Mikroskopy – 5 najciekawszych typów

Mikroskopy odgrywają gigantyczną rolę w nauce i w wielu gałęziach przemysłu. Typów mikroskopów jest wiele, w tym artykule skupimy się na pięciu ciekawych typach mikroskopów. Dowiesz się, czy obraz widziany w prostym mikroskopie optycznym może być 3D i od czego to zależy. Na sam koniec przedstawimy współczesny mikroskop prezentujący obraz 3D. Zapraszamy do lektury!

Kilka słów wstępu

Pierwsze mikroskopy z prawdziwego zdarzenia zaczęto produkować już w XVI wieku. Na samym początku ich możliwości nie były jednak zbyt spektakularne. Zaledwie 10-krotne powiększenie obiektów wystarczało, by prowadzić skromne obserwacje, otaczającego nas świata, ale dopiero udoskonalone wersje tych urządzeń przyniosły prawdziwą rewolucję nauki. W XVIII wieku mikroskopy pojawiły się w medycynie, co pozwoliło obserwować i analizować zachowanie wirusów i bakterii. W XX wieku wymyślono tzw. mikroskopy elektronowe, a z czasem powstała także tzw. mikroskopia fluorescencyjna czy ciekawy wynalazek w postaci mikroskopy konfokalnego (stosowanego głównie w okulistyce).

Obecnie mikroskopia wciąż się rozwija. W 2013 roku zaprojektowano pierwszy mikroskop holograficzny (Nanolive 3D CX-A) pozwalający uzyskać obraz trójwymiarowy substancji biologicznych bez ingerencji w próbkę. W bardzo krótkim czasie trafił na rynek i stał się ogólnie dostępny. Więcej o nim będzie w dziale mikroskop holograficzny, wpierw musimy wyjaśnić podstawowe działanie mikroskopu.

Jak działają mikroskopy?

Mechanizm działania tych urządzeń omówimy na przykładzie klasycznego mikroskopu świetlnego z własnym źródłem światła i kondensatorem. Kluczowymi elementami budowy mikroskopu są:

• Źródło światła – żarówka lub diody LED. W wielu wariantach mikroskopów stosuje się laser LED o konkretnej długości fali (dzięki temu soczewki muszą mieć dobre własności optyczne tylko dla danej długości fali, nie zaś całego spektrum światła widzialnego).
• Kondensator – zespół soczewek, który skupia światło pochodzące ze diody lub żarówki w odpowiednim punkcie badanej próbki.
• Obiektyw – najważniejszy element optyczny mikroskopu. To od niego zależy powiększenie oraz jakość widzianego obrazu. Najczęstsze powiększenia to: 4-, 10-, 20-, 40-, 50-, 100- oraz 125-krotne. W przypadku powiększeń od 50-krotnego stosuje się impresję odpowiedniej cieczy.
• Okular – zespół soczewek służący do ostatecznego przekształcenia wiązki świetlnej pochodzącej od obiektywu w równoległą wiązkę promieni świetlnych. Jest to ostatni element przed naszym okiem. W mikroskopach, w których obraz jest rejestrowany przez matryce kamer, nie mają zastosowania. Najczęściej występujące powiększenie: 2-, 10-, 16-, 20-krotne.

Elementy optyczne mikroskopu na schemacie z promieniami światła.

Światło o odpowiedniej jasności i odpowiednio skupione za pomocą kondensatora oświetla badaną próbkę. Światło, przechodząc przez próbkę, zaczyna nieść z sobą obraz badanego elementu. Następnie obraz jest powiększany za pomocą obiektywu, który działa trochę jak lupa - , tylko że dla uzyskania powiększenia x40 odległość próbki od obiektywu musi wynosić kilka milimetrów. Dla lupy natomiast byłyby to centymetry. Promienie świetlne dalej wędrują w tubie, która ma określoną długość trafiają na soczewki okularu, „prostując je”. Promienie świetle za okularem są już równoległe, nie rozchodzą się. Dzięki temu możemy oglądać wyraźny obraz. Całkowite powiększenie to iloczyn powiększenia obiektywu i okularu. Np. przy połączeniu soczewek obiektywu x40 i okularu x2 naszym oczom ukaże się obraz powiększony 80-krotnie.

Mikroskop stereoskopowy – para okularów dla pary oczu

Większość mikroskopów, jaka może przyjść na myśl, ma dwa okulary, przez które spogląda się obojgiem oczu. Jednak nie każdy z nich daje efekt 3D i od czego to zależy.

Większość mikroskopów z dwoma okularami ma możliwość regulacji odstępu między nimi. W tym celu można wykorzystać system luster. Na schematach poszczególnych typów jest on narysowany jako trójkąt.

Mikroskop dwuokularowy

Najpierw zacznijmy od mikroskopu dwuokularowego, który nie jest mikroskopem stereoskopowym. Światło z obiektywu jest duplikowane i podwojone idzie do dwóch niezależnych okularów. Dzięki takiemu rozwiązaniu do obojga oczu dociera obraz, który oglądamy (operator mniej się męczy). Tak powstały obraz w obu okularach jest taki sam i nie daje efektu 3D. W celu duplikacji wiązki można użyć „lustra” które przepuszcza 50% światła, zaś 50% przepuszcza prosto. Jest to najczęstsze rozwiązanie ze względu na małą ingerencję w układ powiększający.

Mikroskop dwuokularowy: Do obu okularów trafia ta sama wiązka światła, która została zduplikowana.

