Сферы применения электронных микроскопов
| Полупроводники и хранение данных · Редактирование схем · Метрология 3D · Анализ дефектов · Анализ неисправностей Биология и биологические науки · Криобиология · Локализация белков · Электронная томография · Клеточная томография · Крио-электронная микроскопия · Токсикология · Биологическое производство и мониторинг загрузки вирусов · Анализ частиц · Фармацевтический контроль качества · 3D изображения тканей · Вирусология · Стеклование | Научные исследования · Квалификация материалов · Подготовка материалов и образцов · Создание нанопрототипов · Нанометрология · Тестирование и снятие характеристик устройств · Исследования микроструктуры металлов Промышленность · Создание изображений высокого разрешения · Снятие микрохарактеристик 2D и 3D · Макрообразцы для нанометрической метрологии · Обнаружение и снятие параметров частиц · Конструирование прямого пучка · Эксперименты с динамическими материалами · Подготовка образцов · Судебная экспертиза · Добыча и анализ полезных ископаемых · Химия/Нефтехимия |
4 Люминесцентная микроскопия.
Люминесцентная микроскопия (лат.Lumen, luminis свет; греч. Micros малый + skopeo рассматривать, исследовать) – метод микроскопии, позволяющий наблюдать первичную или вторичную люминесценцию микроорганизмов, клеток, тканей или отдельных структур, входящих в их состав.
Цвет люминесценции, т.е. длина волны излучаемого света зависит от химической структуры и от физико–химического состояния микроскопируемого объекта, что и обусловливает возможность использования л.м. в целях микробиологической и цитологической диагностики, для дифференцирования отдельных компонентов клеток. Первичная люминесценция присуща ряду биологически активных веществ, таких, как ароматические аминокислоты, порфирины, хлорофилл, витамины А, В2, В1 , некоторые антибиотики (тетрациклин) и химиотерапевтические вещества (акрихин, риванол). Вторичная, или наведённая, люминесценция возникает в результате обработки микроскопируемых объектов флюоресцирующими красителями – флюорохромами. Некоторые из этих красителей диффузно распределяются в клетках, другие избирательно связываются с определёнными структурами клеток или даже с определёнными химическими веществами. Эта способность флюорохромов к избирательному окрашиванию позволяет проводить люминесцентно – цитологический и люминесцентно – цитохимический анализ.
Для проведения люминесцентной микроскопии используются либо специальные люминесцентные микроскопы, либо приставки к обычным биологическим микроскопам, позволяющие использовать их для наблюдения люминесценции микрообъектов.
Люминесцентный микроскоп снабжен мощным источником освещения с большой поверхностной яркостью, максимум излучения которого находится в коротковолновой области видимого спектра, системой светофильтров, а также интерференционной светоделительной пластинкой, применяемой при возбуждении люминесценции падающим светом. Эта система возбуждения люминесценции падающим светом через опак – иллюминатор имеет ряд преимуществ:
1. интерференционная светоделительная пластинка с нанесёнными на неё слоями диэлектриков избирательно отражает на препарат более 90% света, возбуждающего люминесценцию, и почти полностью пропускает более длинноволновый свет люминесценции, что позволяет увеличить яркость люминесценции;
2. объектив микроскопа служит одновременно конденсором осветительной системы; поэтому при использовании высокоапертурных иммерсионных объективов с большим увеличением освещённость препарата и соответственно яркость люминесценции возрастают пропорционально четвёртой степени апертуры объектива;
3. люминесцентную микроскопию можно сочетать с фазово-контрастной и интерференционной при освещении снизу через конденсор микроскопа.
Источниками освещения для люминесцентного микроскопа чаще являются ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления, а также лампы накаливания: ксеноновые и кварцево-галогенные.
Для возбуждения люминесценции при люминесцентной микроскопии обычно используют длинноволновую ультрафиолетовую, сине-фиолетовую, а иногда и зелёную область спектра, в люминесцентном микроскопе применяют обычно стеклянную оптику и обычные предметные и покровные стёкла, пропускающие излучение в этой части спектра и не обладающие собственной люминесценцией. Иммерсионные и заключающие среды также должны соответствовать этим требованиям. В качестве заключающих сред для препаратов могут быть использованы буферный раствор глицерина, а также нелюминесцирующие полимеры (полистирол, поливиниловый спирт).
Люминесцентная микроскопия органов и тканей — один из современных методов исследования, применяемый в нормальной и патологической гистологии. Основными преимуществами Люминесцентной микроскопии являются высокая чувствительность (чувствительнее обычных цито- и гистохим. методов не менее чем в 1000 раз), легкость количественного измерения содержания различных хим. компонентов ткани и клеток, доступность аппаратуры. Для Л. м. органов и тканей используют первичную и вторичную люминесценцию.
Первичной люминесценцией (люминесцентное свечение. возникающее без предварительной обработки препаратов) с достаточной интенсивностью обладают некоторые вещества, входящие в состав клеток и тканей: витамины (витамин В2 дает желто-зеленую люминесценцию, витамин В1 в щелочном растворе переходит в трихром и дает синюю люминесценцию, каротин люминесцирует желто-зеленым светом, витамин А при облучении в УФ-спектре имеет сине-белую люминесценцию), гормоны (эстрогены, адреналин дают желто-зеленую люминесценцию, серотонин, норадреналин при обработке препаратов парами концентрированной серной кислоты имеют желтую люминесценцию), липопигменты (липофусцин дает красную люминесценцию, цероид— голубоватую) и др. Принцип первичной люминесценции положен в основу цитохимического количественного изучения содержания различных компонентов клеток (в первую очередь, белков) с помощью метода люминесценции в УФ-лучах.
Вторичная люминесценция органов и тканей достигается с помощью обработки препаратов флюорохромами . Акридиновый оранжевый применяют для диагностики рака в цитологических и гистологических препаратах. Этот же краситель используют для определения ранних сроков инфаркта миокарда. Корифосфин и акридиновый оранжевый применяют для выявления кислых мукополисахаридов. Такие флюорохромы. как кофеин 5 и родамин.могут быть использованы для определения гликогена. Фосфин ЗР применяют для определения липидов. С этой же целью используют раствор 3.4-бензпирена в насыщенном растворе кофеина (липиды имеют голубовато-белую люминесценцию). Тиофлавин окрашивает амилоид (зеленая люминесценция), поэтому его широко применяют для диагностики амилоидоза внутренних органов. С помощью раствора раморина в спирте определяют кальций в тканях (зеленая люминесценция). При обработке препаратов раствором солохромачерного удается выявить алюминий (жёлто-оранжевая люминесценция). С помощью родамина 6Ж в лёгких определяют сурфактант (оранжевая люминесценция).
Иммерсия (микроскопия)
Иммерсия (иммерсионный метод микроскопического наблюдения) в оптической микроскопии — это введение между объективом микроскопа и рассматриваемым предметом жидкостидля усиления яркости и расширения пределов увеличения изображения.
Иммерсионная система — оптическая система, в которой пространство между первой линзой и предметом заполнено жидкостью. Применяемая таким образом жидкость называется иммерсионной.
Принцип действия
Из основной формулы разрешающей способности микроскопа: d = 0,61λ/А, следует, что предел разрешения определяется длиной волны λ и числовой апертурой объектива А. Так как не всегда возможно изменить длину волны (особенно если исследование производится в белом свете), то для достижения лучшего разрешения стремятся применять объектив, имеющий бо́льшую числовую апертуру.
Однако для «сухого» объектива, с показателем преломления среды перед его передней линзой n=1, максимальное значение числовой апертуры объектива не может превысить значение около 0,95.
Для решения этой проблемы берут иммерсионную жидкость, показатель преломления которой n2 и показатель преломления фронтальной линзы n3 выбраны определённым образом. Исходящие от одной точки объекта OP лучи проходят без преломления через иммерсионную пленку и могут «приниматься» фронтальной линзой объектива.
В этом случае числовая апертура увеличивается, а предел разрешения уменьшается в n2 раз.
Дополнительные преимущества
· Возникающие на поверхностях покровного стекла и фронтальной линзе объектива паразитные отражения существенно меньше, нежели у «сухих» объективов, а в некоторых случаях паразитные рефлексы могут быть полностью устранены. Это улучшает контраст изображения и позволяет поднять освещённость препарата без вредного влияния на изображение.
· Толщина слоя жидкости между объективом и препаратом может меняться, и за счет этого можно в некоторых пределах изменять компенсацию сферической аберрации.
Иммерсионные жидкости
В расчёте объективов микроскопа оптические параметры иммерсионной жидкости (показатель преломления и дисперсия) учитываются при коррекции аберраций оптической системы (исправление кривизны поля, сферических и хроматических аберраций).
Применяются:
· Кедровое или минеральное масло (показатель преломления 1,515)
· Водный раствор глицерина (1,434)
· Физиологический раствор (1,3346)
· Вода (1,3329)
· Монобромнафталин (1,656)
· Вазелиновое масло (1,503)
· Йодистый метилен (1,741)
Темнопольная микроскопия
Схема темнопольной микроскопии в падающем свете.
Подсветка образца осуществляется сбоку (зеленая линия). Изображение создается светом, рассеивающимся на неоднородностях образца.
Темнопо́льнаямикроскопи́я — вид оптической микроскопии, в которой контраст изображения увеличивают за счет регистрации только света, рассеянного изучаемым образцом. При использовании метода темного поля регистрируются даже незначительные различия в преломляющей способности участков препарата [1]. Основы метода разработаны Р. Зигмонди в 1906 году.
Принцип действия
В оптической микроскопии тёмного поля неоднородности образца рассеивают свет, и этот рассеянный свет формирует изображение исследуемого образца.
Особенностью микроскопа темного поля является способ освещения образца, который осуществляется «сбоку» (зеленая полоса на рисунке). При таком освещении неоднородности, имеющиеся в образце, рассеивают падающий свет и в микроскопе изображение образца наблюдают в рассеянном свете, а освещающий свет «напрямую» не попадает в объектив. Такое освещение называется эпи-подсветкой (EPI-illuminator, EPI—microscope, EPI-objectivelens).
Для прозрачных объектов возможно и контровое освещение, но при этом необходимы дополнительные действия, чтобы убрать "прямое поле": необходимо провести фурье-преобразование полученного изображения и удалить из полученной суммы компоненту, соответствующую "опорной" волне. Это можно сделать, например, с помощью линзы и шаблона, закрывающего небольшой участок в плоскости, где линзой фокусируется "опорная" световая волна. Затем, с помощью второй линзы проводят обратное преобразование Фурье и наблюдают полученную картину визуально. При этом контраст исходного изображения существенно возрастает.
В микроскопах использование метода тёмного поля может быть предусмотрено конструкцией или реализуется установкой дополнительных узлов, таких, как конденсор темного поля ОИ-13.
Преимущества и недостатки
Темнопольная микроскопия хорошо подходит для получения изображений живых и неокрашенных биологических образцов, таких, как отдельные водные одноклеточные организмы.
Основным ограничивающим фактором метода является то, что только малая часть падающего света в итоге формирует изображение, поэтому необходимо применять достаточно мощные источники света, что иногда приводит к повреждениям образца (сейчас иногда используют лазеры).
Темнопольная микроскопия практически лишена артефактов. Однако, интерпретация получаемых изображений требует большой осторожности, поскольку некоторые детали, не видные методом светлопольной микроскопии, видны методом темнопольной микроскопии, и наоборот. На первый взгляд можно было бы сделать предположение, что изображение, получаемое темнопольным методом является просто негативом по отношению кполучаемымсветопольным методом, однако, на самом деле, каждый из этих методов делает видимым разные особенности образца. В светлопольной микроскопии особенности видимы, если они или производят тени, или имеют отличный от окружения коэффициент преломления и при этом достаточно резкие, в то время как, например, плавные неоднородности не могут быть наблюдаемы этим методом, однако, хорошо заметны на картинках, получаемых методом темнопольной микроскопии.
Применение
Темнопольная микроскопия может применяться для прижизненного изучения неокрашенных биологических объектов — простейших, изолированных клеток, тканевых культур, для исследования субклеточных структур живых неокрашенных клеток.
Темнопольная микроскопия в последнее время используется в производстве компьютерных мышей с тем чтобы обеспечить работу оптических мышей в том числе и на прозрачных стёклах, имеющих микроскопические дефекты или пыль на поверхности.
6. Микропрепарат - предметное стекло с расположенным на нем объектом, подготовленным для исследования под микроскопом. Сверху объект обычно накрывается тонким покровным стеклом. Размеры предметных стекол (25 на 75 мм) и их толщина стандартизированы, это облегчает хранение препаратов и работу с ними.
Различают постоянные препараты, в которых объект, накрытый покровным стеклом, заключён в канадский бальзам или другую прозрачную твердеющую среду, и временные, в которых заливка производится в глицерин-желатин, либо объект помещается в физиологический раствор или просто в воду. Постоянные препараты могут сохраняться без изменений многие десятилетия.
Типы препаратов
В зависимости от характера исследуемого объекта, используются различные типы препаратов
· Тотальные препараты. Приготовляются из мелких организмов или небольших их частей. Часто требуют дополнительной обработки в просветляющих растворах. Обезвоженные тотальные препараты могут заключаться в постоянные среды.
· Мазки. Применяются в гематологии при изучении крови, для изучения бактерий и простейших. Могут приготавливаться из тканевых элементов.
· Влажные мазки фиксируют, не давая исследуемому материалу высохнуть. Затем препарат готовят так же, как наклеенные на стекло срезы.
· Сухие мазки высушивают не фиксируя.
· Срезы изготавливаются из фиксированных и залитых в пластический материал (парафин, акрил) объектов на микротоме. Для быстрого получения срезов без длительной процедуры обезвоживания применяют замораживающий микротом.
· Шлифы приготовляются из материалов, не поддающихся резке на микротоме. Используются преимущественно в петрографии.
Техника приготовления нативных (живых) препаратов
1. Приготовление мазка
1) с жидкой питательной среды 2) с плотной питательной среды
культуру берут петлей и каплю наносят на предметное стекло наносят
непосредственно на стекло (без воды) небольшую каплю воды, в ко-
торой эмульгируютисследуемый
материал и распределяют по
площади около 2 см2 .
№ препарата пишут на лицевой стороне, а с обратной стороны местонахождения мазка обводят восковым карандашом.
2. Высушивание
на воздухе высоко над пламенем спиртовки
мазком вверх
3. Фиксация
Цель: - прикрепить микробов к стеклу
- обеззаразить патогенные микробы
- убитые микробы лучше окрашиваются
Методы
физическийхимический
- над пламенем спиртовки мазком - более щадящий по сравнению
вверх (3 раза круговыми движениями) с физическим: мазок погружа-
ют в фиксатор (этанол, ацетон, формалин и др.) на определенное время
4. Окраска
Методы
простыесложные
(ориентировочные) (дифференцирующие)
1) окрашивают одним красителем 1) используют несколько краси-
анилинового ряда - основным или телей (основная и вспомога-
кислым: - кислый фуксин тельные краски, обесцвечи-
-эозин вающие жидкости (этанол)
- метиленовый синий - метод Грама
- окраска по Нейссеру
- генциановыйфиолетовый - Гинса-Бурри (выявление капсул)
- Циля-Нильсена (выявление
спор)
2) используются для изучения 2) используются для определе-
морфологии микроорганизмов ния не только морфологии, но
и химического состава и струк-
туры микробных клеток
Преимущественно для окраски микроорганизмов используют основные красители, в которых красящий ион - катион.
Краситель наливают на поверхность мазка на определенное время, затем мазок промывают до тех пор, пока струи воды не станут бесцветными, осторожно высушивают фильтровальной бумагой. Если мазок правильно окрашен и промыт, то поле зрения абсолютно прозрачно, а клетки микробов интенсивно окрашен.