не требующие предварительной подготовки. Они эффективны, удобны, оборудованы специальными ограничителями, пружинистыми оправами.

Характеристики

• Угол наклона 45 градусов.
• Увеличение 400 крат.
• Количество объективов 3.
• Увеличение камерой до 2000 раз.
• Грубая, точная очистка.
• Предметный столик 90×90.

Плюсы

• Лапки-держатели предметного столика.
• Двойная подсветка сверху и снизу.
• Светодиодная, галогеновая подсветка.
• Простое применение.
• Широкопольный окуляр.
• Оптика высококачественная.
• Набор для опытов.

Минусы

• Небольшое увеличение.

Рейтинг лучших моделей

• Levenhuk Rainbow 2L – самый стильный. Яркий, разноцветный прибор, укомплектованный необходимым набором для разведения микроскопических рачков. Увеличение до 400×.

С помощью двойной подсветки изучаются прозрачные и непрозрачные объекты.

Прочный пластиковый корпус делает приспособление легким. Оснащение цифровой камерой 0,3 мпикс сохранит фото и видео процесса исследования.

• Motic SFC-100FL – самый классический. Предназначение устройства – проведение анатомических, геологических опытов. Увеличение предмета происходит вращением револьверной головки. Диффузор служит снижению яркости освещения.
• Celestron – самый демократичный. Двойная подсветка для изучения прозрачных, непрозрачных элементов. Наблюдения проводятся в режиме реального времени через окуляр или с экрана компьютера благодаря цифровой камере.

Лучший цифровой микроскоп

К этой группе относятся функциональные дорогие приборы. Они передают изображение на монитор компьютера, дополнительно подключается фотоаппарат, видеокамера. Картинки сохраняются на цифровом носителе, где они корректируются.

Современные оптические приборы, незаменимые для специалистов во всех областях науки. Благодаря приспособлениям проводится детальнейший анализ материала, микроскопических элементов.

Применение – медицина, химия, биология, электроника, материаловедение.

Характеристики

• Увеличение до 2000×.
• Предметный стол 140×155 мм.
• Насадка поворачивается на 360 градусов.
• Разрешение 1280×1024.
• Увеличение до 650х.
• Число объективов 4.

Плюсы

• Надежная конструкция. Простая настройка.
• Технологичное, функциональное оборудование.
• Компактные изделия.
• Низкое энергопотребление.
• Широкое поле зрения.
• Низкая нагрузка на глаза.

Минусы

Рейтинг лучших моделей

• Levenhuk D870T – самый практичный.  Цифровой тринокуляр подходит для занятий научными исследованиями в области медицины, биологии, криминалистики, а также ювелирными работами.

Камера 8 мпикс проводит визуальные наблюдения, делает снимки.

• EULER Computer 60DC – самый мобильный. Исследование микромира посредством камеры-окуляра, который захватывает видео, сохраняет фото и видео. Комплектация включает готовые препараты, красочное руководство.

Замеры осуществляются с точностью до 1 мм. Мобильность устройства гарантируется питанием от сети или батареек.

• Dr Mike – самый уникальный и презентабельный. Внешний вид микроскопа поражает оригинальностью и стилем. Технические характеристики также на достойном уровне. Богатая комплектация дополняет возможности прибора.

Световые микроскопы и их виды

Световой микроскоп – это оптический прибор, позволяющий получить увеличенное изображение трудноразличимых невооруженным глазом или вообще невидимых объектов (либо деталей их структуры). В общем случае микроскоп состоит из штатива, предметного столика и подвижного тубуса с окуляром и объективом. Современные приборы оснащаются также специальной осветительной системой.

Микроскопы широко используются в самых разных отраслях промышленности, в области образования и науки, для проведения экспертиз. В зависимости от своего предназначения и конструктивных особенностей световые микроскопы подразделяются на металлографические, биологические, криминалистические, люминесцентные, поляризационные, инвертированные, стереомикроскопы и моновидеомикроскопы.

Биологические микроскопы

Наиболее знакомы обывателю биологические микроскопы. Их также называют лабораторными, медицинскими, микроскопами проходящего света и плоского поля. Их предназначение – изучение прозрачных и полупрозрачных объектов. Лабораторные микроскопы особенно широко применяются в различных областях биологии (ботанике, микробиологии, цитологии) и медицины, а также – в археологии, микроэлектронике, пищевой промышленности, геологии и т. д. Подобные устройства могут оснащаться или дополнительно комплектоваться специальными аксессуарами, насадками, светофильтрами, наборами объективов и окуляров, цифровыми фото- и видеокамерами.

Люминесцентные микроскопы

При работе люминесцентных микроскопов используются свойства флюоресцентного излучения, то есть способность некоторых объектов и красителей испускать свечение при облучении их ультрафиолетом или другими коротковолновыми лучами света.

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. В современных люминесцентных микроскопах применяются специальные флюоресцирующие или ферментные метки, за счет чего удалось существенно уменьшить размеры оборудования. Подобные приборы особенно эффективны при исследованиях крови, клеток костного мозга, антигенных анализах.

Стереомикроскопы

Стереомикроскопы позволяют получать объемное изображение исследуемого объекта за счет наличия у него не одного, а сразу двух объективов, расположенных под углом. Стереомикроскопы обладают существенно большей глубиной резкости по сравнению с обычными микроскопами плоского поля. За счет наличия таких свойств подобные устройства могут эффективно использоваться в ряде областей промышленности, к примеру – в ювелирном деле. Помимо стандартных стереомикроскопов, получили распространение и цифровые модели.

Криминалистические микроскопы 

Криминалистические микроскопы предназначены для одновременного сравнительного анализа двух объектов. Подобные экспертизы позволяют выявить идентичность таких предметов, как волосы, гильзы, пули, волокна, нитки, ткани и пр. Для исключения возможных ошибок сегодня широко применяется дополнительное цифровое оборудование и программное обеспечение. Криминалистические микроскопы могут использоваться в комплексе с фото- и видеокамерами и персональными компьютерами.

Металлографические микроскопы

Металлографические микроскопы предназначены для изучения структуры поверхности непрозрачных материалов, в первую очередь металлов и сплавов. Подобные исследования производятся в отраженном свете. Для получения желаемого эффекта используются специальные системы линз и зеркал. Металлографические микроскопы по своей конструкции могут быть прямыми или инвертированными, а также портативными. Наиболее эффективными являются современные цифровые модели, позволяющие производить максимально точные исследования поверхности изучаемых объектов. Подобные приборы применяются в металлургии, машиностроении, археологии, геологии и т.д.

Поляризационные микроскопы

Поляризационные микроскопы относятся к наиболее сложным в технологическом плане типам оптического оборудования. Они используются для исследования материалов, обладающих нестандартными (анизотропными) оптико-кристаллическими свойствами. В процессе работы формируется поляризованный световой поток, который облучает изучаемый образец. Поляризованные микроскопы наиболее широко применяются в минералогии, кристаллографии, петрографии, а также при проведении гематологических, гистологических и других медицинских и микробиологических исследований.

Инвертированные микроскопы

Инвертированные микроскопы отличаются тем, что их объективы находятся под исследуемым предметом. Это позволяет работать с достаточно большими по своему объему объектами, а также использовать специальную лабораторную посуду и инструменты. При этом инвертированные микроскопы могут быть биологическими, люминесцентными, металлографическими и пр. Подобные приборы широко используются при различных научных и лабораторных исследованиях в микробиологии, медицине, машиностроении, микроэлектронике и т.д.

Моновидеомикроскопы 

Моновидеомикроскопы предназначены для получения видеоизображения наблюдаемых объектов с возможностью вывода на экран, записи и последующего анализа информации. При этом конструктивно устройство является объективом для камеры. Для эффективной работы моновидеомикроскопы можно дополнительно комплектовать необходимыми аксессуарами (предметными столами, линзами, фильтрами, осветителями, адаптерами).

Цвет, 3D и сверхвысокое разрешение: новая разработка в микроскопии

Недавно научный и околонаучный мир «взорвало» видео со сверхдетальным цветным трехмерным изображением межклеточных контактов в развивающихся нейронах. Такие контакты позволяют нейронам в процессе развития находить друг друга и организовываться в сети, благодаря которым мы испытываем радость, сочиняем стихи… или занимаемся наукой! В журнале Science ученые описали технологию получения таких изображений: как водится, в основу лег синтез. Исследователи соединили две самые передовые методики с помощью компьютерных технологий.

