Kaip peržiūrėti optinio mikroskopo nano objektą

Kaip peržiūrėti optinio mikroskopo nano objektą

A. Yezhovas
"Kvantas" №2, 2010

Kaip žinote, pagrindinė dalis informacijos apie pasaulį aplink žmogų gaunama per regėjimą. Žmonių akis yra sudėtingas ir tobulas prietaisas. Šis gamtos sukurtas įrenginys veikia su šviesos elektromagnetine spinduliuote, kurio bangos ilgis yra nuo 400 iki 760 nanometrų. Spalva, kurią žmogus suvokia, skiriasi nuo violetinės iki raudonos.

Elektromagnetinės bangos, atitinkančios matomą šviesą, sąveikauja su akių atomų ir molekulių elektronų kiautais. Šios sąveikos rezultatas priklauso nuo šių kriauklių elektronų būklės. Šviesa gali būti absorbuojama, atspindėta ar išsisklaidyta. Tai, kas būtent įvyko šviesai, gali daug ką pasakyti apie atomus ir molekules, su kuriomis jis sąveikavo. Atomų ir molekulių dydžio diapazonas nuo 0,1 iki dešimčių nanometrų. Tai daug kartų mažesnis nei šviesos bangos ilgis. Nepaisant to, labai svarbu matyti tiksliai tokio dydžio objektus – vadiname nanoobjektais. Ką reikia tai padaryti? Mes pirmiausia aptarsime, ką mato žmogaus akis.

Paprastai, kalbant apie optinio prietaiso skyrybą, jie naudoja dvi sąvokas. Vienas iš jų yra kampinė raiška, o antrasis yra linijinė raiška. Šios sąvokos yra tarpusavyje susijusios.Pavyzdžiui, žmogaus akies kampinė raiška yra apie 1 arko minutę. Šiuo atveju akis gali atskirti dviejų taškų objektus, esančius 25-30 cm atstumu nuo jo, tik tada, kai atstumas tarp šių objektų yra didesnis nei 0,075 mm. Tai gana palyginama su įprastu kompiuteriniu skaitytuvu. Iš tiesų, 600 dpi skiriamoji geba reiškia, kad skaitytuvas gali atskirti taškus, esančius 0,042 mm atstumu viena nuo kitos.

Kad būtų galima atskirti objektus, esančius net mažesniuose atstumu vienas nuo kito, buvo išrastas optinis mikroskopas – instrumentas, kuris didina akies atskyrimo jėgą. Šie įrenginiai atrodo kitaip (kaip matyti iš 1 pav.), Tačiau jie turi tą patį operacijos principą. Optinis mikroskopas leido mums stumti skyros ribą iki mikrono dalių. Jau prieš 100 metų optinė mikroskopija leido ištirti mikronų dydžio objektus. Tačiau tuo pačiu metu tapo aišku, kad tiesiog didinant objektyvų skaičių ir gerinant jų kokybę, neįmanoma pasiekti tolesnio padidinimo. Atrodė, kad optinio mikroskopo raišką riboja pats šviesos savybės, būtent bangos pobūdis.

Pav. 1. Optiniai mikroskopai. Kairėje – mikroskopo įmonė Carl Zeiss 1906 m. dešinėje – to paties kompanijos modernus tyrimo mikroskopas su dviem vaizdo kameromis, paremtais CCD masyvais viršuje. Vaizdas: "Quant"

Praėjusio amžiaus pabaigoje buvo nustatyta, kad optinis mikroskopas yra . Šioje formulėje λ yra šviesos bangos ilgis, ir nnuodėmė tu – mikroskopo objektyvo skaitmeninė diafragma, apibūdinanti mikroskopą ir medžiagą, esančią tarp tyrimo objekto ir arčiausiai esančio mikroskopo objektyvo. Iš tiesų, skaičiaus apertūros išraiška apima lūžio rodiklį n terpė tarp objekto ir objektyvo ir kampas tu tarp objektyvo optinės ašies ir labiausiai ekstremalių spindulių, kurie išeina iš objekto ir gali patekti į šį objektyvą. Vakuumo lūžio rodiklis yra vienas. Ore šis indikatorius yra labai artimas vienybei, vandenyje yra 1,33303, o specialiuose skysčiuose, kurie naudojami mikroskopijoje, kad būtų pasiekta maksimali skyra, n ateina iki 1,78. Nepriklausomai nuo kampo tunuodėmės vertė tu negali būti daugiau nei vienas. Taigi optinio mikroskopo skyrimas neviršija šviesos bangos ilgio dalių.

Paprastai manoma, kad rezoliucija yra pusė bangos ilgio.

