Почему нам нужен микроскоп?
Человеческий глаз обладает естественным ограничением: он не способен четко различать объекты размером менее 0,1 миллиметра. Однако окружающий мир полон деталей, невидимых невооруженным взглядом: микроорганизмы, клетки тканей растений и животных, тонкие структуры материалов и многое другое. Для исследования этой скрытой реальности был создан микроскоп — оптический прибор, формирующий сильно увеличенное изображение мельчайших предметов. Само название устройства происходит от греческих слов «mikros» (малый) и «skopeo» (смотрю), что точно отражает его основную функцию.
История открытия микромира
Первые шаги в создании приборов, напоминающих микроскоп, были сделаны еще в конце XVI века. Согласно историческим данным, примерно в 1590 году подобное устройство сконструировал нидерландский мастер Захария Янсен. Значительный прорыв произошел в 1665 году, когда английский ученый Роберт Гук создал более совершенный прибор, уже имевший черты современных моделей. Именно с его помощью Гук исследовал тонкие срезы тканей и совершил фундаментальное открытие — клеточное строение организмов. Несколько позже, в 1673–1677 годах, другой нидерландский исследователь, Антони ван Левенгук, используя мощные для своего времени линзы, впервые увидел и описал невидимый ранее мир бактерий и других микроорганизмов, положив начало микробиологии.
Как устроен и работает оптический микроскоп
Принцип работы классического микроскопа основан на системе линз. Исследуемый образец (препарат) размещается на специальном предметном столике. Над ним закреплен тубус (трубка) с двумя основными оптическими элементами: объективом, обращенным к объекту, и окуляром, в который смотрит наблюдатель. Для создания четкого изображения объект необходимо осветить. Для этого используется система освещения, которая может включать лампу, зеркало и конденсорную линзу.
Объектив собирает световые лучи, отраженные или прошедшие через образец, и создает его первое увеличенное изображение внутри тубуса. Это изображение, в свою очередь, дополнительно увеличивается окуляром, через который его и рассматривает человек. Степень общего увеличения микроскопа определяется комбинацией фокусных расстояний объектива и окуляра. Современные оптические микроскопы способны увеличивать объекты до 2000 раз.
Для точной настройки резкости и фокусировки на разных участках препарата микроскоп оснащен специальными винтами (грубой и точной фокусировки). Вращая их, исследователь добивается максимальной четкости картинки.
Дополнительные возможности и приспособления
Функциональность микроскопа можно значительно расширить с помощью различных аксессуаров. Например, установив микрофотонасадку, к прибору можно присоединить фотоаппарат и делать детальные снимки изучаемых объектов — это называется микрофотографией. Другое полезное устройство — микроманипулятор. Это система точных механических или электронных инструментов (игл, пипеток, электродов), которые позволяют под контролем микроскопа выполнять тончайшие операции: вскрывать клетки, вводить в них вещества или перемещать микроскопические частицы.
Электронный микроскоп: шаг за пределы света
Но что делать, если объект исследования (например, вирус или атомная решетка кристалла) настолько мал, что даже максимального увеличения оптического микроскопа недостаточно? Решение этой задачи пришло из области физики. Ученые установили, что движущиеся электроны ведут себя подобно волнам, причем длина их волны в десятки тысяч раз короче, чем у видимого света. Это означает, что с помощью «электронного света» можно рассмотреть гораздо более мелкие детали. На этом принципе в 1930-х годах был создан первый электронный микроскоп.
Принцип действия электронного микроскопа
В электронном микроскопе произошла радикальная замена компонентов. Вместо световых лучей здесь используется пучок ускоренных электронов, а роль стеклянных линз выполняют электромагнитные катушки, создающие поля, которые фокусируют электронный поток подобно тому, как линза фокусирует свет.
Источником электронов служит так называемая электронная пушка. В ней металлический катод (2) испускает электроны, которые фокусируются специальным электродом (3) и разгоняются до высоких скоростей сильным электрическим полем между катодом и анодом (1). Для создания этого поля требуется очень высокое напряжение — от 100 000 вольт и более.
Сформированный пучок электронов с помощью конденсорной линзы (4) направляется на исследуемый образец. Проходя через него (или отражаясь от него), электроны рассеиваются. Затем объективная электронная линза (5) формирует первое промежуточное увеличенное изображение объекта (7). Далее проекционная линза (6) создает окончательное, еще более увеличенное изображение, которое проецируется на люминесцентный экран. При попадании электронов на этот экран он начинает светиться, и исследователь видит светящуюся картину структуры объекта. Для документации результатов под экраном можно разместить фотопластинку или современную ПЗС-камеру.
Конструкция и возможности
Все перечисленные узлы объединены в герметичную конструкцию — колонну, внутри которой поддерживается глубокий вакуум (давление порядка 100 микропаскалей). Это необходимо, чтобы электроны не сталкивались с молекулами воздуха и не рассеивались, что привело бы к размытию изображения. Блоки питания, генерирующие высокое напряжение и ток для электромагнитных линз, а также пульт управления обычно располагаются в основании прибора.
Стандартное увеличение просвечивающего электронного микроскопа, определяемое произведением увеличений объективной и проекционной линз, составляет 20 000–40 000 раз. Для достижения еще большей детализации между этими линзами иногда устанавливают дополнительную, что позволяет увеличивать объекты в сотни тысяч раз. Разрешающая способность современных электронных микроскопов невероятно высока — они способны различать детали размером в доли нанометра, открывая взору ученых мир атомных структур.