— Пусть они думают до утра. Пойдем к нам во двор.
У нас там все совсем другое. Будем гонять мяч,
настоящий, круглый, а не плоский.
И кошки у нас пушистые и мягкие.
<…>
— Я очень хочу играть в круглый мяч, — вздохнула
Анка. — Я очень хочу погладить пушистую кошку.
Но я не понимаю, что такое «круглый».
Наверное, я никогда не смогу увидеть круглое и пушистое!
Е. Велтистов. Приключения Электроника

Введение

Все, кто когда-нибудь смотрел в обычный световой микроскоп, представляют себе эту картину: клетки выглядят плоскими, их можно рассмотреть лишь в общих чертах. Не видно митохондрий и лизосом, знакомых из школьных учебников, и даже деление клетки выглядит как череда размытых пятен и нитей (рис. 1).

Рисунок 1. Клетка костного мозга в профазе (а) и анафазе (б) митоза. Фотографии сделаны под световым микроскопом. Клетки человека сами прозрачны, цвета придают красители, которыми окрашен препарат.

Электронная микроскопия позволяет рассмотреть куда более мелкие структуры. .. но при этом изображение всегда черно-белое (рис. 2а и 2б), иногда попадаются лишь искусственно раскрашенные картинки (рис. 2в).

Рисунок 2а. Митохондрия в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ, англ. TEM). Электронный луч проходит сквозь образец, давая плоское черно-белое изображение.

Рисунок 2б. Домашняя пыль в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ, англ. SEM). Изображения такого типа выглядят объемными, но такому микроскопу недоступна внутренняя часть объекта, он «видит» только его поверхность. И по-прежнему такие изображения черно-белые — не верьте тому, что увидите на рисунке 2в.

Рисунок 2в. Еще один снимок пыли в сканирующем электронном микроскопе. Он выглядит цветным лишь потому, что его искусственно раскрасили. Цвета здесь продиктованы только воображением художника или ученого. Какие они были «на самом деле» — мы не знаем.

А авторы недавно вышедшей статьи в Science представили научному миру потрясающую детализацию в цвете и 3D-формате [1]. Примеры их изображений можно увидеть на заглавной иллюстрации. Кстати, вот то самое видео — на нем можно в полной мере насладиться 3D-HD-микромиром:

Видео 1. Зернистые клетки мозжечка мыши, изображение которых получено с помощью новой методики. Вслед за авторами статьи заглядываем внутрь клеток и рассматриваем структуру контакта между ними – в цвете! Каждый цвет соответствует определенному белку.

Разработать такую технологию было совсем не просто — на пути у исследователей стояли фундаментальные физические ограничения. Обмануть физику стало возможно путем соединения в одной методике сразу нескольких передовых разработок, за две из которых даже была получена Нобелевская премия: в 2014 [2] и 2017 году [3].

Скучный черно-белый мир

Но почему так сложно? Почему нельзя просто увеличить изображение в обычном микроскопе с помощью очень сильных линз, чтобы разглядеть все до молекулы? Это невозможно в силу законов распространения света: в световом микроскопе любые две точки на расстоянии менее 0,2 мкм будут сливаться в одну. Такое ограничение и называется дифракционным пределом (физика этого явления рассмотрена в статье «12 методов в картинках: микроскопия» [4]).

Если использовать поток электронов вместо луча фотонов, то дифракционный предел будет намного меньше: на этом и основана электронная микроскопия. Но и она не панацея: слишком высоки требования к подготовке образца. Для электронного луча нужен вакуум, а значит, в вакууме должен быть и образец. А в вакууме вода вскипает при комнатной температуре (снова неумолимая физика!). Это означало бы моментальное разрушение образца — ведь цитоплазма клеток и содержимое органелл состоит большей частью из воды…

Чтобы этого избежать, для электронной микроскопии образцы обезвоживают, помещают в смолу и окрашивают… тяжелыми металлами! Да, я забыл сказать, что любые красители из нашего «фотонного» мира в «электронном» свете будут абсолютно блеклыми или вовсе прозрачными. Поэтому остаются только тяжелые металлы. И, раз «краска» только одна, то и картинка получается монохромной. И вдобавок сильно искаженной обезвоживанием и тяжелыми металлами. Серый скучный безжизненный мир.

Чтобы избежать искажений, был придуман метод криоэлектронной микроскопии [3], [5], за который в 2017 году вручили Нобелевскую премию по химии. Чтобы внутриклеточная вода не испарилась, ее замораживают. А чтобы получившиеся при заморозке кристаллы льда не разорвали мембраны, заморозку проводят очень быстро — так резко, что молекулы воды не успевают «построиться». Каждая молекула «замирает» на своем месте, и получается твердое, но некристаллическое вещество. Такое агрегатное состояние в физике называют аморфным — это нечто среднее между жидкостью и твердым телом. А замороженную таким образом воду называют аморфным льдом. А так как самое известное аморфное вещество нашего «обыденного» мира — стекло, то второе название такого состояния — стеклообразный лед (забегая вперед: именно его имели ввиду авторы обсуждаемой статьи [1], говоря о vitreously frozen cells — «стеклообразно замороженных клетках»).

Но, как ни замораживай, изображение останется серым. А в современной молекулярной биологии, наоборот, все больше нужны «цветные» методики: она все активнее использует флуоресцентные красители. Таких красителей существует огромное множество: от зеленого флуоресцентного белка [7], за открытие которого тоже была вручена Нобелевская премия по химии, до «флуоресцентных репортеров» [8]. А флуоресцентные красители требуют световой микроскопии и цветного изображения.

Мир цветной… но все же скучный

А что, если совместить в одном изображении два вида микроскопии — световую и электронную? Получится коррелятивная свето-электронная микроскопия, или КСЭМ (correlative light-electron microscory, CLEM). В таком случае одни и те же структуры вначале фотографируются в световом и электронном микроскопах, а затем изображения совмещаются с помощью компьютера. Здесь мы вступаем в «продвинутую» микроскопию, когда сами не смотрим в окуляр микроскопа — изображение формируется методами компьютерной обработки данных.

Но при всей своей красоте метод полностью проблемы не решает — он лишь окрашивает детализированные структуры размытой «радугой», отражающей распределение флуоресцентной метки (рис. 3) [9]. Это позволяет изучить молекулярные особенности на уровне области клетки, но не специфично «подсветить» микроструктуры. Мир по-прежнему серый. Просто на него пролили полупрозрачную краску.

Рисунок 3. Коррелятивная свето-электронная микроскопия. На левом изображении — одноцветное фото элементов цитосклетета, на которое наложена цветовая «шкала» натяжения белка талина (сам белок при этом не виден в таком масштабе). На изображении справа внизу, где увеличение больше, цвета вновь исчезают. Таким образом, максимум, на что способна обычная КСЭМ, — изобразить в цветовой «кодировке» какую-либо величину, но она не придает изображению истинную цветность.

Тем не менее авторы статьи в Science взяли на вооружение именно идею коррелятивной микроскопии: совмещения двух видов микроскопии в одном изображении с помощью компьютера [1]. Просто «световое» изображение у них изначально было со сверхвысоким разрешением. Как же они его получили? С помощью тех же компьютеров!

Структурируем свет и зажигаем одиночные молекулы

Сфотографировать клетку с разрешением выше дифракционного предела нельзя. Но можно, используя различные ухищрения, «собрать» на экране компьютера одно изображение из множества снимков, получив гораздо большее разрешение. Такой подход называется микроскопией сверхвысокого разрешения, или СР-микроскопией (super-resolution microscopy, SR-microscopy). А конкретных методик довольно много — краткий их обзор представлен в статье «Лучше один раз увидеть, или Микроскопия сверхвысокого разрешения» [10]. Так что на выбор у авторов обсуждаемой статьи было несколько «прототипов».

Первый из них — микроскопия структурированного освещения (structured illumination microscopy, SIM). В ней образец окрашивается флуоресцентным красителем. Но возбуждающий свет фокусируется таким образом, чтобы в фокусе микроскопа получилась тонкая решетка из света. Она постоянно перемещается, и флуоресценция молекул, находящихся в фокусе, меняется. Объект не в фокусе продолжают светиться равномерно, что позволяет компьютерному алгоритму вычислить и «отсечь» его. Остается большой набор данных об изменении флуоресценции, по которому рассчитывается изображение с высоким разрешением (рис. 4). К сожалению, такой подход позволяет увеличить разрешение максимум в два раза [10]. Нет ли чего-нибудь еще?