Pav. 2 To paties taško šaltinio vaizdai, gauti naudojant lęšius su skirtingomis skaitmeninėmis angais – kairysis vaizdas yra dvigubai didesnis, nei dešinysis. Centrinės didžiausias intensyvumas yra maždaug 85% visų vaizdų dalių intensyvumo. Vaizdas: "Quant"

Objekto intensyvumas, raiška ir didinimas yra skirtingi dalykai. Galite padaryti, kad atstumas tarp objektų vaizdų centrų, esančių 10 nm vienas nuo kito, būtų 1 mm. Tai atitiktų 100 000 kartų padidėjimą. Tačiau, norint sužinoti, ar vienas yra objektas ar du, tai neveiks. Faktas yra tai, kad objektų, kurių matmenys yra labai maži, palyginti su šviesos bangos ilgiu, vaizdai yra tokios pat formos ir dydžio, nepriklausomai nuo pačių objektų formos. Tokie objektai vadinami taškiniaisiais objektais – jų dydžius galima nepaisyti. Jei tokio taško objektas švytės, optinis mikroskopas paveiks jį ryškiu ratu, apsuptu šviesių ir tamsių žiedų. Dėl paprastumo mes toliau atsižvelgsime į šviesos šaltinius.Tipiškas taškų šviesos šaltinio vaizdas, gautas naudojant optinį mikroskopą, parodytas 2 pav. Lengvųjų žiedų intensyvumas yra daug mažesnis nei apskritimo intensyvumas ir mažėja atstumu nuo vaizdo centro. Dažniausiai matote tik pirmąjį ryškųjį žiedą. Pirmojo tamsaus žiedo skersmuo yra . Funkcija, apibūdinanti šį intensyvumo pasiskirstymą, vadinama taškinės sklaidos funkcija. Ši funkcija nepriklauso nuo to, koks didinimas. Kelių taškų objektų įvaizdis bus tik apskritimai ir žiedai, kaip matyti iš 3 pav. Gautas vaizdas gali būti padidintas, tačiau jei sujungti du gretimų taškų objektų vaizdai, tada jie suliejami toliau. Toks padidėjimas dažnai vadinamas nenaudingas – dideli vaizdai bus tiesiog neaiškūs. Netinkamo padidėjimo pavyzdys parodytas 4 paveiksle. Formula dažnai vadinama difrakcijos riba, ir ji yra tokia garsi, kad buvo iškirpti ant paminklo šios formulės autoriui – Vokietijos optiniam fizikui Ernstam Abbei.

Pav. 3 Taškinių šaltinių grupių vaizdai. 1 ir 2 šaltiniai yra daug didesni atstumu d = λ/(n nuodėmėtu), šaltiniai 3 ir 4 – atstumu d/ 2, o šaltiniai 5 ir 6 – žymiai mažiau atstumu d/ 2. Vaizdas: "Quant"

Žinoma, laikui bėgant, optiniai mikroskopai pradėjo teikti įvairius įrenginius, kurie leidžia jums saugoti vaizdus. Pirma, filmų kamera ir vaizdo kameros papildė žmogaus akis, o tada fotoaparatus, kurie yra pagrįsti skaitmeniniais įtaisais, kurie paverčia šviesą, nukreiptą į juos, į elektrinius signalus. Dažniausiai iš šių įrenginių yra CCD matricos (CCD reiškia su įkraunamu įtaisu). Pikelių skaičius skaitmeniniuose fotoaparatuose ir toliau didėja, tačiau pats savaime tai negali pagerinti optinių mikroskopų atspalvių.

Pav. 4 Vaizdai iš dviejų taško šaltinių, paimtų lęšiai su ta pačia skaitmenine diafragma, tačiau su skirtingais didinimais. Atstumas tarp taškinių šaltinių yra λ / (2n nuodėmėtu) Vaizdas: "Quant"

Prieš dvidešimt penkerius metus atrodė, kad difrakcijos riba yra neįveikiama ir kad norint ištirti objektus, kurių matmenys yra daug kartų mažesni nei šviesos bangos ilgis, būtina išmesti patį šviesą. Tai buvo būdas elektroninių ir rentgeno mikroskopų kūrėjams.Nepaisant daugybės tokių mikroskopų privalumų, išlieka užduotis naudoti šviesą nano objektų tyrimui. Tam buvo daugybė priežasčių: patogus ir paprastas darbo su objektais, trumpas laikas, kurio reikia norint gauti vaizdą, žinomus mėginių spalvinimo metodus ir daug daugiau. Galiausiai po daugelio sunkaus darbo metų tapo įmanoma išnagrinėti nano objektus naudojant optinį mikroskopą. Didžiausia pažanga šioje srityje padaryta fluorescencinės mikroskopijos srityje. Žinoma, niekas atšaukė difrakcijos ribą, tačiau ją galima apeiti. Šiuo metu yra įvairių optinių mikroskopų, kurie leidžia mums svarstyti objektus, kurių matmenys yra daug mažesni nei labai šviesos bangos ilgis, kuris sukuria šių objektų vaizdus. Visi šie įrenginiai yra vieningi pagal vieną bendrą principą. Pabandykime išsiaiškinti, kuris iš jų.