System optyczny Greenough

Mikroskop stereoskopowy nie duplikuje żadnego obrazu. W nim do każdego z obiektywów pada wiązka światła spod innego kąta. Zazwyczaj są od siebie odchylone o 11-16°. Taki zabieg sprawia, że widzimy obraz w 3D. Żeby uzyskać dwie wiązki odchylone od siebie, najczęściej stosuje się dwie konstrukcje.

System optyczny Greenougha polega na zduplikowaniu wszystkich optycznych elementów i ustawieniu w dwóch osiach optycznych odchylonych od siebie o ok. 15°. Mamy więc dwa niezależne obiektywy, które dostarczają obraz do okularów. Najczęściej w tym systemie same okulary pozostają odchylone od siebie o dany kąt, co zdradza nam, z jakim systemem mamy do czynienia.

System optyczny Greenougha: Są to dwa niezależne układy optyczne odchylone od siebie.

System optyczny CMO

W systemie optycznym CMO obie wiązki światła pochodzą z jednego obiektywu. Jednak pochodzą one nie ze środka obiektywu, lecz odpowiednio oddalonych od środka. Daje to dwie wiązki światłą odpowiednio niosący obraz pod różnymi kontami.

System optyczny CMO: Obie wiązki pochodzą ze wspólnej soczewki jednak nie z centralnego punktu.

Uzyskanie obrazu 3D znacznie ułatwia pracę operatorowi w wielu czynnościach. Jednak skonstruowanie odpowiednich obiektywów jest znacząco trudniejsze. Dlatego też granice powiększenia tych mikroskopów sięgają od 100- do 200-krotnego w zamian za obraz 3D.

Mikroskop konfokalny – jak działa?

Obserwowana próbka zawsze ma jakąś grubość. W kolejnych warstwach próbki prezentowany obraz jest inny. Wiązka światła przechodząca przez próbkę niesie z sobą obraz wielu płaszczyzn próbki (nie tylko tej obserwowanej, czyli najostrzejszej), przez co tracimy na kontraście. Kontrast zaś ogranicza nas w możliwym powiększeniu obrazu i dostrzeganiu większej liczby szczegółów. By uzyskać lepszy rezultat, musimy wyeliminować obraz powstający z „innych warstw” badanej próbki.

Pierwszym krokiem jest skupienie światła w konkretnym miejscu w próbce. Następnie wyeliminowywane są fotony, nie pochodzą z danej płaszczyzny próbki . W tym celu stosuje się przesłonę z małym otworem. Nie ma możliwości zamontowania przesłony między próbką a obiektywem, nie ma tam na nią przestrzeni). Dlatego montuje się ją za obiektywem, gdzie jest na to dużo miejsca. Tą przesłonę nazywamy przesłoną konfokalną.

Przesłona konfokalna blokuje promienia światła z płaszczyzn nie ogniskowych.

Samo zastosowanie przesłony daje już dobry efekt, jednak można pójść o krok dalej. Umiejąc obserwować mały punktowy w konkretnej płaszczyźnie próbki, możemy uzyskać znacznie lepszy obraz z połączenia obserwacji z różnych płaszczyzn próbki i odfiltrowania ich. W tym celu budowany jest cały system sterowania i przetwarzania obrazu. Wykonuje się wiele obserwacji, następnie łączy się je w jeden obraz.

Oprócz jednego obrazu 2D można również uzyskać obraz 3D badanej próbki. Taka technologia obserwacji daje możliwość dostrzeżenia szczegółów na poziomie 5 mikrometrów. Daje to możliwość oglądania DNA komórek.

Mikroskop holograficzny

Mikroskop ten powstał w ramach start-upu Nanolive SA w EPFL Innovation Park w Lozannie. Firma ta rozwija technologię opublikowaną przez dr. Yann Cotte w "Nature Photonics" w 2013 roku.

Mikroskop holograficzny firmy Nanolive

Podstawą działania Nanolive jest połączenie algorytmów holograficznych ze skanowaniem rotacyjnym (tomografia). Światło z zielonej (520 nm) diody laserowej zostaje rozdzielone we wnętrzu mikroskopu na dwie linie: pomiarową oraz referencyjną. Próbka zostaje oświetlona światłem lasera pod kątem 45° z pomocą ramienia oświetlającego, które następnie obraca się w zakresie 360° wokół badanego materiału.

Schemat ścieżki światła w Nanolive

Dla kolejnych ustawień kątowych ramienia nagrywana jest z pomocą kamery cyfrowej seria hologramów, które powstają poprzez nałożenie na siebie linii pomiarowej i referencyjnej lasera. Dane powstałe w wyniku obserwacji są obrabiane przez odpowiednie algorytmy. Następnie są przedstawione użytkownikowi jako “Z-stack” 96 monochromatycznych obrazów. Cały proces akwizycji i rekonstrukcji zajmuje dwie sekundy. Otrzymane obrazy zapewniają badaczowi wysoką rozdzielczość i doskonały kontrast, które normalnie wymagałyby ekstremalnie skomplikowanych i drogich układów optycznych.

W rezultacie mamy możliwość obserwacji przedmiotów w rozdzielczości 0,2 mikrometrów. Ponadto uzyskujemy model 3D – a to wszystko w zaledwie 2 sekundy.

Na dziś to tyle o ciekawych typach mikroskopów, jest ich znacznie więcej – szykujcie się na kolejne artykuły o nich na naszej stronie. Dlatego zachęcamy do zapisania się na nasz Newsletter!

Na naszej stronie dostępne są również artykuły o budowie mikroskopu oraz historii ewolucji mikroskopów. Oferujemy również wydruki z niezwykłego świata widzianego pod mikroskopem. Zachęcamy do przejrzenia naszej strony.