Рисунок 4а. Профаза митоза, визуализированная методом SIM. Хроматин (он начал собираться в хромосомы) красный, ядерная оболочка синяя, микротрубочки (они готовятся «растаскивать» хромосомы к полюсам клетки) зеленые. Сравните с рисунком 1а — SIM явно выигрывает по детализации и информативности!

Рисунок 4б. Телофаза митоза, визуализированная методом SIM. Актиновый цитоскелет зеленый, тубулиновый — оранжево-бежевый, хроматин голубой. Сравните с рисунком 1б (где изображена анафаза митоза) — SIM явно выигрывает по детализации и информативности!

Коллектив исследователей тоже не остановился на SIM и в качестве второй отправной точки воспользовался одномолекулярной микроскопией, или микроскопией локализации одной молекулы (single-molecule localization microscopy, SMLM) [1]. За ее создание в 2014 году вручили Нобелевскую премию [2].

В этой методике флуоресценция красителя запускается слабым лазерным лучом — таким слабым, что лишь малая часть молекул начинает флуоресцировать. Какие именно молекулы засветятся — зависит только от случая, поэтому такой подход в микроскопии сверхвысокого разрешения называется стохастическим. Интенсивность луча подбирается таким образом, чтобы среднее расстояние между одиночными «засветившимися» молекулами было равно дифракционному пределу. Благодаря этому, каждое сфотографированное микроскопом светящееся пятно представляет собой одиночную молекулу (рис. 5а).

Далее компьютер точно вычисляет координаты молекулы, образовавшей каждое пятно, с помощью так называемой функции рассеяния точки (рис. 5б). А тем временем на образец подается другой лазерный луч определенной длины волны, который гасит флуоресценцию молекул. Затем снова включается «зажигающий» лазер. За счет случайности множество молекул, «вспыхнувших» во второй раз, не будет тем же самым (рис. 5в). И после компьютерной обработки появятся новые светящиеся точки (рис. 5г).

Цикл повторяется много раз, и на последнем этапе компьютер складывает все картинки со «светящимися точками». В итоге получается изображение, сложенное отдельными точечными источниками флуоресценции, расстояние между которыми намного меньше 0,2 мкм (рис. 5д). А это и есть сверхвысокое разрешение.

Рисунок 5а. Принцип действия одномолекулярной микроскопии. Представим, что у нас есть три флуоресцентных красителя. Синий метит мембраны эндоплазматического ретикулума, зеленый — мембраны митохондрий, красный — матрикс митохондрий. После слабого импульса возбуждающего лазера получились размытые пятна, каждое из которых соответствует одной молекуле флуорофора. Рисунок схематичный, масштаб не соблюден.

Рисунок 5б. Принцип действия одномолекулярной микроскопии. Изображение подвергается компьютерной обработке — каждое пятно «сворачивается» в точку с помощью функции рассеяния. Положение точки соответствует положению светящейся молекулы.

Рисунок 5в. Принцип действия одномолекулярной микроскопии. После второго возбуждающего импульса под микроскопом «вспыхнули» другие разноцветные пятна.

Рисунок 5г. Принцип действия одномолекулярной микроскопии. Пятна вновь «превращаются» компьютером в точки.

Рисунок 5д. Принцип действия одномолекулярной микроскопии. После многих повторений этого цикла компьютер объединяет все изображения с точками в одно. Готово! У нас есть изображение митохондрии с фрагментом ЭПР, составленное из множества флуоресцирующих точек. А так как расстояние между точками в итоге гораздо меньше дифракционного предела, то картинка получается в сверхвысоком разрешении, и на ней видны детали строения клетки.

Помимо высокой детализации, еще одно преимущество микроскопии сверхвысокого разрешения (как SIM, так и SMLM) в том, что используемые функции позволяют «вычислить» на компьютере координаты каждой флуоресцирующей молекулы не только на плоскости, но и в пространстве. Поэтому у сверхразрешающей микроскопии есть 3D-модификации. Именно такой «разновидностью» SIM созданы изображения клеток в профазе и телофазе митоза на рисунках 4а и 4б. И именно такие методики использовали авторы статьи в Science [1]. Микромир наконец стал цветным и трехмерным. Что же к этому еще можно добавить?

Он живой и светится! А теперь сотрем его в пыль!

Так как в распоряжении ученых имеются методы с таким высоким разрешением, возникает резонный вопрос: а что, если вернуться к идее коррелятивной микроскопии, только теперь объединять изображения микроскопии высокого разрешения и электронной микроскопии? Именно это сделали авторы статьи в Science — и в этом основная новизна их методики [1]. Они соединили в одной технологии электронную микроскопию и световую 3D-микроскопию высокого разрешения.

Проблема в том, что классическая электронная микроскопия дает плоское изображение (сканирующая дает перспективное, но не может заглянуть внутрь объекта). Поэтому авторам статьи пришлось искать трехмерную методику электронной микроскопии.

К счастью, такая тоже существует и называется ФИЛ-СЭМ (англ. FIB-SEM) — сканирующая электронная микроскопия с фокусированным ионным лучом. К сожалению, она относится к деструктивным видам анализа — то есть при ее проведении образец разрушается.

Вначале образец бомбардируется направленным пучком ионов, снимающим с него верхний слой. Обнажившаяся поверхность подвергается обычной сканирующей электронной микроскопии и получается срез клетки. Затем ионным лучом «снимается» еще один слой, и сканируется следующий срез. Цикл повторяется много раз, и в итоге — снова компьютерная обработка: компьютер объединяет все полученные срезы в одну трехмерную модель клетки. Это все, что от нее осталось — к концу опыта ионный луч буквально стирает образец в пыль (рис. 6, 7).

Рисунок 6. Принцип микроскопии сверхвысокого разрешения ФИЛ-СЭМ. Клетка помещается в блок из смолы, «лишние» части которого удаляются. Затем фокусированный ионный луч (ФИЛ) снимает с образца слой за слоем, а каждый срез фотографируется сканирующим электронными микроскопом (СЭМ). Получаются черно-белые срезы клетки в большом количестве (на рисунке их приведено 5, но в реальной микроскопии гораздо больше). Затем срезы объединяются на компьютере в одно трехмерное изображение — получается объемная, но, к сожалению, одноцветная модель. Мир приобрел объем, но он пока что черно-белый.

Рисунок 7а. Гранулярные клетки мозжечка мыши, визуализированные с помощью FIB-SEM авторами обсуждаемой статьи (кадр из видео во введении) [1]. Изображению при обработке приданы цвета, однако детали внутреннего строения клеток одноцветные — как и «полагается» при электронной микроскопии. Черными стрелками показана область межклеточного контакта (адгезии) между двумя нейронами, детальные изображения которой будут разбираться дальше.

Рисунок 7б. Трехмерная модель клетки, созданная с помощью ФИЛ-СЭМ, в разрезе. Обратите внимание, что внутри она такая же черно-белая, как обычная электронная микрофотография. На этом рисунке уже не нейрон (хотя похож): это клетки линии COS-7 — потомки фибробластов (клеток соединительной ткани) почек обезьяны. Поэтому они также имеют отростчатую форму.

Рисунок 7в. Снова трехмерные модели (ФИЛ-СЭМ) клеток COS-7 в разрезе. Сплошная серость внутри.

Разрушение образца ионным лучом при исследовании методом ФИЛ-СЭМ, само собой, лишает способности рассмотреть его методами высокого разрешения. Клетка, которую стерли в молекулярную пыль, не может выглядеть как живая и светиться. Поэтому исследователи сначала рассматривали образец методами СР-микроскопии, а потом использовали методику ФИЛ-СЭМ. Получались трехмерные модели, которые впоследствии с помощью компьютера объединялись в одну.

Такой подход — создание одного изображения из многих на основе технологии больших данных — резко сближает микроскопию с биоинформатикой, являющейся одной из любимых тем «Биомолекулы» (в частности, о биоинформатике написано в наших статьях «Я б в биоинформатики пошел, пусть меня научат!» [11], «12 методов в картинках: “сухая” биология» [12], и есть даже целая тема «“Сухая” биология»). Похоже, границы между областями науки сейчас стираются в невиданных масштабах, а методы информатики активно проникают во все области и помогают решать невообразимые доселе задачи.

Такая технология, как отмечают исследователи, позволяет убить сразу еще одного «зайца» — справиться с проблемой искажения структур клетки при фиксации образца в смоле и окраске тяжелыми металлами. На самом деле: если флуоресцентную методику провести сначала, дальше над образцом можно уже «издеваться» как угодно.

