Микроскоптар және микроскопия: ғылыми құралдар туралы мағлұмат
Microscope
Микроскоптар – бұл қабықшаларды зерттеуге арналған құрал. Олар көзбен көре алмайтын ұсақ нысандарды қарау үшін қолданылады. Микроскопия туралы біліңіз!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ғылыми құралдар – микроскоптар, құралдар, жалпы алғанда.
Scientific instrument
microscopes, the instruments, in general
Микроскоп – бұл зертханалық құрал, ол қанау көзімен көруге тым кішкентай объектілерді зерттеу үшін қолданылады. Микроскопия – микроскопты пайдаланып кішкентай объектілер мен құрылымдарды зерттеу ғылымы. Микроскопиялық дегеніміз – микроскоптың көмегімен ғана көрінетін, қанау көзімен көрінбейтін. Микроскоптардың көп түрлері бар, оларды әртүрлі топтарға бөлуге болады. Бір жолы – құралдың үлгімен қарым-қатынас жасау және бейнелерді жасау әдісін сипаттау, яғни оның оптикалық жолы арқылы үлгіге жарық немесе электрон сәулесін жіберу, үлгіден фотон шығарылымдарын анықтау немесе зондты пайдаланып үлгі бетінен қысқа қашықтықта сканерлеу арқылы. Ең көп таралған микроскоп (және алғашқы ойлап табылуы) – оптикалық микроскоп, ол жұқа тілімнен өткен көрінетін жарықты сындыру үшін линзаларды пайдаланады, нәтижесінде көрінетін бейне пайда болады. Басқа маңызды микроскоп түрлері – флуоресценттік микроскоп, электрондық микроскоп (өткізу электрондық микроскопы және сканерлік электрондық микроскопы) және түрлі сканерлік зонд микроскоптары.
A microscope is a laboratory instrument used to examine objects that are too small to be seen by the naked eye. Microscopy is the science of investigating small objects and structures using a microscope. Microscopic means being invisible to the eye unless aided by a microscope. There are many types of microscopes, and they may be grouped in different ways. One way is to describe the method an instrument uses to interact with a sample and produce images, either by sending a beam of light or electrons through a sample in its optical path, by detecting photon emissions from a sample, or by scanning across and a short distance from the surface of a sample using a probe. The most common microscope (and the first to be invented) is the optical microscope, which uses lenses to refract visible light that passed through a thinly sectioned sample to produce an observable image. Other major types of microscopes are the fluorescence microscope, electron microscope (both the transmission electron microscope and the scanning electron microscope) and various types of scanning probe microscopes.
Тарих
Линзаға ұқсас заттар 4000 жыл бұрын пайда болған, ал гректерде сумен толтырылған шарлардың оптикалық қасиеттері туралы жазбалар бар (б.з.д. 5 ғасыр), содан кейін көп ғасырлар бойы оптика туралы еңбектер жарық көрді. Бірақ қарапайым микроскоптардың (зортамалы шынылардың) ең ерте пайдалануы 13 ғасырда көзілдіріктерде линзалардың кеңінен қолданылуымен байланысты. Объектінің жанында объективті линзаны және нақты бейнені көру үшін окулярды біріктіретін құрама микроскоптардың ең алғашқы мысалдары шамамен 1620 жылы Еуропада пайда болды. Оның ойлап табушысы белгісіз, көптеген жылдар бойы көптеген талапкерлер аталды. Көптеген мәлімдемелер Нидерландыдағы көзқарас жасау орталықтарына қатысты, оның ішінде 1590 жылы Захария Янссен (оның ұлы мәлімдеген) немесе Захарияның әкесі Ханс Мартенс, немесе екеуі де, көршілері және бәсекелесі Ханс Липперши (1608 жылы алғашқы телескопқа патент алған) немесе 1619 жылы Лондонда нұсқасы болған эмигрант Корнелис Дреббель ойлап тапқан деген пікірлер бар. Галилео Галилей (кейде құрама микроскопты ойлап тапқан деп те айтылады) 1610 жылдан кейін кішкентай нысандарды көру үшін телескопын жақынға келтіре алатынын анықтаған сияқты. 1624 жылы Дреббельдің Римде көрмеге қойылған құрама микроскопын көргеннен кейін ол өзінің жетілдірілген үлгісін жасады. Джованни Фабер 1625 жылы Accademia dei Lincei академиясына Галилео ұсынған құрама микроскопқа «микроскоп» деген атау берді (Галилео оны «occhiolino» – «кішкентай көз» деп атаған). Рене Декарт (Dioptrique, 1637) микроскоптарды сипаттайды, онда объектіге қарай ойыс айна, линзамен бірге, объектіні жарықтандыру үшін қолданылады, ол айнаның фокусына бекітілген нүктеге орнатылады.