Iš to, kas jau buvo pasakyta apie difrakcijos ribą, yra akivaizdu, kad tai nėra sunku matyti taškinį šaltinį. Jei šis šaltinis yra pakankamai intensyvus, jo vaizdas bus aiškiai matomas.Kaip jau minėta, šio vaizdo formą ir dydį lemia optinės sistemos savybės. Šiuo atveju, žinodamas optinės sistemos savybes ir įsitikinę, kad objektas yra taškas, galite tiksliai nustatyti, kur yra objektas. Tokio objekto koordinatės tikslumas yra gana aukštas. Jo pavyzdys gali būti 5 paveikslėlis. Tikslesnę tikslinio objekto koordinates galima nustatyti, tuo intensyvesni. Atgal į praėjusio amžiaus 80-ųjų metų jie galėjo nustatyti atskirų šviesos molekulių padėtį tikslumu 10-20 nanometrų naudojant optinį mikroskopą. Tikslios taškinio šaltinio koordinačių nustatymo būtinos sąlygos yra jo vienatvė. Kitas artimiausias šaltinio šaltinis turi būti tokioje vietoje, kad tyrėjas žino, kad apdorotas vaizdas atitinka vieną šaltinį. Akivaizdu, kad šis atstumas l turi atitikti sąlygą . Tokiu atveju vaizdų analizė gali pateikti labai tikslius duomenis apie paties šaltinio padėtį.

Pav. 5 Takelio šaltinio pozicijos sekos nustatymas tikslumu daug didesnis nei λ / (2n nuodėmėtu)Raudonas kryžius žymi dabartinę šaltinio padėtį, o mėlyna spalva nurodo šaltinio trajektoriją, pastatytą pagal tris jos pozicijas. Mėlynojo rato dydis atitinka šaltinio pozicijos nustatymo tikslumą. Vaizdas: "Quant"

Dauguma objektų, kurie yra kur kas mažesni už optinio mikroskopo rezonansą, galima laikyti taškinių šaltinių rinkiniu. Tokio komplekto šviesos šaltiniai yra nutolę nuo kitokio atstumu, kuris yra daug mažesnis nei . Jei šie šaltiniai šviečia tuo pačiu metu, bus neįmanoma ką nors pasakyti apie tai, kur jie yra. Tačiau, jei pavyks paversti šiuos šaltinius savo ruožtu, tada kiekvienos iš jų poziciją galima nustatyti labai tiksliai. Jei šis tikslumas viršija atstumą tarp šaltinių, tada, žinodamas kiekvieno iš jų padėtį, galite sužinoti, kokia yra jų santykinė pozicija. Tai reiškia, kad buvo gautos informacijos apie objekto formą ir dydį, kuris pateikiamas kaip taškų šaltinių rinkinys. Kitaip tariant, tokiu atveju objektas, kurio dydis yra mažesnis nei difrakcijos riba, gali būti matomas optiniu mikroskopu!

Taigi pagrindinis dalykas yra gauti informaciją apie skirtingas nano objekto dalis nepriklausomai vienas nuo kito. Tai padaryti yra trys pagrindinės metodų grupės.

Pirmoji metodų grupė tiksliai sukelia vienos ar kitos dalies objekto spindesį. Garsiausias iš šių metodų yra optinė mikroskopija prieigoje. Apsvarstykite tai išsamiau.