В методику СР-микроскопии авторы тоже внесли усовершенствования. Обычно для замораживания образца в СР-микроскопии используется жидкий азот, где уверенно достигается температура лишь около 77 градусов выше абсолютного нуля температуры (77 K, или около −196 °C). Это адски низкие температуры, но ученые при подготовке образца достигли еще меньших! Они использовали жидкий гелий, который позволил заморозить образец до 8 градусов выше абсолютного нуля (−265 °C) и даже до более низких температур. Таким образом клетки были моментально заморожены до состояния аморфного льда, находившегося почти у самого предела холода.

При таких условиях физика (наконец-то!) сыграла на руку исследователям. В этом адском холоде среднее время пребывания флуоресцентного красителя в «погашенном» состоянии существенно выше, чем при −196 °C, что позволяет располагать молекулы флуорофора ближе друг к другу. Поэтому у авторов «светящиеся точки» на реконструируемом изображении были ближе, и само изображение получалось детальнее и контрастнее (рис. 8).

Рисунок 8. Те же клетки, что и на рисунках 7а и 7б, и на видео во введении, только изображение получено одномолекулярной микроскопией (SMLM). Зеленый флуорофор (ER3) окрашивает эндоплазматический ретикулум (ЭПР) — сеть канальцев внутри клетки. На рисунке хорошо видно, насколько он разветвлен и как плотно заполняет всю клетку. Ядра зеленые, потому что межмембранное пространство ядра — по сути, начало ЭПР. Фиолетовый флуорофор (TOMM20) окрашивает митохондрии, и большинство фиолетовых «колбасок» в клетках среди зеленых разветвлений ЭПР — это именно они. Но — сюрприз — исследователи обнаружили, что этот «митохондриальный» краситель окрасил не только их. Об этом — чуть ниже.

Следует отметить, что авторы также использовали два типа микроскопии сверхвысокого разрешения — SIM и SMLM. В общем, основательно подготовились к покорению дифракционного барьера. На последней стадии, как и в любой корреляционной микроскопии, трехмерные изображения клеток из ФИЛ-СЭМ и SMLM/SIM совмещались с помощью компьютерной техники. В итоге получилось трехмерное изображение, одновременно и детализированное, и цветное. Микромир наконец стал объемным и ярким (рис. 9).

Рисунок 9а. Корреляционная одномолекулярная-ФИЛ-СЭМ микроскопия клетки COS-7 заключается в компьютерном объединении трехмерных изображений, показанных на рисунках 7а–в и 8. Теперь «внутренности» клетки, в отличие от рисунков 7б и 7в, приобрели цвета, что позволяет их детально рассмотреть и понять структуру (цвета и красители те же, что на рисунке 8). Тонкая сеть ЭПР стала видна еще детальнее, хорошо видны митохондрии.

Рисунок 9б. Потрясающий «инопланетный» ландшафт — это всего лишь срез модели, показанной на рисунке 9а. Цвета и флуорофоры те же, что и на рисунке 8.

Но что способна дать миру новая микроскопия, помимо объема и яркости? Что нового увидели исследователи в свой микроскоп? Спойлер: им удалось сделать сразу три небольших открытия в ультраструктуре клетки — и это только начало!

Пузырьки, трубочки и красители не на своем месте

Эукариотические клетки, в том числе клетки человека и животных, изобилуют различными мембранными структурами — везикулами и сетью ЭПР, и это не считая митохондрий и пластид. Примером того, как они пронизывают всю клетку, могут послужить рисунки 8, 9а и 9б. И именно их труднее всего рассмотреть под микроскопом. В «серой и безжизненной» электронной микроскопии они могут быть недостаточно контрастны, а при криоэлектронной томографии (метод аналогичен компьютерной томографии для человека, только здесь томография делается клетке в просвечивающем электронном микроскопе) могут быть пропущены, оказавшись между срезами. Особенно это касается везикул (пузырьков) небольшого объема — поэтому мы сейчас не так много знаем об их форме, размерах и разновидностях.

Новый метод микроскопии позволил рассмотреть эти структуры как никогда ранее детально. Оказалось, что мелкие трубочки ЭПР усеяны вздутиями-пузырьками, которые раньше увидеть было затруднительно. Но это еще не самое интересное…

Для рассмотрения мембранных структур внутри клетки исследователи пользовались теми же двумя светящимися красителями, как для клетки целиком — ER3 для эндоплазматического ретикулума и TOMM20 для митохондрий. Сюрпризом стало обнаружение внутри ядра клетки везикул, которые окрашиваются ER3 (рис. 10). Откуда они там, если эндоплазматический ретикулум находится в цитоплазме и уж точно не внутри ядра? Ученые предположили, что эти везикулы происходят из эндоплазматического ретикулума, попадая в ядро во время митоза, когда ядерная оболочка временно распадается.

Рисунок 10. Так выглядит ER3-позитивная везикула в ядре — ярким зеленым пятном. Не очень четко, но загадочно: откуда она там взялась?

Краситель TOMM20, как оказалось, тоже окрашивал не только митохондрии, но и какие-то пузырьки в цитоплазме (рис. 11). Исследователи резонно предположили, что эти пузырьки — везикулы митохондриального происхождения (mitochondria-derived vesicles, MDVs). Об их функции пока мало что известно, но есть предположения, что они участвуют в «контроле качества» белков митохондрии, транспортируя поврежденные и ошибочно свернутые в эндосомы — к местам расщепления. Правда, неясно, почему другие белки они несут в пероксисомы. .. [13] Так или иначе, с новой методикой их стало гораздо легче изучать и рассматривать. Обсуждаемая статья напомнила, что в клетке больше, чем три вида везикул (эндосомы, лизосомы, пероксисомы), и мы еще не всё знаем о мире пузырьков и трубок, пронизывающих каждую клетку.

Рисунок 11. В цитоплазме клетки обнаружены пузырьки, которые окрашиваются красителем для митохондрий. Вопрос — что они там делают? Возможно, они уносят из митохондрий поврежденные белки на утилизацию. Так сказать, вывоз митохондриального мусора.

Еще авторы показали, что и хорошо известные нам везикулы — вовсе не скучные шарики. Шариками являются лишь небольшие пузырьки — и то лишь за счет поверхностного натяжения. А при увеличении размера они могут принимать причудливые формы. Пероксисомы в виде чашек, блюдец и полых сфер с отверстием, вытянутые эндосомы с расширением (рис. 12). Пока можно лишь предполагать, зачем клетке весь этот «сервиз». Например, изменчивость формы может пригодиться для регуляции скорости реакций, которые проходят в этих пузырьках, но как именно это происходит? С помощью своей технологии исследователи сформулировали несколько загадок для научного мира.

Рисунок 12. Варианты форм пероксисом и эндосом. Розовым обозначены пероксисомы, желтым — эндосомы, красным — эндоплазматический ретикулум, изумрудно-голубым — митохондрии, синим — неизвестные органеллы (да, исследователям и такие попались!).

Нейроны: идем на контакт!

С помощью новой методики исследователи рассмотрели некоторые детали зернистых нейронов мозжечка мыши и их клеток-предшественников. Зернистые клетки расположены в коре мозжечка, являясь участницами сложной нейронной сети для обработки сигналов о положении и равновесии и двигательного научения. Они являются самыми многочисленными в коре мозжечка.

В процессе созревания нейроны преодолевают огромные по меркам мозга расстояния, но безошибочно находят свое место, «подключаются» к нейронным сетям, учатся реагировать на входные сигналы, «взрослеют» и послушно умирают, если оказались лишними. Безошибочно найти свое место им помогают межклеточные контакты друг с другом, а процесс созревания сопряжен с изменением структуры хроматина в ядре. Эти две структуры и изучили исследователи.

Существует несколько видов межклеточных контактов. Здесь ученые рассматривали тот, который называется плотным соединением — участки мембран соседних клеток, крепко сшитых друг с другом определенными белками. Сюрпризом для ученых оказалось то, что мембраны нейронов сшиваются не на всем протяжении — плотные контакты образуют структуру, напоминающую паутину или швейцарский сыр [1], [14]. Такой причудливый рисунок прекрасно виден как с помощью методики крио-SIM, так и с помощью FIB-SEM, и становится еще более впечатляющим при совмещении изображений (рис. 13).

Рисунок 13. Слева — не полярное сияние, а справа — не сыр. Это все «сшивки» между мембранами соседних нейронов, изображенные в разном «свете»: слева SIM, где разными цветами помечены белки межклеточных контактов, а справа FIB-SEM.