Although objects resembling lenses date back 4,000 years and there are Greek accounts of the optical properties of water filled spheres (5th century BC) followed by many centuries of writings on optics, the earliest known use of simple microscopes (magnifying glasses) dates back to the widespread use of lenses in eyeglasses in the 13th century. The earliest known examples of compound microscopes, which combine an objective lens near the specimen with an eyepiece to view a real image, appeared in Europe around 1620. The inventor is unknown, even though many claims have been made over the years. Several revolve around the spectacle making centers in the Netherlands, including claims it was invented in 1590 by Zacharias Janssen (claim made by his son) or Zacharias' father, Hans Martens, or both, claims it was invented by their neighbor and rival spectacle maker, Hans Lippershey (who applied for the first telescope patent in 1608), and claims it was invented by expatriate Cornelis Drebbel, who was noted to have a version in London in 1619. Galileo Galilei (also sometimes cited as compound microscope inventor) seems to have found after 1610 that he could close focus his telescope to view small objects and, after seeing a compound microscope built by Drebbel exhibited in Rome in 1624, built his own improved version. Giovanni Faber coined the name microscope for the compound microscope Galileo submitted to the Accademia dei Lincei in 1625 (Galileo had called it the occhiolino 'little eye'). René Descartes (Dioptrique, 1637) describes microscopes wherein a concave mirror, with its concavity towards the object, is used, in conjunction with a lens, for illuminating the object, which is mounted on a point fixing it at the focus of the mirror.
Қазіргі заманғы жарық микроскоптарының пайда болуы
Органикалық тіндердің микроскоптық анатомиясы туралы алғашқы толық мәлімет 1644 жылы Джанбаттиста Одиернаның "Л'оккьо делла моска" немесе "Шыбықтың көзі" атты еңбегінде жарияланды. 1660 және 1670 жылдарға дейін микроскоп жаңалық саналды, содан кейін Италия, Нидерланды және Англия табиғаттанушылары биологияны зерттеу үшін оны қолдана бастады. Кейбір биология тарихшылары гистологияның әкесі деп санайтын итальян ғалымы Марчелло Малпиги биологиялық құрылымдарды зерттеуді өкпеден бастады. Роберт Гуктің 1665 жылы жарық көрген "Микрография" кітабы, әсіресе әсерлі иллюстрацияларының арқасында, үлкен әсер етті. Гук бұрандалы шыны жіптердің ұштарын біріктіріп жасалған кішкентай шыны шарларынан тұратын кішкентай линзалар құрады. Содан кейін Ван Левенгук Ян Свамердамнан кейін қызыл қан жасушаларын және сперматозоидтарды қайта ашты, сондай-ақ биологиялық ультрақұрылымды қарау үшін микроскоптарды қолдануды кеңінен танымал етті. 1676 жылдың 9 қазанында ван Левенгук микроорганизмдерді тапқанын хабарлады. Электронды микроскоптар (ТЭМ) Екінші дүниежүзілік соғыстан бұрын зерттеулерде қолданылып, содан кейін танымал болды, бірақ сканерлік электронды микроскоптар (SEM) 1965 жылға дейін коммерциялық түрде қолжетімді болған жоқ. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін беріліс электронды микроскоптар кеңінен таралды. Эрнст Руска Siemens компаниясында жұмыс істеп, алғашқы коммерциялық беріліс электронды микроскопын жасады, ал 1950 жылдары электронды микроскопия бойынша маңызды ғылыми конференциялар өткізіле бастады. 1965 жылы профессор сэр Чарльз Оатли және оның аспиранты Гэри Стюарт алғашқы коммерциялық сканерлік электронды микроскопын жасады, ал Кембридж аспаптар компаниясы оны "Стереоскан" деп сатты. Электронды микроскопты қолданудағы соңғы жаңалықтардың бірі – вирусты анықтау мүмкіндігі. Бұл микроскоп кішкентай органельдердің нақты бейнесін шығаратындықтан, вирусты немесе зиянды жасушаларды көру үшін реагенттердің қажеті жоқ, бұл патогендерді анықтаудың тиімді әдісін ұсынады.
