کاربرد مفهوم میکروسکوپ مدرن در رصد دنیای میکروسکوپی

کاربرد مفهوم میکروسکوپ مدرن در رصد دنیای میکروسکوپی

بشر از قدیم الایام تا به امروز به دنبال حقایق بالاتر و دورتر بوده است. از سفرهای اقیانوسی گرفته تا اکتشافات فضایی، مردم اهداف بزرگ را یکی پس از دیگری فتح می کنند. با این حال، دنیای ماکروسکوپی که مردم با چشم غیر مسلح می بینند، تمام جهان نیست و چشم انسان نمی تواند آن را به وضوح ببیند. همچنین افراد بی شماری را برای کاوش و تعقیب جذب می کند.

صرف نظر از چیزهای ماکروسکوپی یا میکروسکوپی، مشاهدات ما بر اساس ویژگی های فضای سه بعدی است، یعنی XYZ سه بعدی، و مشاهده تغییرات در شکل اشیا نیاز به معرفی عامل اندازه گیری دیگری - زمان T دارد، بنابراین کامل ترین راه برای مشاهده چیزها باید ضبط همزمان XYZT باشد، یعنی عکاسی طولانی مدت از شکل به اضافه زمان، همچنین عملکرد نهایی میکروسکوپ است.

پس از بیش از 300 سال توسعه، میکروسکوپ های مدرن مفاهیمی مانند وضوح، عمق میدان و میدان دید را ارائه کرده اند و به طور مداوم راه حل هایی را ارائه کرده اند. میکروسکوپ ها در ابتدا نیازهای ما را برای مشاهده دنیای میکروسکوپی برآورده کردند و به ما کمک کردند فضا و زمان دنیای میکروسکوپی را ثبت کنیم.

مهم ترین نکته در رصد جهان میکروسکوپی، تفکیک جزئیات است و مفهوم تفکیک از همین جا زاده شد. وضوح به حداقل فاصله بین دو نقطه که با چشم انسان قابل تشخیص است اشاره دارد و فقط در بعد XY معتبر است. با توجه به معیار ریلی، معیار ریلی، حدی که افراد عادی می توانند تشخیص دهند دو نقطه 0.2 میلی متر در فاصله 25 سانتی متری است. هنگامی که از میکروسکوپ استفاده می کنیم، می توانیم دو نقطه را در فاصله کمتری ببینیم که وضوح رصد ما را بهبود می بخشد. با عمیق تر شدن مداوم تحقیقات مدرن، نیازهای مردم برای تفکیک پذیری نیز دائماً در حال افزایش است و دانشمندان نیز دائماً وضوح میکروسکوپ ها را بهبود می بخشند. به عنوان مثال، میکروسکوپ های الکترونی قدرت تفکیک پذیری را تا سطح نانومتری افزایش داده اند و امکان مشاهده ویروس ها را فراهم می کنند. فناوری تصویربرداری میکروسکوپی فوق العاده بالا وضوح میکروسکوپ را از 200 نانومتر به ده ها نانومتر بهبود می بخشد و مشاهده اندامک های سلولی زنده را درک می کند.

بهبود وضوح نیز مشکلات جدیدی به همراه دارد، یعنی کاهش میدان دید و عمق میدان. هنگام استفاده از روش نورپردازی مرکزی معمولی (روش روشنایی فتوپیک که باعث می شود نور به طور یکنواخت از نمونه عبور کند)، فاصله تفکیک پذیری میکروسکوپ d=0 است. 61 λ/NA، محدوده طول موج نور مرئی { {2}}nm، طول موج متوسط ​​550 نانومتر است و طول موج ثابت ثابت است. بنابراین، افزایش مقدار NA می‌تواند مقدار D کوچک‌تری را به دست آورد، یعنی فاصله بین دو نقطه را که می‌توان آن‌ها را کوچک‌تر تشخیص داد و به افراد اجازه می‌دهد اشیاء کوچک‌تر را به وضوح ببینند.

مقدار NA دیافراگم عددی است که اندازه زاویه مخروط دریافت کننده نور عدسی را توصیف می کند، NA=n * sin , یعنی حاصلضرب ضریب شکست (n) محیط بین عدسی و جسم مورد بازرسی و سینوس نصف زاویه دیافراگم (2). n ضریب شکست نور محیط بین عدسی شیئی و نمونه است. وقتی محیط فضای جسم میکروسکوپ هوا باشد، ضریب شکست n=1. استفاده از محیطی با ضریب شکست بالاتر از هوا می تواند مقدار NA را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. محیط غوطه وری در آب، آب مقطر است و نسبت ضریب شکست 1.33 است. محیط هدف غوطه وری در روغن، روغن سدر یا سایر روغن های شفاف است و ضریب شکست آن به طور کلی حدود 1.52 است که نزدیک به ضریب شکست لنز و شیشه اسلاید است. بنابراین مقدار NA لنز روغنی بیشتر از لنز هوا است.

زاویه دیافراگم، همچنین به عنوان "زاویه دهان آینه" شناخته می شود، زاویه ای است که توسط نقطه جسم روی محور نوری لنز و قطر موثر عدسی جلویی عدسی شیئی تشکیل می شود. افزایش زاویه دهانه آینه می تواند مقدار سینوس را افزایش دهد و حد بالای واقعی آن حدود 72 درجه است (مقدار سینوس 0.95) است، با ضرب در ضریب شکست روغن سرو 1.52، می توان به دست آورد که حداکثر مقدار NA حدود 1.45 است و با جایگزینی فرمول محاسبه تفکیک، می توان دریافت که وضوح صفحه حد XY یک میکروسکوپ معمولی حدود 0.2m است.

مقدار NA نیز مستقیماً بر روشنایی میدان دید میکروسکوپ (B) تأثیر می گذارد. از فرمول B∝NA2/M2 می توان نتیجه گرفت که روشنایی با افزایش دیافراگم عددی (NA) یا کاهش بزرگنمایی لنز شیئی (M) افزایش می یابد.

از نظر تئوری، ما باید بالاترین مقدار ممکن NA را برای به دست آوردن وضوح صفحه XY و روشنایی میدان دید بهتر دنبال کنیم. با این حال، همه چیز دو طرف دارد. بهبود وضوح صفحه XY باعث کاهش عمق میدان و میدان دید محور Z می شود.

میکروسکوپ ها عموماً نما را به صورت عمودی به سمت پایین می بینند. هنگامی که موقعیت محدب و موقعیت مقعر روی سطح جسم مشاهده شده در قطر میدان دید به وضوح قابل مشاهده باشد، آنگاه اختلاف ارتفاع بین نقطه محدب و نقطه مقعر عمق میدان است. خوب، برای میکروسکوپ ها، هر چه عمق میدان بیشتر باشد، بهتر است. هر چه عمق میدان بیشتر باشد، هنگام مشاهده سطح اجسام ناهموار، می توان تصاویری با وضوح بهتر و سه بعدی بیشتری به دست آورد. عمق میدان زیاد به ما کمک می کند تا جهان میکروسکوپی را در جهت عمودی مشاهده کنیم. یعنی اطلاعات محور Z به شکل سه بعدی XYZ.

عمق میدان، عمق فضای جلو و عقب مربوط به تصویر واضح در صفحه تصویر است: dtot=(λ*n)/NA به علاوه n/(M∗NA) * e، dtot: عمق میدان ، NA: دیافراگم عددی، M: بزرگنمایی کل، λ: طول موج نور، (معمولا λ=0.55um)، n: ضریب شکست محیط بین نمونه و عدسی شیئی (هوا: n{{3) }}، روغن: n=1.52) طبق این فرمول می‌توان فهمید که عمق میدان محور Z با مقدار NA سطح XY نسبت معکوس دارد.

علاوه بر عمق میدان، میدان دید نیز تحت تأثیر مقدار NA است. محدوده مکانی که وقتی دستگاه به طور ثابت به یک نقطه نگاه می کند، قابل مشاهده است، میدان دید است. محاسبه آن به طور مستقیم با بزرگنمایی عدسی شیئی مرتبط است. قطر واقعی میدان دید که با مشاهده مشاهده می شود برابر است با قطر میدان دید با تقسیم بر بزرگنمایی عدسی شیئی، چشمی میدان دید مربوطه را نشان می دهد، مانند 10/18، یعنی بزرگنمایی 10 برابر و قطر میدان دید 18 میلی متر است. بنابراین، هنگامی که چشمی تعیین می شود، هر چه بزرگنمایی بیشتر باشد، میدان دید مشاهده شده کمتر است.

وضوح صفحه XY تجزیه و تحلیل جزئیات محلی است و میدان دید محدوده مشاهده ما از نمونه را تعیین می کند. هرچه میدان دید بزرگتر باشد، بهتر است، اما با تکنولوژی فعلی محدود می شود، برای به دست آوردن مقادیر خوب NA باید از لنزهای شیئی پرقدرت استفاده کنیم، بنابراین، میدان بینایی و مقادیر NA یک همبستگی منفی غیر مستقیم دارند.