Нейроны: «детский» и «взрослый» хроматин

Рассмотрев эту мембранную «вышивку» из белков межклеточного контакта, ученые заглянули в ядро этих же самых нейронов и их клеток-предшественников, незрелых форм. Новая технология предоставила потрясающую возможность рассмотреть в деталях хроматин клетки (современные представления об устройстве хроматина можно почерпнуть в статье «Новый взгляд на геном: не просто цепочка генов, а трехмерная сеть, интегрирующая функциональные домены ядра» [15]).

Можно предположить, что при созревании нейрона меняется набор генов, которые он «считывает» и делает по ним белки (это называется экспрессией генов). Одни гены «запаковываются» плотнее и делаются неактивными, а другие, наоборот, «разматываются» и начинают активно функционировать.

Вначале авторы получили трехмерное изображение хроматина нейронов методом ФИЛ-СЭМ. Но само по себе оно мало что дает: в таком варианте хроматин выглядит как серая каша (эухроматин) с комками (гетерохроматин). Единственное различие между нейронами-«малышами» и «взрослыми» нейронами, которое заметили авторы на таких изображениях, в том, что у «взрослого» хроматин более «жидкий»: эухроматина больше.

Но микроскопия сверхвысокого разрешения позволила авторам изучить распределение в этой «каше» двух важных белков хроматина — гетерохроматинового белка 1α (HP1α) и гистона h4. 3 (который является ни чем иным, как вариантом гистона h4, составной части нуклеосомной «катушки»). Первый из них обычно обнаруживается в составе гетерохроматина (плотно упакованных неактивных частей ДНК), а второй — наоборот, присутствует в регионах, где с ДНК происходит активное «считывание».

Технология обеспечила потрясающе детальный моментальный снимок состояния ядра нейрона до и после дифференцировки.

Дэвид Солецки,
один из авторов проекта.

Когда хроматин обрел цвет, оказалось, что он значительно различается у молодых и зрелых нейронов. В «черно-белом мире» два этих типа клеток не особо отличались друг от друга по количеству гетерохроматина в ядрах. Но «в цвете» стало заметно, что в процессе созревания нейрона количество гетерохроматина, содержащего HP1α, увеличивается почти вдвое (рис. 14, 15). Кроме того, этот гетерохроматин стал гораздо более компактным.

Рисунок 14. Срез ядер нейронов при микроскопии сверхвысокого разрешения. Слева — ядро клетки-предшественника зернистых клеток мозжечка в форме сердца. Справа — ядро зрелой зернистой клетки мозжечка (округлое). Розовым окрашен гистон h4.3, зеленым — белок HP1α. Заметно различное распределение этих двух маркеров в молодых и зрелых клетках.

Рисунок 15. Трехмерные модели ядер нейронов, полученные при коррелятивной микроскопии. Цветная масса внутри каждой из них представляет собой эу- или гетерохроматин, меченый одним из маркеров. Слева — ядра клеток-предшественников (в виде сердца), справа — округлые ядра зрелых клеток. Обратите внимание на:

• Модели зеленого цвета, справа вверху. На них показан гетерохроматин, содержащий HP1α. В зрелых клетках его гораздо больше (примерно вдвое).
• Модели красного цвета, изображающие гетерохроматин, содержащий гистон h4.3. В зрелой клетке его тоже больше и расположен он гуще. Это вызвало удивление исследователей и новые вопросы — ведь гистон h4. 3 характерен для активно транскрибируемой ДНК. Зачем его так много в гетерохроматине, да еще в зрелом нейроне?

Накопление HP1α в гетерохроматине — это еще классика жанра. Ведь, как я писал выше, HP1α — характерный для неактивного хроматина компонент. Но микроскопия сверхвысокого разрешения показала также… накопление гистона h4.3 в процессе созревания, что было неожиданным для исследователей. Этот гистон характерен для активно транскрибируемых («считываемых») участков ДНК. В гетерохроматине его до этого находили лишь в эмбриональных стволовых клетках, что понятно — они готовы к активации почти любого участка ДНК. Но в зрелых клетках, да еще в нейронах? Тем не менее он не только накапливается, но и, как классический HP1α-гетерохроматин, становится более компактным. Давая исследователям понять, что об укладке мы знаем еще далеко не все.

Заключение

Новый метод микроскопии оказался технически удачным: впервые мельчайшие детали строения и развития клеток предстали перед исследователями в цвете, в трехмерном виде, в высоком разрешении. Это то, чего так давно не хватало исследователям — увидеть внутренний мир клетки не плоским и скучным, а «круглым и пушистым».

Но, с другой стороны, увиденное пока принесло не столько ответы, сколько вопросы. Что за пузырьки, красящиеся митохондриальным красителем? Точно ли они происходят из митохондрий? Почему пероксисомы и эндосомы так различаются по форме, а в хроматине при созревании нейрона накапливаются неожиданные белки? Всего три дополнительных «мини-исследования» в статье показали, что наши знания о клетке пока крайне неполны. Это отмечают и сами исследователи:

Еще предстоит проделать так много экспериментов — изучить целый мир где-то там в клетках.

Харальд Хесс,
один из авторов статьи [1].

Между строк в статье [1] и пресс-релизе [14] читается удивление исследователей и желание поскорее во всем разобраться. Изучить цветной и объемный мир, о котором мы пока так мало знаем…

1. David P. Hoffman, Gleb Shtengel, C. Shan Xu, Kirby R. Campbell, Melanie Freeman, et. al.. (2020). Correlative three-dimensional super-resolution and block-face electron microscopy of whole vitreously frozen cells. Science. 367, eaaz5357;
2. По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014;
3. Крупные подробности микроскопического мира: Нобелевская премия по химии 2017;
4. 12 методов в картинках: микроскопия;
5. 12 методов в картинках: структурная биология;
6. Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии;
7. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
8. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
9. Abhishek Kumar, Karen L. Anderson, Mark F. Swift, Dorit Hanein, Niels Volkmann, Martin A. Schwartz. (2018). Local Tension on Talin in Focal Adhesions Correlates with F-Actin Alignment at the Nanometer Scale. Biophysical Journal. 115, 1569-1579;
10. Лучше один раз увидеть, или Микроскопия сверхвысокого разрешения;
11. Я б в биоинформатики пошёл, пусть меня научат!;
12. 12 методов в картинках: «сухая» биология;
13. Ayumu Sugiura, Gian‐Luca McLelland, Edward A Fon, Heidi M McBride. (2014). A new pathway for mitochondrial quality control: mitochondrial‐derived vesicles. EMBO J. 33, 2142-2156;
14. Hughes H. (2020). Microscopy technique reveals cells’ 3-D ultrastructure in new detail. ScienceBulletin;
15. Новый взгляд на геном: не просто цепочка генов, а трехмерная сеть, интегрирующая функциональные домены ядра.

Световой микроскоп Википедия

Современный оптический люминесцентный тринокулярный микроскоп

Оптический или световой микроско́п (от др.-греч. μικρός «маленький» и σκοπέω «рассматриваю») — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов (или деталей их структуры), невидимых невооружённым глазом.

История микроскопа

Микроскоп Гука Реплика однолинзового микроскопа Левенгука

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 17 века. Дата, конечно, не точна, так как оказалось, что Захарий родился около 1590 г. Возможность скомбинировать две линзы так, чтобы достигалась большее увеличение впервые предложил в 1538 году знаменитый врач из Вероны Джироламо Фракасторо. 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 пчёл Франческо Стеллути было частью печати Папы Урбана VII 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, изобрёл простую двухлинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась и, следовательно, стала огромным шагом вперёд в истории развития оптики (Гюйгенс разработал окуляр для телескопа). Окуляры Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а расположение окуляров при микроскопии 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». Антони 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 относительно 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 Антони Ван Левенгук был великим мастером микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространённому мнению.

Недавние достижения

В команде немецкого учёного Штефана Хелля (Stefan Hell) из Института Биофизической Химии^[de] научного сообщества Макса Планка (Гёттинген) в сотрудничестве с аргентинским учёным Мариано Босси (Mariano Bossi) в 2006 году был разработан оптический микроскоп под названием Наноскоп, позволяющий преодолевать барьер Аббе и наблюдать объекты размером около 10 нм (а на 2010 год и ещё меньше), оставаясь в диапазоне видимого излучения, получая при этом высококачественные трёхмерные изображения объектов, ранее недоступных для обычной световой и конфокальной микроскопии^[1][2].

Ведутся работы над получением кристаллов нитрида бора с гексагональной решёткой (hBN) из чистых на 99% изотопов бора. Такой материал линз за счёт поляритонов, образующихся на поверхности кристалла, позволяет многократно понизить дифракционный предел и достичь разрешений порядка десятков и даже единиц нанометров^[3].

Российские учёные из Томского государственного политехнического университета усовершенствовали наноскоп, использовав в нём не микролинзы, как в классической конфигурации, а специальные дифракционные решетки с золотыми пластинками. При получении изображения с такого прибора срабатывают одновременно эффект аномальной амплитудной аподизации, резонанс Фабри — Перо и резонанс Фано. Вместе они и помогают увеличить разрешение, по сравнению с обычной дифракционной решеткой, до 0,3 λ.^[4]

Применение

Человеческий глаз представляет собой биологическую оптическую систему, характеризующуюся определённым разрешением, то есть наименьшим расстоянием между элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при удалении от объекта на т. н. расстояние наилучшего видения (D = 250 мм), среднестатистическое нормальное разрешение составляет 0,176 мм. Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т. п. значительно меньше этой величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы различных типов. С помощью микроскопов определяли форму, размеры, строение и многие другие характеристики микрообъектов. Оптический микроскоп в видимом свете давал возможность различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм. Так было до создания оптического микроскопа наноскопа^[5].

Развитие видеотехники оказало существенное влияние на оптические микроскопы. Помимо упрощения документирования наблюдений электроника позволяет автоматизировать рутинные операции. А при отказе от непосредственного наблюдения глазом отпадает необходимость в классическом окуляре. В простейшем случае при модернизации микроскопа вместо окуляра устанавливается специальная оптическая конструкция для проецирования изображения на матричный фотоприёмник. Изображение фотоприёмника передаётся в ЭВМ и/или на дисплей. Существуют также комбинированные профессиональные микроскопы оснащённые третьим оптическим портом для установки фотоаппаратуры. В некоторых современных устройствах возможность прямого наблюдения глазом может отсутствовать полностью, что позволяет создавать простые и удобные в работе приборы компактного дизайна. Использование многоэлементных фотоприемников позволяет вести наблюдения не только в видимом, но и примыкающем к нему участках спектра.

Устройство оптического микроскопа: A — окуляр; B — объектив; C — объект; D — конденсор; E — предметный столик; F — зеркало.

Устройство микроскопа

Оптическая система микроскопа состоит из основных элементов — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом основании, на котором имеется предметный столик. Увеличение оптического микроскопа без дополнительных линз между объективом и окуляром равно произведению их увеличений^[6].

В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности, конденсор с ирисовой диафрагмой), макро- и микровинты для настройки резкости, система управления положением конденсора.

В зависимости от назначения, в специализированных микроскопах могут быть использованы дополнительные устройства и системы.

Объективы

Планахроматический объектив с увеличением 40, числовой апертурой 0,65, коррекцией на бесконечную длину тубуса и толщину покровного стекла 0,17 мм

Объектив микроскопа представляет собой сложную оптическую систему, образующую увеличенное изображение объекта, и является основной и наиболее ответственной частью микроскопа. Объектив создаёт изображение, которое рассматривается через окуляр. Поскольку окуляры могут давать существенное увеличение, то и оптические искажения, вносимые объективом, также будут увеличены окуляром. Это накладывает на качество объектива значительно большие требования чем на окуляр.

Объективы биологических микроскопов и других микроскопов (кроме стереоскопических) в значительной степени унифицированы и взаимозаменяемы. На взаимозаменяемость в первую очередь влияют механические (присоединительные) параметры объектива.

Механические параметры объектива

Присоединительная резьба объективов стандартизована в 1858 году Royal Microscopical Society (RMS, ISO 8038, ГОСТ 3469). Сегодня эта резьба используется практически во всех микроскопах кроме стереомикроскопов или специальных. Диаметр резьбы 4/5″ (~20 мм), шаг 1/36″. Помимо резьбы на взаимозаменяемость объективов влияет парфокальное расстояние — расстояние между препаратом и посадочным местом объектива в микроскопе. Большинство современных микроскопов рассчитаны на объективы с парфокальным расстоянием 45 мм. Ранее широко применялись объективы на 33 мм. Не всегда микроскоп позволяет устанавливать объективы с нештатным парфокальным расстоянием поскольку не хватает хода столика с препаратом чтобы скомпенсировать разницу. В связи с ростом сложности оптической схемы появляются крупногабаритные объективы с большим парфокальным расстоянием (например, 60 мм и 95 мм)^[7]. Свободное расстояние от объектива до изучаемого объекта называется рабочим расстоянием объектива. Обычно это расстояние тем меньше чем больше увеличение объектива. Рабочее расстояние объектива плюс длина объектива равны парфокальному расстоянию объектива.

Оптические параметры объектива

Конструкция объектива

Объектив микроскопа характеризуется номинальным увеличением (как правило из ряда 2,5; 3,2; 4; 5; 10; 20; 40; 63; 100; 120). Кроме того:

• Через дробь от увеличения указывается числовая апертура — характеристика разрешающей способности объектива. Предельная разрешающая способность объектива в мкм d=0,61λ/A{\displaystyle d=0{,}61\lambda /A}, где λ — длина волны света, мкм; А — числовая апертура. Лучшие объективы имеют апертуру 1,4 и разрешение 0,12 мкм. Оценочно считают что максимальное разумное увеличение микроскопа при наблюдении глазом ограничено величиной апертуры умноженной на 1000. С другой стороны, чем больше апертура тем меньше глубина резкости (глубина зрения)^[7]. Иногда объектив снабжается регулируемой диафрагмой, изменяющей числовую апертуру (такие объективы маркируются I, Iris).
• Тип коррекции на длину тубуса микроскопа. Практически всегда это 160 или бесконечность (∞). Как правило объективы с коррекцией на бесконечность качественнее и дороже. Объективы с коррекцией на бесконечность могут применяться самостоятельно (без окуляра), что используют в безлинзовых адаптерах к фотоаппаратуре. Объективы с конечной и бесконечной коррекцией не взаимозаменяемы, оптический тракт микроскопа различается.
• Для биологических микроскопов указывают наличие коррекции на толщину покровного стекла препарата в мм. Практически всегда это 0,17 или коррекция отсутствует (0 или —). Иногда встречаются объективы для инвертированных микроскопов (то есть для микроскопов в которых наблюдение ведётся снизу, через предметное стекло, чашку петри, стекло колбы и т.  д.) с компенсацией на 1,2.

Кроме того указывается буквенное обозначение коррекции искажений:

• Искажений цвета (хроматических). Искажения проявляются в виде цветных ореолов. Объективы с исправлением искажений по двум основным цветам называют ахроматами (обычно не маркируется), по трём — апохроматами (маркируется Apo или созвучно).
• Неравномерности фокусировки по полю зрения (кривизна поля зрения). Скорректированные объективы с плоским полем зрения обозначаются приставкой план- к обозначению цветовой коррекции, например планахромат или планапохромат. Объектив с такой коррекцией содержит надписи План, Plan, Pl или созвучные. Объективы с неполной коррекцией могут обозначаться как Semi plan или собственным обозначением производителя.
• Устранение бликов от боковой подсветки на оптике.

Буквенные обозначения особенностей применения объектива:

• Для улучшения светосилы и числовой апертуры пространство между линзой объектива и объектом наблюдения заполняют прозрачной жидкостью с требуемым коэффициентом преломления. Такие объективы называют иммерсионными. Обычно это делается для объективов с увеличением 40 и выше. Если объектив рассчитан на использование определённой жидкости, то эксплуатировать его без неё или с другими жидкостями нельзя. В качестве жидкости чаще всего используют специальное синтетическое масло (объектив маркируется Oil), реже вода (W) или глицерин (Gli)^[8].
• Объективы для люминесцентных исследований выполняют из материалов с минимальной собственной люминесценцией и хорошим пропусканием ультрафиолета, так как зачастую подсветка ультрафиолетом ведётся со стороны объектива (в т. н. люминесцентных микроскопах). При этом объектив выполняет функции конденсора. Объективы для люминесцентных исследований маркируют FLUOR.

Широкопольные окуляры с увеличением 10 и выносом зрачка 20 мм

Окуляры

Окуля́р — обращённая к глазу часть микроскопа, предназначаемая для рассматривания с некоторым увеличением оптического изображения, даваемого объективом микроскопа. Типовые увеличения окуляров для микроскопов от 5 до 25 единиц. Так же как и объективы, окуляры различаются по качеству, то есть величине оптических искажений, вносимых окуляром. Однако вклад искажений объектива обычно превалирует в сбалансированном микроскопе благодаря тому, что искажения объектива дополнительно увеличиваются окуляром, а искажения самого окуляра — нет. Поэтому окуляры обычно характеризуются другими параметрами, в первую очередь удобством оператора. Как правило, под этим удобством понимают ширину поля зрения и вынос зрачка.

Вынос зрачка — расстояние от окуляра до глаза. Как правило лежит в диапазоне 5..20 мм. Если оператор носит очки, то пользоваться окуляром с выносом 5 мм фактически невозможно. Наиболее комфортным считается расстояние 10..20 мм: с очками побольше без очков меньше. Излишне большой вынос зрачка также неудобен.

Поле зрения окуляра — угловой размер изображения, видимого через окуляр. Считается, что широкое поле зрения (большой угловой размер изображения) удобнее для работы, чем узкое. Широкопольные окуляры зачастую обозначаются буквой W и визуально отличаются большой площадью линзы.

Система освещения с конденсором

Система освещения препарата

В первых микроскопах исследователи вынуждены были пользоваться естественными источниками света. Для улучшения освещённости стали использовать зеркало, а затем — и вогнутое зеркало, с помощью которого на препарат направляли лучи солнца или лампы. В современных микроскопах освещение регулируют с помощью конденсора.

Конденсор

Конденсор (от лат. condense — сгущаю, уплотняю), короткофокусная линза или система линз, используемая в оптическом приборе для освещения рассматриваемого или проецируемого предмета. Конденсор собирает и направляет на предмет лучи от источника света, в том числе и такие, которые в его отсутствие проходят мимо предмета; в результате такого «сгущения» светового потока резко возрастает освещённость предмета. Конденсоры применяются в микроскопах, в спектральных приборах, в проекционных аппаратах различных типов (например, диаскопах, эпидиаскопах, фотографических увеличителях и т.  д.). Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы; при апертурах 0,2—0,3— двухлинзовые конденсоры, выше 0,7—трёхлинзовые. Наиболее распространён конденсор из двух одинаковых плосковыпуклых линз, которые обращены друг к другу сферическими поверхностями для уменьшения сферической аберрации. Иногда поверхности линз конденсора имеют более сложную форму — параболоидальную, эллипсоидальную и т. д. Разрешающая способность микроскопа повышается с увеличением апертуры его конденсора, поэтому конденсоры микроскопов — обычно сложные двух или трёхлинзовые системы. В микроскопах и кинопроекционных аппаратах широко применяют также зеркальные и зеркально-линзовые конденсоры, апертура которых может быть очень велика — угол 2u раствора собираемого пучка лучей достигает 240°. Часто наличие в конденсорах нескольких линз вызвано не только стремлением увеличить его апертуру, но и необходимостью однородного освещения предмета при неоднородной структуре источника света^[5].

Конденсор тёмного поля

Конденсоры тёмного поля применяются в темнопольной оптической микроскопии. Лучи света направляются конденсором таким образом, что они не попадают напрямую во входное отверстие объектива. Изображение формируется светом, рассеивающимся на оптических неоднородностях образца. В ряде случаев метод позволяет исследовать структуру прозрачных объектов без их окрашивания. Разработан ряд конструкций конденсоров тёмного поля, имеющих линзовую или зеркально-линзовую оптическую схему.

Методы контрастирования изображения

Многие объекты плохо различимы на фоне окружения из-за своих оптических свойств. Поэтому микроскопы оснащаются разнообразными инструментами, облегчающими выделение объекта на фоне среды. Чаще всего это разнообразные методы освещения объекта:

Фазовый контраст

Метод интерференционного контрастирования объекта. Поскольку свет — это электромагнитная волна, то у него есть понятие фазы. Визуализируются фазовые искажения света на объекте наблюдения. Для этого используется сочетание специальных конденсора и объектива.

Вспомогательные приспособления

Предметный столик

Предметный столик выполняет роль поверхности, на которой размещают микроскопический препарат. В разных конструкциях микроскопов столик может обеспечить координатное движение препарата в поле зрения объектива, по вертикали и горизонтали, или поворот препарата на заданный угол.

Предметные и покровные стёкла

Первые наблюдения в микроскоп производились непосредственно над каким-либо объектом (птичье перо, снежинки, кристаллы и т. п.). Для удобства наблюдения в проходящем свете, препарат стали размещать на стеклянной пластинке (предметное стекло). Позже препарат стали закреплять тонким покровным стеклом, что позволило создавать коллекции образцов, например, гистологические коллекции. Для исследования методом висячей капли используются предметные стёкла с лункой — камеры Ранвье.

Счётные камеры

Для количественного учёта клеток, взвешенных в какой-либо жидкости, используют счётные камеры — предметные стёкла особой конструкции. В медицине для учёта форменных элементов крови применяется камера Горяева.

Устройства защиты объектива

В процессе поиска фокуса возможна ситуация, когда оптика объектива упрётся в столик или образец. В микроскопах встречаются механизмы предотвращения контакта или снижения тяжести последствий. К первым относятся настраиваемые ограничители вертикального движения столика. Ко вторым относятся подпружиненные объективы, в которых линзовый узел окружён приливом корпуса и подвижен. При контакте объектива с препаратом прилив корпуса предотвращает воздействие на линзу, а подвижность снижает усилие удара.

Измерительные приспособления

Наличие в оптическом тракте микроскопа образцового рисунка (штриховки или других знаков с известным проецируемым размером) позволяет лучше оценить размеры наблюдаемых объектов.

Классификация

Моно-, бино- и тринокулярные микроскопы

Изображение, сформированное объективом, может быть непосредственно подано в окуляр или разделено на несколько идентичных изображений. Микроскопы без деления называются монокулярными, в них смотрят одним глазом. Удобство наблюдения двумя глазами предопределило широкое распространение бинокулярных микроскопов с двумя идентичными окулярами. Кроме того, микроскоп может оснащаться фотоаппаратурой, которая может монтироваться либо вместо штатных окуляров либо в отдельный оптический порт. Такие микроскопы именуются тринокулярными.

Некоторые микроскопы позволяют освещать объект через объектив микроскопа. В этом случае используется специальный объектив, выполняющий также функции конденсера света. В оптическом тракте микроскопа устанавливается полупрозрачное зеркало и порт источника света. Чаще всего такой механизм освещения используется при люминесцентной микроскопии в ультрафиолетовых лучах.

Стереомикроскопы

Оптическая схема современного стереомикроскопа.
A — объектив
B — поворачивающиеся объективы
C — регулятор увеличения
D — внутренний объектив
E — призма
F — оборачивающая система линз
G — окулярная сетка
H — окуляр

Стереомикроскопы предназначены для тонких работ под микроскопом, например в часовом деле, микроэлектронике, микромоделизме, нейрохирургии и т.  п. Для таких работ нужно правильно оценивать положение наблюдаемых объектов под микроскопом в трёх координатах, для чего требуется стереовидение, большая глубина резкости (глубина зрения) и значительное пространство под объективом для работы. Стереомикроскопы имеют невысокое увеличение (несколько единиц или десятков), большое рабочее расстояние объектива (расстояние от оптики до точки наблюдения, обычно несколько сантиметров), в них нет регулируемых столиков и встроенных систем освещения. Для удобства работы стереомикроскоп не «переворачивает» изображение. Объектив стереомикроскопа чаще всего несменный.

Металлографические микроскопы

В инвертированном микроскопе образец наблюдается снизу

Специфика металлографического исследования заключается в необходимости наблюдать структуру поверхности непрозрачных тел. Поэтому микроскоп построен по схеме отражённого света, где имеется специальный осветитель, установленный со стороны объектива. Система призм и зеркал направляет свет на объект, далее свет отражается от непрозрачного объекта и направляется обратно в объектив^[5].

Современные прямые металлургические микроскопы характеризуются большим расстоянием между поверхностью столика и объективами и большим вертикальным ходом столика, что позволяет работать с крупными образцами. Максимальное расстояние может достигать десятки сантиметров^[9]. Но обычно в материаловедении используются инвертированные микроскопы, как не имеющие ограничения на размер образца (только на вес) и не требующие параллельности опорной и рабочей граней образца (в этом случае они совпадают).

Поляризационные микроскопы

При отражении света от объектов его поляризация может изменяться. Чтобы визуально выявить такие объекты, их освещают поляризованным светом, полученным после специального поляризационного фильтра. Отразившись, свет проходит через оптический тракт поляризационного микроскопа, в котором установлен второй поляризационный фильтр. Таким образом, через эту пару фильтров пройдет только тот свет, который соответствующим образом изменит свою поляризацию при отражении от наблюдаемого препарата. Остальные участки препарата окажутся затемнены.

Люминесцентные микроскопы

Люминесцентный микроскоп Альтами ЛЮМ 1. Чёрная коробочка позади микроскопа — источник ультрафиолета

Некоторые вещества обладают люминесцентными свойствами, то есть способны светиться в видимом спектре при облучении ультрафиолетом. Люминесцентные микроскопы — это микроскопы, снабжённые ультрафиолетовым осветителем для наблюдения свечения таких препаратов. Поскольку свечение возникает со стороны ультрафиолетового освещения, то максимально эффективна будет подсветка ультрафиолетом со стороны наблюдателя, то есть прямо через объектив микроскопа. Люминесцентные микроскопы содержат ультрафиолетовый источник и специальную оптическую схему для подсветки через объектив. Кроме того, они снабжаются специальными объективами, пропускающими ультрафиолет и не имеющими собственной паразитной люминесценции в ультрафиолете. Такие объективы маркируются FLUOR или аналогично. Люминесцентные микроскопы применяются для проведения иммунохимических, иммунологических, иммуноморфологических и иммуногенетических исследований.

Измерительные микроскопы

Измерительные микроскопы служат для точного измерения угловых и линейных размеров наблюдаемых объектов. Для оценки размеров в оптическом тракте микроскопа имеется образцовый рисунок (штриховка или другие знаки) с известным проецируемым размером. Используются в лабораторной практике, в технике и машиностроении.

См. также

Примечания

Чертеж светового микроскопа

на GetDrawings

43 год 1

450×323 Исследование микроскопа и его функций с помеченной схемой

20 1

5632×6889 Микроскоп

13 2

Схема светового микроскопа 448×487.Сумасшедший ученый

5 1

550×384 Наука Физика Оптика Увеличительное стекло и микроскопы

5

960×720 Биологические рисунки и расчеты под микроскопом, исследующие протистов

5

339×235 Использование микроскопа

4

Рисунок микроскопа 570×320 с деталями 5 лучших изображений светового микроскопа

4

374×335 Монокулярный микроскоп Клипарт Панда

2 1

Инструмент микроскопа 300×310

2

Схема микроскопа 1280×720

1

Диаграмма микроскопа 927×1200 с маркировкой, немаркированными и пустыми частями

1

360×521 Схематический чертеж микроскопа I5s. Освещение Свет

728×971 Заявления для оценки биологических рисунков

10 2

550×782 Световой микроскоп как он клипарт Панда

7

555×915 Лучшие идеи деталей микроскопа на клетках 5-го класса

5 1

412×500 26 лучших изображений с микроскопа по наукам о жизни, физикам

6

Диаграмма 1024×1024 Простая диаграмма микроскопа

4 1

Рисунок микроскопа 570×320 с деталями 5 лучших изображений светового микроскопа

Чертеж бинокулярного микроскопа на GetDrawings

46 6

638×479 Введение в микроскопию

15 5

Патентный чертеж бинокулярного микроскопа 675×900, 1931 г.

15 3

550×384 Наука Физика Оптика Увеличительное стекло и микроскопы

13 1

5632×6889 Микроскоп

14

Диаграмма микроскопа 927×1200 с маркировкой, немаркированными и пустыми частями

7 2

500×364 Исследование микроскопа и его функций с помеченной схемой

7

Рисунок бинокулярного микроскопа 638×479

6

773×1000 Бинокулярный микроскоп Патентная печать Патентные оттиски, изобретение

3 1

Патентный рисунок бинокулярного микроскопа 225×300 из винтажного цифрового искусства 1931 года

1

Чертеж патента бинокулярного микроскопа 180×180 от винтажной печати 1931 года в рамке

1

Новые б / у микроскопы с усилителем 400×562

1

Оптический микроскоп 327×600 Iphone 8 Cases Fine Art America

314×600 Microscope Art Iphone 5 Cases Fine Art America

300×320 Черный эскизный рисунок микроскопа Stock Photo 73865338

61 3

Схема деталей микроскопа 500×529, Женева

55 4

350×453 11 лучших изображений микроскопов на тему естествознание, физика

33 1

Микроскоп 514×600 и их применение Бинокли с оптическим усилителем

14

508×826 Микроскоп Рисунок Клипарт Панда

12

2333×2480 Abaxis лучше

9 3

459×457 Световая микроскопия клипарт Draw Label

10

1065×794 Схема Схема бинокулярного микроскопа

6 3

412×500 26 лучших изображений с микроскопа по наукам о жизни, физикам

6 1

555×915 Лучшие идеи деталей микроскопа на клетках 5-го класса

3 1

Клипарт Легко для световой микроскопии 250×354

2 1

Рабочие листы для маркировки микроскопов 1649×1801 для всех Скачать

3

Патенты США, относящиеся к микроскопам 250×367, 1853, 1915 г.

2

Бинокулярный микроскоп 269×300, схема 66821 Baidata

2

412×500 Биология 130 Лаборатория 1

1

779×894 Bmc

1

Бинокулярный микроскоп 250×250 в Пуне, Махараштра, Индия

1

450×450 Векторный цветной старый микроскоп.Винтаж рисованной иллюстрации

1

1299×2400 винтажный микроскоп PNG изображения

214×265 15 ответов на распространенные вопросы новичков о микроскопе, 2015 г.

236×334 1665, Микроскоп Micrographia, http://www.nlm.nih.gov

600×938 42 лучших изображения Gr2 (биология) на Ap Biology

245×333 805 Microscope Lab Answers

Усовершенствованный поляризационный микроскоп 411×480 Bpm800 с отраженным Андором

569×1024 Cartoon Image Of Microscope Векторного Lkeskinen0

737×1083 Eupholus Amalulu, автор: Dragunalb

300×340 Как купить хороший микроскоп

770×967 Индекс медицины и математики01

Перевернутый металлургический оптически микроскоп 448кс464 для учить университета

Эскиз лабораторного микроскопа 894×1390 Стоковые Фото Лабораторный микроскоп Amp

Эскиз лабораторного микроскопа 300×406

Зум-микроскоп 557×763 Mm Zl 45

Мировой блог микроскопов 800×925, 2015 г.

Оптический путь 396×550 в бинокулярном микроскопе, старинная гравюра

469×546 Sc606 New Five Waveband G, b, bv, v, u флуоресцентный микроскоп

603×850 Проекты Science Fair

378×607 Проекты Science Fair

443×567 Научно-ботаническая иллюстрация 2006 г. 2010 г. на Behance

микроскоп

Учебное пособие :

Учебное пособие для микроскопа Учебное пособие

Щелкните здесь, чтобы загрузить версию данного учебного пособия в словах Word

Используя свой микроскоп, следуйте инструкциям на этом листе, чтобы узнать больше о том, как работает ваш световой микроскоп.Пройдите руководство. Смотрите все видео. Нажмите на закладки внизу и откройте для себя эти разные веб-сайты. Когда вы это сделаете, следуйте этим вопросам, чтобы завершить обучение.

1. Заполните части этой области. Проверьте свои ответы, дважды щелкнув изображение в учебнике.

2. Как правильно носить световой микроскоп?

3. Снова посмотрите видео №1. Я использую объектив с 40-кратным увеличением.Какое полное увеличение образца?

4. Перед вами слайд, буква «е», вода и покровное стекло. Следуйте инструкциям на втором видео, чтобы сделать слайд. Почему покровное стекло нужно класть на предметное стекло по диагонали?

5. Посмотрите еще раз третье видео. Правильно поместите слайд на прицел и, используя самый нижний объектив, сфокусируйтесь на «е» на слайде. Как вы думаете, почему важно начинать с самой маленькой цели?

6.Посмотрите два последних видео, № 5 и № 6, о том, как изображение, которое вы видите, является зеркальным отображением образца. Попробуйте переместить ИЗОБРАЖЕНИЕ вправо, в какую сторону нужно было переместить слайд? Отцентрируйте букву «е» в середине прицела. Теперь переместите изображение, чтобы увидеть его самый верх. В каком направлении вы двигали слайд на сцене?

7. Посмотрите еще раз на видео №4, увеличьте увеличение вашей «е» с 40X до 100X. Какой регулятор нужно использовать сейчас, чтобы сфокусироваться на большом изображении? Почему?

8.Какие две вещи вы узнали из первой закладки, анимированного руководства?

а.

г.

9. Просмотрите следующую ссылку, как работает микроскоп, и просмотрите видео. Что обозначают красные стрелки на видео?

.