Jei atidžiai išnagrinėsite sąlygas, kurios yra numatytos, kai kalbama apie difrakcijos ribą, pamatysite, kad atstumai nuo objektų iki lęšių yra daug ilgesni už šviesos bangos ilgį. Tuo atstumu, kuris yra panašus į ir mažesnis nei šis bangos ilgis, vaizdas skiriasi. Prie bet kokio objekto, kuris patenka į šviesos bangos elektromagnetinį lauką, yra kintamasis elektromagnetinis laukas, kurio dažnis yra toks pat, kaip ir šviesos bangos lauko pasikeitimo dažnis. Skirtingai nuo šviesos bangos, šis laukas greitai išnyksta, nes jis juda nuo nanoobjekto. Atstumas, kuriuo intensyvumas mažėja, pavyzdžiui, in e kartus, palyginti su objekto dydžiu. Taigi optinio dažnio elektromagnetinis laukas yra sutelktas į erdvę, kurios dydis yra daug mažesnis nei šviesos bangos ilgis.Bet kuris nano objektas, patenkantis į šią zoną, kažkaip bendraus su koncentruotu lauku. Jei objektas, kurio pagalba ši lauko koncentracija yra vykdoma, nuosekliai perkelia bet kuriuo keliu išilgai ištirto nano objekto ir užregistruoja šios sistemos skleidžiamą šviesą, tada vaizdas gali būti sudarytas iš atskirų taškų, esančių šiame kelyje. Žinoma, kiekviename taške vaizdas atrodys taip, kaip parodyta 2 paveiksle, tačiau rezoliucija bus nustatoma, kaip gerai koncentruotas laukas. O tai, savo ruožtu, lemia objekto dydis, su kuriuo ši sritis yra koncentruojama.

Labiausiai paplitęs būdas šiam lauko koncentravimui padaryti yra labai maža skylė metaliniame ekrane. Paprastai ši anga yra smailaus pluošto dengto metalo pluošto gale (pluoštas dažnai vadinamas optiniu pluoštu ir plačiai naudojamas duomenų perdavimui dideliais atstumais). Dabar galima padaryti skyles skersmuo nuo 30 iki 100 nm. Skiriamoji geba yra tokia pati.Įrankiai, veikiantys pagal šį principą, vadinami optinio mikroskopu, kurie skenuojasi lauke. Jie atsirado prieš 25 metus.

Antrosios metodų grupės esmė yra tokia. Užuot nanoobjektų gretimų spindi scenoje, galite naudoti objektų, kurie švyti skirtingomis spalvomis. Šiuo atveju, naudojant optinius filtrus perduoti šviesą tam tikros spalvos, galite nustatyti kiekvieno objekto poziciją, o po to – padaryti vieną nuotrauką. Tai yra labai panašus į tą, parodyta 5 paveiksle, tik už tris vaizdus spalvos bus skirtingos.

Paskutinis grupės metodų įveikti difrakcijos ribą ir išnagrinėti nanoskalės objektus, naudoja šviesos objektų savybes. Yra šaltiniai, kuriuos galima "įjungti" ir "išjungti" naudojant specialiai pasirinktą šviesą. Tokie perjungimai įvyksta statistiškai. Kitaip tariant, jei yra daug įjungiamos nano-objektus, tada pakėlė bangos šviesos ir jos intensyvumas gali būti padaryta "uždaryti" tik šių objektų frakcija. Likę objektai ir toliau švys, ir jūs galite gauti iš jų vaizdą.Po to būtina "įjungti" visus šaltinius ir vėl "išjungti" kai kuriuos iš jų. Likusių "įtrauktų" šaltinių rinkinys skirsis nuo nustatyto, kuris išlieka "įjungtas" pirmą kartą. Daugelį kartų pakartodami šią procedūrą galite gauti didelį vaizdų rinkinį, kuris skiriasi vienas nuo kito. Analizuojant tokį rinkinį, galima nustatyti didžiąją dalį visų šaltinių, kurių aukštas tikslumas yra gerokai didesnis už difrakcijos ribą. Tokiu būdu gautas superžeminimo pavyzdys parodytas 6 paveiksle.

Pav. 6 Paveikslo, gauto naudojant įprastą mikroskopą (kairėje) ir vienas iš optinių super rezoliucijos metodų (dešinėje) Dešiniojo vaizdo pusė atitinka 2,5 mikroną. Tai yra maždaug 10-12 kartų didesnė už λ / (2n nuodėmė tu) naudojamo objektyvo ir šviesos bangos ilgio. Teritorija, parodyta su superrezoliucija dešinėje, yra paryškinta kairiajame paveiksle kvadratu. Vaizdas: "Quant" "border = 0>Pav. 6 Paveikslo, gauto naudojant įprastą mikroskopą (kairėje) ir vienas iš optinių super rezoliucijos metodų (dešinėje) Dešiniojo vaizdo pusė atitinka 2,5 mikroną.Tai yra maždaug 10-12 kartų didesnė už λ / (2n nuodėmėtu) naudojamo objektyvo ir šviesos bangos ilgio. Teritorija, parodyta su superrezoliucija dešinėje, yra paryškinta kairiajame paveiksle kvadratu. Vaizdas: "Quant"

Šiuo metu optinė mikroskopija su superresoliavimu sparčiai vystosi. Galima daryti prielaidą, kad artimiausiais metais ši sritis pritrauks vis daugiau mokslo darbuotojų ir noriu tikėti, kad tarp jų bus šio straipsnio skaitytojai.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: