Skip to main content
Global

27.9: Microscopy Imeimarishwa na Tabia za Wave za Mwanga

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    183468

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza

    Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

    • Jadili aina tofauti za microscopes.

    Utafiti wa Fizikia unasisitiza maendeleo ya maendeleo katika hadubini. Tunapopata ujuzi wa asili ya wimbi la mawimbi ya sumakuumeme na mbinu za kuchambua na kutafsiri ishara, hadubini mpya zinazotuwezesha “kuona” zaidi zinatengenezwa. Ni mageuzi na kizazi kipya cha hadubini ambacho kinaelezwa katika sehemu hii.

    Matumizi ya microscopes (microscopy) kuchunguza maelezo madogo ni mdogo na asili ya wimbi la mwanga. Kutokana na ukweli kwamba mwanga hutofautiana sana karibu na vitu vidogo, inakuwa vigumu kuchunguza maelezo madogo sana kuliko wavelength ya mwanga. Utawala mmoja wa kidole una kwamba maelezo yote madogo kuliko kuhusu\(\lambda\) ni vigumu kuchunguza. Radar, kwa mfano, inaweza kuchunguza ukubwa wa ndege, lakini sio rivets yake binafsi, kwa kuwa wavelength ya rada nyingi ni sentimita kadhaa au zaidi. Vilevile, mwanga unaoonekana hauwezi kugundua atomi za mtu binafsi, kwani atomi ni takriban nm 0.1 kwa ukubwa na wavelengths inayoonekana huanzia 380 hadi 760 nm. Kwa kushangaza, mbinu maalum zinazotumiwa kupata azimio bora zaidi na microscopes hutumia faida ya sifa sawa za wimbi la mwanga ambao hatimaye hupunguza maelezo.

    Kufanya uhusiano: mawimbi

    Majaribio yote ya kuchunguza ukubwa na sura ya vitu ni mdogo na wavelength ya probe. Sonar na ultrasound ya matibabu ni mdogo na wavelength ya sauti wanayoajiri. Tutaona kwamba hii pia ni kweli katika hadubini ya elektroni, kwani elektroni zina wavelength. Kanuni ya kutokuwa na uhakika wa Heisenberg inasema kuwa kikomo hiki ni cha msingi na kisichoweza kuepukika, kama tutakavyoona katika mechanics ya quantum.

    Njia dhahiri zaidi ya kupata maelezo bora ni kutumia wavelengths mfupi. Microscopes ultraviolet (UV) zimejengwa na lenses maalum zinazotumia mionzi ya UV na kutumia mbinu za picha au za elektroniki kurekodi picha. mfupi wavelengths UV kuruhusu baadhi ya maelezo zaidi ya kuzingatiwa, lakini hasara, kama vile hatari ya UV kwa tishu hai na haja ya vifaa maalum kugundua na lenses (ambayo huwa na kutawanyika katika UV), ukali kikomo matumizi ya hadubini UV. Mahali pengine, sisi kuchunguza matumizi ya vitendo ya mawimbi ya muda mfupi sana wavelength EM, kama vile x rays, na probes nyingine short-wavelength, kama vile elektroni katika hadubini elektroni, kuchunguza maelezo madogo.

    Ugumu mwingine katika hadubini ni ukweli kwamba vitu vingi vya microscopic hazipati mwanga mwingi unaopitia. Ukosefu wa tofauti hufanya tafsiri ya picha ngumu sana. Tofauti ni tofauti katika kiwango kati ya vitu na historia ambayo huzingatiwa. Stains (kama vile dyes, fluorophores, nk) ni kawaida kuajiriwa ili kuongeza tofauti, lakini hizi huwa na kuwa maombi maalum. Mbinu za kuingiliwa kwa wimbi zaidi zinaweza kutumika kuzalisha tofauti. Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha kifungu cha mwanga kupitia sampuli. Kwa kuwa fahirisi za kukataa zinatofautiana, idadi ya wavelengths katika njia hutofautiana. Mwanga kujitokeza kutoka kitu ni hivyo nje ya awamu na mwanga kutoka background na kuingilia kati tofauti, kuzalisha kuimarishwa tofauti, hasa kama mwanga ni thabiti na monochromatic — kama katika mwanga laser.

    Mpangilio unaonyesha kitu cha mstatili kwenye nyenzo za nyuma. Mawimbi mawili ya oscillatory huenda kutoka kushoto kwenda kulia kwenye picha. Kwenye upande wa kushoto wa picha, mawimbi yana wavelength sawa na ni katika awamu. Wimbi la chini linakwenda kupitia kitu, ambapo wavelength yake inakuwa mfupi sana. Kwa haki ya kitu mawimbi tena yana wavelength sawa lakini sasa ni karibu kabisa nje ya awamu.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mionzi ya mwanga inayopitia sampuli chini ya darubini itatokea kwa awamu tofauti kulingana na njia zao. Kitu kilichoonyeshwa kina ripoti kubwa ya kukataa kuliko historia, na hivyo wavelength hupungua kama ray inapita kupitia hiyo. Superimpositing rays hizi hutoa kuingiliwa ambayo inatofautiana na njia, kuimarisha tofauti kati ya kitu na background.

    Inference hadubini kuongeza tofauti kati ya vitu na background kwa superimposing boriti kumbukumbu ya mwanga juu ya mwanga kujitokeza kutoka sampuli. Kwa kuwa mwanga kutoka nyuma na vitu vinatofautiana katika awamu, kutakuwa na kiasi tofauti cha kuingiliwa kwa kujenga na uharibifu, kuzalisha tofauti ya taka katika kiwango cha mwisho. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha schematically jinsi hii inafanyika. Mionzi sawa ya mwanga kutoka chanzo imegawanywa katika mihimili miwili na kioo cha nusu ya fedha. Mihimili hii inaitwa kitu na mihimili ya kumbukumbu. Kila boriti hupita kupitia vipengele vinavyofanana vya macho, isipokuwa kwamba boriti ya kitu hupita kupitia kitu tunachotaka kuchunguza microscopically. Mihimili ya mwanga huunganishwa na kioo kingine cha nusu ya silvered na kuingilia kati. Kwa kuwa mionzi ya mwanga inayopitia sehemu tofauti za kitu ina awamu tofauti, kuingiliwa kati itakuwa tofauti sana na, kwa hiyo, kuna tofauti kubwa kati yao.

    Mpangilio unaonyesha kuanzisha macho kwa microscope ya kuingiliwa. Chanzo cha mwanga hutoa boriti ya nuru ambayo imegawanywa katika mihimili miwili na mgawanyiko wa boriti, ambayo ni kioo cha nusu ya fedha. Mihimili inaongozwa karibu na upande wa pili wa mraba na kuunganisha kwenye kona diagonally kinyume na mgawanyiko wa boriti. Kitu kinachochambuliwa kinawekwa kwenye mkono mmoja ili boriti katika mkono huo inapitia kitu.
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): microscope kuingiliwa hutumia kuingiliwa kati ya kumbukumbu na kitu boriti ili kuongeza tofauti. Mihimili miwili imegawanyika na kioo cha nusu ya fedha; boriti ya kitu hutumwa kupitia kitu, na boriti ya kumbukumbu inatumwa kupitia vipengele vingine vinavyofanana vya macho. Mihimili imeunganishwa tena na kioo kingine cha nusu ya fedha, na kuingiliwa kunategemea awamu mbalimbali zinazojitokeza kutoka sehemu tofauti za kitu, na kuimarisha tofauti.

    Aina nyingine ya darubini kutumia kuingiliwa kwa wimbi na tofauti katika awamu ili kuongeza tofauti inaitwa darubini ya kulinganisha awamu-tofauti. Wakati kanuni yake ni sawa na microscope ya kuingiliwa, darubini ya kulinganisha awamu ni rahisi kutumia na kujenga. Athari yake (na kanuni ambayo imejikita) ilikuwa muhimu sana kwamba msanidi programu wake, mwanafizikia wa Uholanzi Frits Zernike (1888—1966), alipewa tuzo ya Nobel mwaka wa 1953. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha ujenzi wa msingi wa darubini ya awamu-tofauti. Tofauti za awamu kati ya nuru inayopitia kitu na background huzalishwa kwa kupitisha mionzi kupitia sehemu tofauti za sahani ya awamu (hivyo huitwa kwa sababu inabadilisha awamu ya nuru inayopitia). Mionzi miwili ya mwanga imewekwa juu ya ndege ya picha, huzalisha tofauti kutokana na kuingiliwa kwao.

    Mpangilio unaonyesha mihimili miwili ya mwanga inakwenda kutoka chini ya picha na kuvuka kwenye kitu kilichoandikwa. Baada ya kupita kupitia kitu, mihimili hutofautiana na kisha inalenga na lens ya convex. Nuru hupita kupitia sahani inayoitwa sahani ya awamu, na mihimili kisha inazingatia ndege ya picha. Mwanga wa nyuma unatofautiana baada ya kupitia sahani ya awamu ili kuenea mbali na boriti ya msingi ya mwanga kwenye ndege ya picha.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Ujenzi rahisi wa darubini ya awamu-tofauti. Tofauti ya awamu kati ya mwanga kupita kupitia kitu na background huzalishwa kwa kupitisha mionzi kupitia sehemu tofauti za sahani ya awamu. Mionzi ya mwanga imesimama katika ndege ya picha, huzalisha tofauti kutokana na kuingiliwa kwao.

    Darubini ya ubaguzi pia huongeza tofauti kwa kutumia tabia ya wimbi la mwanga. hadubini ubaguzi ni muhimu kwa ajili ya vitu kwamba ni optically kazi au birefringent, hasa kama sifa hizo kutofautiana kutoka sehemu kwa mahali katika kitu. mwanga polarized ni alimtuma kwa njia ya kitu na kisha kuzingatiwa kwa njia ya filter polarizing kwamba ni perpendicular kwa mwelekeo wa awali ubaguzi. Vitu vya karibu vya uwazi vinaweza kuonekana na rangi kali na kwa kulinganisha. Madhara mengi ya ubaguzi ni wavelength tegemezi, kuzalisha rangi katika picha kusindika. Matokeo tofauti kutoka kwa hatua ya chujio cha polarizing katika kupitisha vipengele tu vinavyolingana na mhimili wake.

    Mbali na darubini UV, tofauti ya hadubini kujadiliwa hadi sasa katika sehemu hii zinapatikana kama attachments kwa hadubini haki kiwango au kama tofauti kidogo. Ngazi inayofuata ya kisasa hutolewa na microscopes ya kibiashara ya kibiashara, ili kupata picha tatu-dimensional badala ya picha mbili-dimensional. Hapa, ndege moja tu au eneo la lengo ni kutambuliwa; mikoa ya nje ya lengo juu na chini ya ndege hii huondolewa na kompyuta hivyo ubora wa picha ni bora zaidi. Aina hii ya darubini hutumia fluorescence, ambapo laser hutoa mwanga wa msisimko. Laser mwanga kupita kwa njia ya aperture ndogo iitwayo pinhole aina kupanuliwa focal kanda ndani ya specimen. Nuru iliyojitokeza hupita kupitia lens ya lengo kwenye pinhole ya pili na detector ya photomultiplier (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Pinhole ya pili ni ufunguo hapa na hutumikia kuzuia mwanga mwingi kutoka kwa pointi ambazo hazipo kwenye sehemu kuu ya lens ya lengo. Pinhole ni conjugate (pamoja) kwa hatua ya msingi ya lens. Pinhole ya pili na detector ni scanned, kuruhusu mwanga yalijitokeza kutoka kanda ndogo au sehemu ya kanda iliyopanuliwa focal kuwa picha wakati wowote. Nuru ya nje ya lengo hutolewa. Kila picha imehifadhiwa kwenye kompyuta, na picha kamili iliyopigwa imezalishwa kwa muda mfupi. Michakato ya seli ya kuishi pia inaweza kuonyeshwa kwa kasi ya skanning ya kutosha kuruhusu imaging ya harakati tatu microscopic. Microscopy ya confocal inaboresha picha juu ya hadubini ya kawaida ya macho, hasa kwa vielelezo vingi, na hivyo imekuwa maarufu sana.