The first detailed account of the microscopic anatomy of organic tissue based on the use of a microscope did not appear until 1644, in Giambattista Odierna's L'occhio della mosca, or The Fly's Eye. The microscope was still largely a novelty until the 1660s and 1670s when naturalists in Italy, the Netherlands and England began using them to study biology. Italian scientist Marcello Malpighi, called the father of histology by some historians of biology, began his analysis of biological structures with the lungs. The publication in 1665 of Robert Hooke's Micrographia had a huge impact, largely because of its impressive illustrations. Hooke created tiny lenses of small glass globules made by fusing the ends of threads of spun glass. Then, Van Leeuwenhoek re discovered red blood cells (after Jan Swammerdam) and spermatozoa, and helped popularise the use of microscopes to view biological ultrastructure. On 9 October 1676, van Leeuwenhoek reported the discovery of micro organisms. Although TEMs were being used for research before WWII, and became popular afterwards, the SEM was not commercially available until 1965. Transmission electron microscopes became popular following the Second World War. Ernst Ruska, working at Siemens, developed the first commercial transmission electron microscope and, in the 1950s, major scientific conferences on electron microscopy started being held. In 1965, the first commercial scanning electron microscope was developed by Professor Sir Charles Oatley and his postgraduate student Gary Stewart, and marketed by the Cambridge Instrument Company as the "Stereoscan". One of the latest discoveries made about using an electron microscope is the ability to identify a virus. Since this microscope produces a visible, clear image of small organelles, in an electron microscope there is no need for reagents to see the virus or harmful cells, resulting in a more efficient way to detect pathogens.
Сканерлік зонд микроскоптары
1981 жылдан 1983 жылға дейін Герд Биннинг және Генрих Рорр Швейцарияның Цюрих қаласындағы IBM компаниясында кванттық туннель құбылысын зерттеді. Олар кванттық туннель теориясы негізінде жасалған сканерлік зонд микроскопын – нақты құралды құрастырды, ол зонд пен үлгі беті арасындағы өте шағын күштерді өлшейді. Зонд бетке соншалықты жақындасады ki электрондар зонд пен үлгі арасында үздіксіз ағып, беттен зондқа ток түзеді. Микроскоп бастапқыда күрделі теориялық түсіндірмелерге байланысты кеңінен қабылдамады. 1984 жылы Джерри Терсофф пен Д. Р. Хаманн Нью-Джерси штатының Мюррей-Хилл қаласындағы AT&T Bell Laboratories-те жұмыс істеген кезде, құралдан алынған тәжірибелік нәтижелерді теориямен байланыстыратын мақалалар жариялай бастады. 1985 жылы коммерциялық құралдар пайда болды, ал 1986 жылы Герд Биннинг, Квейт және Гербер атомдық күш микроскопын ойлап тапты, содан кейін Биннинг пен Рорр SPM үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Өте ұсақ зондтар мен ұштарды өндіру мүмкіндігі арта келе, сканерлік зонд микроскопының жаңа түрлері жасала беруде.