    Mpangilio wa darubini ya confocal. Kuna sampuli chini, pinhole juu, na pinhole upande wa kulia. Sampuli ni mstatili usio na usawa ambao ni nene sana katika mwelekeo wa wima. Boriti ya laser ya kijani inayotoka kulia inalenga kwa njia ya pinhole sahihi, kisha inaonyesha chini ya kioo cha dichroic. Kisha hukusanywa na lens ya usawa na kulenga kwenye sampuli. Lengo sio uhakika, lakini eneo la kupanuliwa ambapo kipenyo cha boriti ni ndogo. Mionzi miwili nyekundu imara huondoka ndege ya msingi ya lens ya lengo na kugeuka juu. Ndege hii ni ndani ya sampuli na kinachoitwa kitu katika ndege focal. Mionzi hii hupita kupitia lens ya lengo na kuanza kugeuka. Baada ya kupitia kioo cha dichroic, wanaendelea juu na huzingatia kupitia pinhole ya juu. Baada ya kupitia pinhole hii, mionzi hii huingia kwenye detector. Mbili dashed rays nyekundu kuondoka sampuli katika hatua kidogo juu ya ndege focal, ambayo ni kinachoitwa kitu si katika ndege focal. Mionzi hii hufuata njia zinazofanana na mionzi nyekundu imara, lakini hazizingatii pinhole na hivyo zimezuiwa na hazifikii detector.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): darubini confocal hutoa picha tatu-dimensional kutumia pinholes na kina kupanuliwa ya lengo kama ilivyoelezwa na optics wimbi. Pinhole ya haki inaangaza kanda ndogo ya sampuli katika ndege ya msingi. In-lengo mwanga rays kutoka eneo hili vidogo kupita katika kioo dichroic na pinhole pili kwa detector na kompyuta. Mionzi ya mwanga ya nje ya lengo imefungwa. Pinhole ni scanned upande wa pili ili kuunda picha ya ndege nzima ya msingi. Pinhole inaweza kisha scanned juu na chini ili kukusanya picha kutoka ndege tofauti focal. Matokeo ni picha tatu-dimensional ya specimen.

    Ngazi inayofuata ya kisasa hutolewa na hadubini zilizounganishwa na vyombo vinavyotenganisha na kuchunguza bendi ndogo ya wavelength ya mwanga — monochromators na wachambuzi wa spectral. Hapa, mwanga wa monochromatic kutoka laser umetawanyika kutoka kwa specimen. Mwanga huu uliotawanyika hubadilisha juu au chini kama inavutia viwango vya nishati fulani katika sampuli. Upekee wa mwanga uliotawanyika unaoonekana unaweza kutoa maelezo ya kina kuhusu kemikali ya doa iliyotolewa kwenye sampuli yenye tofauti kubwa - kama alama za vidole vya Masi. Maombi ni katika vifaa vya sayansi, nanoteknolojia, na uwanja biomedical. Maelezo mazuri katika michakato ya biochemical kwa muda yanaweza hata kugunduliwa. Mwisho katika hadubini ni darubini ya elektroni — kujadiliwa baadaye. Utafiti unafanywa katika maendeleo ya hadubini mpya ya mfano ambayo inaweza kuwa inapatikana kibiashara, kutoa uwezo bora wa uchunguzi na utafiti.

    Muhtasari

    • Ili kuboresha picha za darubini, mbinu mbalimbali za kutumia sifa za wimbi la mwanga zimeandaliwa. Wengi wa hizi huongeza tofauti na madhara ya kuingiliwa.

    faharasa

    hadubini confocal
    hadubini zinazotumia kanda iliyopanuliwa ili kupata picha tatu za mwelekeo badala ya picha mbili-dimensional
    kulinganisha
    tofauti katika kiwango kati ya vitu na background ambayo wao ni aliona
    hadubini kuingiliwa
    hadubini zinazoongeza tofauti kati ya vitu na background kwa kuimarisha boriti ya kumbukumbu ya mwanga juu ya mwanga unaojitokeza kutoka sampuli
    darubini ya awamu-tofauti
    microscope kutumia wimbi kuingiliwa na tofauti katika awamu ya kuongeza tofauti
    microscope ubaguzi
    microscope kwamba huongeza tofauti kwa kutumia wimbi tabia ya mwanga, muhimu kwa ajili ya vitu kwamba ni optically kazi
    hadubini za ultraviolet (UV)
    hadubini zilizojengwa na lenses maalum zinazotumia mionzi ya UV na kutumia mbinu za picha au za elektroniki kurekodi picha