From 1981 to 1983 Gerd Binnig and Heinrich Rohrer worked at IBM in Zürich, Switzerland to study the quantum tunnelling phenomenon. They created a practical instrument, a scanning probe microscope from quantum tunnelling theory, that read very small forces exchanged between a probe and the surface of a sample. The probe approaches the surface so closely that electrons can flow continuously between probe and sample, making a current from surface to probe. The microscope was not initially well received due to the complex nature of the underlying theoretical explanations. In 1984 Jerry Tersoff and D. R. Hamann, while at AT&T's Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey began publishing articles that tied theory to the experimental results obtained by the instrument. This was closely followed in 1985 with functioning commercial instruments, and in 1986 with Gerd Binnig, Quate, and Gerber's invention of the atomic force microscope, then Binnig's and Rohrer's Nobel Prize in Physics for the SPM. New types of scanning probe microscope have continued to be developed as the ability to machine ultra fine probes and tips has advanced.
Флуоресценттік микроскоптар
Жарық микроскопының ең соңғы жетістіктері негізінен биологияда флуоресценттік микроскопияның кеңінен қолданылуымен байланысты. Бұл жарық немесе қозудың дифракция шегінен туындайды, сондықтан супер қанығуға жету үшін ажыратымдылықты екі есеге арттыру қажет. Стефан Хелл 2014 жылғы Химия бойынша Нобель сыйлығына STED техникасын жасағаны үшін ие болды, ал Эрик Бетциг пен Уильям Моернер флуоресценттік микроскопияны жеке молекулаларды көруге бейімдеді.
The most recent developments in light microscope largely centre on the rise of fluorescence microscopy in biology. This occurs because the diffraction limit is occurred from light or excitation, which makes the resolution must be doubled to become super saturated. Stefan Hell was awarded the 2014 Nobel Prize in Chemistry for the development of the STED technique, along with Eric Betzig and William Moerner who adapted fluorescence microscopy for single molecule visualization.
Рентгендік микроскоптар
Рентгендік микроскоптар — нысандарды бейнелеу үшін, әдетте жұмсақ рентгендік сәулелер диапазонындағы электромагниттік сәулеленуді пайдаланатын құралдар. 1970-жылдардың басында рентгендік линзалар оптикасының технологиялық жетістіктері осы құралды тиімді бейнелеу құралына айналдырды. Олар көбінесе томографияда (микрокомпьютерлік томографияны қараңыз) қолданылады, химиялық тұрғыдан бекітілмеген биологиялық материалдарды қоса алғанда, нысандардың үш өлшемді бейнелерін жасау үшін. Қазіргі уақытта үлкен тегіс өту қабілетіне ие қатты рентген сәулелері үшін оптиканы жақсарту бойынша зерттеулер жүргізілуде. Микроскоптарды бірнеше түрлі классқа бөлуге болады. Бір жіктеу, бейнені жасау үшін үлгімен өзара әрекеттесетін нәрсеге негізделген: жарық немесе фотондар (оптикалық микроскоптар), электрондар (электрондық микроскоптар) немесе зонд (сканерлік зонд микроскоптары). Балама ретінде, микроскоптарды сканерлеу нүктесі арқылы (конфокалды оптикалық микроскоптар, сканерлік электрондық микроскоптар және сканерлік зонд микроскоптары) немесе бірден (кең өрістік оптикалық микроскоптар және трансмиссиялық электрондық микроскоптар) үлгіні талдау негізінде жіктеуге болады. Кең өрістік оптикалық микроскоптар мен трансмиссиялық электрондық микроскоптар, үлгі арқылы өтетін немесе үлгіден шағылысатын толқынның өтуінен пайда болатын бейнені үлкейту үшін линзалар теориясын (жарық микроскоптары үшін оптика, ал электрондық микроскоптар үшін электромагниттік линзалар) пайдаланады. Қолданылатын толқындар электромагниттік (оптикалық микроскоптарда) немесе электрондық сәулелер (электрондық микроскоптарда) болып табылады. Бұл микроскоптардағы ажыратымдылық, үлгіні бейнелеу үшін қолданылатын сәулеленудің толқын ұзындығымен шектеледі, ал қысқа толқын ұзындығы жоғары ажыратымдылыққа мүмкіндік береді. Конфокалды микроскоп және сканерлік электрондық микроскоп сияқты сканерлік оптикалық және электрондық микроскоптар, үлгіні жарық немесе электрондық нүктеге шоғырландыру үшін линзаларды қолданады, содан кейін үлгімен өзара әрекеттесетін сәуледен туындаған сигналдарды талдайды. Содан кейін нүкте тікбұрышты аймақты талдау үшін үлгі бойынша сканерленеді. Бейнені үлкейту, физикалық жағынан кішкентай үлгі аймағынан алынған деректерді салыстырмалы түрде үлкен экранда көрсету арқылы жүзеге асырылады. Бұл микроскоптардың ажыратымдылық шегі кең өрістік оптикалық, зондтық және электрондық микроскоптармен бірдей. Сканерлік зонд микроскоптары да үлгідегі бір нүктеге талдау жасайды, содан кейін сурет құру үшін зондты тікбұрышты үлгі аймағы бойынша сканерлейді. Бұл микроскоптар бейнелеу үшін электромагниттік немесе электрондық сәулелерді қолданбайтындықтан, жоғарыда сипатталған оптикалық және электрондық микроскоптар сияқты ажыратымдылық шегіне бағынбайды.
X ray microscopes are instruments that use electromagnetic radiation usually in the soft X ray band to image objects. Technological advances in X ray lens optics in the early 1970s made the instrument a viable imaging choice. They are often used in tomography (see micro computed tomography) to produce three dimensional images of objects, including biological materials that have not been chemically fixed. Currently research is being done to improve optics for hard X rays which have greater penetrating power.]] Microscopes can be separated into several different classes. One grouping is based on what interacts with the sample to generate the image, i. e., light or photons (optical microscopes), electrons (electron microscopes) or a probe (scanning probe microscopes). Alternatively, microscopes can be classified based on whether they analyze the sample via a scanning point (confocal optical microscopes, scanning electron microscopes and scanning probe microscopes) or analyze the sample all at once (wide field optical microscopes and transmission electron microscopes). Wide field optical microscopes and transmission electron microscopes both use the theory of lenses (optics for light microscopes and electromagnet lenses for electron microscopes) in order to magnify the image generated by the passage of a wave transmitted through the sample, or reflected by the sample. The waves used are electromagnetic (in optical microscopes) or electron beams (in electron microscopes). Resolution in these microscopes is limited by the wavelength of the radiation used to image the sample, where shorter wavelengths allow for a higher resolution. Scanning optical and electron microscopes, like the confocal microscope and scanning electron microscope, use lenses to focus a spot of light or electrons onto the sample then analyze the signals generated by the beam interacting with the sample. The point is then scanned over the sample to analyze a rectangular region. Magnification of the image is achieved by displaying the data from scanning a physically small sample area on a relatively large screen. These microscopes have the same resolution limit as wide field optical, probe, and electron microscopes. Scanning probe microscopes also analyze a single point in the sample and then scan the probe over a rectangular sample region to build up an image. As these microscopes do not use electromagnetic or electron radiation for imaging they are not subject to the same resolution limit as the optical and electron microscopes described above.
Оптикалық микроскоп
Микроскоптың ең көп таралған түрі (және алғашқы ойлап табылуы) – оптикалық микроскоп. Бұл – фокустық жазықтықта орналасқан үлгінің ұлғайтылған бейнесін жасауға арналған бір немесе бірнеше линзасы бар оптикалық құрал. Оптикалық микроскоптарда жарықты көзге немесе басқа жарық детекторға бағыттау үшін сындыратын шыны (кейде пластик немесе кварц) қолданылады. Көпірлі оптикалық микроскоптар да осы қағида бойынша жұмыс істейді. Көрінетін спектрдегі жарықты пайдаланғанда, жарық микроскопының әдеттегі ұлғаюы 1250 есеге дейін жетеді, ал теориялық шешілу қабілеті шамамен 0,250 микрометр немесе 250 нанометрді құрайды.
The most common type of microscope (and the first invented) is the optical microscope. This is an optical instrument containing one or more lenses producing an enlarged image of a sample placed in the focal plane. Optical microscopes have refractive glass (occasionally plastic or quartz), to focus light on the eye or on to another light detector. Mirror based optical microscopes operate in the same manner. Typical magnification of a light microscope, assuming visible range light, is up to 1,250× with a theoretical resolution limit of around 0.250 micrometres or 250 nanometres.
Электрондық микроскоп
Электрондық микроскоптардың екі негізгі түрі – трансмиссиялық электрондық микроскоптар (ТЭМ) және сканерлік электрондық микроскоптар (СЭМ). Екеуінде де үлгіге электрондардың жоғары энергиялы сәулесін бағыттау үшін электромагниттік және электростатикалық линзалар тізбегі бар. ТЭМ-де электрондар қарапайым оптикалық микроскопияға ұқсас, үлгі арқылы өтеді. Атомдық күш микроскопында әдетте кремний немесе кремний нитридінен жасалған, консольге бекітілген жұқа зонд болады; зонд үлгі бетімен сканерленеді, зонд пен үлгі беті арасындағы өзара әрекеттесуді тудыратын күштер өлшеніп, картаға түсіріледі. Жақын өрісті сканерлеуші оптикалық микроскоп AFM-ға ұқсас, бірақ оның зонды жарық шығаруға арналған оптикалық талшықтан тұрады, ол әдетте жарық өтуі үшін диафрагмасы бар ұшпен жабылған. Микроскоп беткейдің, көбінесе биологиялық үлгінің, өте шектеулі оптикалық қасиеттерін өлшеу үшін жіберілген немесе шағылысқан жарықты тіркеуге қабілетті. Сканерлеуші түнельдік микроскоптарда бір ғана апикалды атомы бар металл ұшы болады; ұш ток өтетін түтікке бекітіледі. Ұш өткізгіш үлгі бетімен түнельдік ток пайда болғанша сканерленеді; ток ұштың компьютерлік қозғалысы арқылы тұрақты ұсталады және ұштың тіркелген қозғалыстарынан кескін жасалады.
The two major types of electron microscopes are transmission electron microscopes (TEMs) and scanning electron microscopes (SEMs). They both have series of electromagnetic and electrostatic lenses to focus a high energy beam of electrons on a sample. In a TEM the electrons pass through the sample, analogous to basic optical microscopy. An atomic force microscope has a fine probe, usually of silicon or silicon nitride, attached to a cantilever; the probe is scanned over the surface of the sample, and the forces that cause an interaction between the probe and the surface of the sample are measured and mapped. A near field scanning optical microscope is similar to an AFM but its probe consists of a light source in an optical fiber covered with a tip that has usually an aperture for the light to pass through. The microscope can capture either transmitted or reflected light to measure very localized optical properties of the surface, commonly of a biological specimen. Scanning tunneling microscopes have a metal tip with a single apical atom; the tip is attached to a tube through which a current flows. The tip is scanned over the surface of a conductive sample until a tunneling current flows; the current is kept constant by computer movement of the tip and an image is formed by the recorded movements of the tip.
Мобильді қосымшалар
Ұялы қолданбадағы микроскоптарды шамды қосқанда оптикалық микроскоп ретінде пайдалануға болады. Дегенмен, ұялы қолданбадағы микроскоптарды пайдалану көру арқылы туындайтын бөгделіктерге байланысты қиынға түседі, көбінесе 40x-қа дейін шектеледі, сондай-ақ камера линзасының өзінің ажыратымдылық шектеулеріне де байланысты.
Mobile app microscopes can optionally be used as optical microscope when the flashlight is activated. However, mobile app microscopes are harder to use due to visual noise, are often limited to 40x, and the resolution limits of the camera lens itself.