<<
>>

История развития микроскопии

  Едва рождаясь на свет, человек начинает активно познавать окружающий мир, используя изначально присущие ему методы получения информации типа “посмотреть”, “потрогать”, “попробовать на вкус” и т.д.

С появления первого человека до начала XVII в. эти методы были единственным способом получения объективной информации о мире. Однако когда развитие оптики привело к созданию первых телескопов и микроскопов, ученые впервые получили возможность проникнуть далеко за пределы видимости, доступные человеческому зрению.

Оптический микроскоп

Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат принципы, так или иначе “подсмотренные” у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых — микроскопе.

Человеческий глаз представляет собой естественную оптическую систему с определённым разрешением — возможностью различения деталей наблюдаемого объекта. Для нормального зрения максимальное разрешение (на расстоянии наилучшего видения 25 см) составляет порядка 0,1—0,2 мм. Размеры же микроорганизмов, клеток растений и животных, деталей микроструктуры кристаллов и т.п. значительно меньше этой величины. Обнаружение и изучение подобных объектов было бы невозможным без оптических микроскопов.

Микроскоп (от греч. “micros’’—малый, и “scopeo’’—смотреть) — оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, не видимых невооруженным глазом, оказал поистине революционное действие на развитие многих наук, и в особенности, биологии.

Увеличение изображения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зависимости от своей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым прибором, демонстрирующим это явление, является обыкновенная лупа — плосковыпуклая линза.

Один из первых микроскопов сконструирован в 1609-1610 гг.

Галилеем. Он состоит из двух систем линз - окуляра и объектива. Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя.

Образец обычно берется в виде очень тонкого среза и рассматривается в падающем свете, поэтому под предметным столиком находится специальная система линз, называемая конденсором, который концентрирует свет на образце. Еще ниже расположено зеркало, которое отбрасывает свет лампы на образец, за счет чего вся оптическая система микроскопа и создает видимое изображение.

На рисунке представлена схема работы микроскопа.

С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным образом по пути улучшения конструкции механических частей. Совершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз.

Рис 135. Схема работы оптического микроскопа

(1—осветительная лампа; 2—линза, используемая для равномерного освещения объекта; 3—полевая диафрагма для ограничения светового пучка; 4—зеркало; 5—апертурная диафрагма для ограничения светового пучка; 6—конденсор; 7— рассматриваемый объект (препарат);

7’—увеличенное действительное изображение объекта; 7’’—увеличенное мнимое изображение объекта; 8—объектив; 9—окуляр; 10—предметный столик)

Создание фабричного производства микроскопов, конкуренция между фабриками привели к удешевлению инструментов, и микроскоп становится повседневным лабораторным инструментом, который могли иметь даже отдельные врачи и студенты. С этого момента отмечается настоящий “микроскопический бум”. Перед исследователями открылся новый, дотоле недоступный мир. С энтузиазмом первооткрывателей они кладут под микроскоп буквально все, что попадается им под руку — кончик иглы, зубной налет, капли крови, дождя. Открытия следуют одно за другим...

Рассматривая каплю воды из канавы, А. Левенгук — один из талантливейших микроскопистов-любителей — впервые увидел простейших; исследователю удалось рассмотреть не только строение многих из них, но и способы движения и даже размножения. Он же впервые описал красные кровяные тельца — эритроциты.

В 1677 г. Левенгук совместно со студентом-медиком И. Гамом открыл сперматозоиды[15]. Р. де Грааф установил, что женская половая железа млекопитающих, подобно яичнику птиц, продуцирует яйца. Идея о наличии яйца у млекопитающих приблизила разрешение вопроса о сущности оплодотворения.

В 1773 г., почти через 100 лет после первых наблюдений А. Левенгука, датскому зоологу О.Ф. Мюллеру удалось настолько хорошо рассмотреть бактерий, что он смог описать очертания и формы нескольких из них.

Применение микроскопа позволило детально изучить микроструктуру различных органов животных. М. Мальпиги обнаружил капилляры; это удачно дополняло учение В. Гарвея о кругах кровообращения. Мальпиги описал микроскопическое строение легких, печени, почек, селезенки. Я. Сваммердам изучил строение насекомых, их развитие.

Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование — клетка. В 1839 г. Т.Шванн формулирует клеточную теорию. Ученому удалось показать, что клеточная структура имеет всеобщее распространение в мире живого, все ткани состоят или развиваются из вполне стандартных клеток. Таким образом, клеточная теория показала морфологическое единство всей органической природы и тем самым способствовала утверждению идеи эволюции.

Эти примеры лишний раз доказывают, что развитие инструментов идет рука об руку с развитием науки и технологии и что успехи в этих областях связаны самым тесным образом.

Разрешающая способность микроскопов

Хотя со времен Левенгука увеличение оптических микроскопов выросло с 300 до 1500 единиц, на пути дальнейшего роста разрешающей способности стоит непреодолимый теоретический барьер — так называемый “предел Рэлея”.

Английский физик Джон Рэлей в 70-х годах XIX века сформулировал принцип, в соответствии с которым предельное разрешение микроскопа не может быть больше половины длины волны освещающего объект света. Например, если освещать объект красным лазером с длиной волны Х=650 нм, то предел разрешения окажется в 325 нм.

Это досадное препятствие объясняется явлением дифракции света: изображение точки даже в идеальном, не вносящем никаких искажений объективе, не воспринимается глазом как точка, так как вследствие дифракции является, фактически, круглым светлым пятнышком конечного диаметра, окруженным несколькими попеременно тёмными и светлыми кольцами. Если же две светящиеся точки расположены на очень близком расстоянии друг от друга, то их дифракционные картины накладываются одна на другую, давая в результате весьма размытое изображение со сложным распределением освещенности.

В погоне за все более высоким оптическим разрешением микроскописты шли на самые разные технические ухищрения. В частности, была доведена до предела длина облучающего света, что привело к созданию ультрафиолетовой микроскопии (280-300 нм), позволяющей визуализировать объекты размером 150-170 нм. Но, несмотря на то, что ультрафиолетовые микроскопы почти вдвое превосходят обычные по разрешающей способности, они обладают одним серьезным недостатком: ультрафиолет повреждает биообъекты, поэтому такие микроскопы совершенно не подходят для биотехнологических исследований.

Электронный микроскоп

Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточно. В связи с этим в 1930-х гг. возникла идея использовать вместо света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.

Как известно, в основе нашего зрения лежит формирование изображения объекта на сетчатке глаза световыми волнами, отраженными от этого объекта. Если, прежде чем попасть в глаз, свет проходит сквозь оптическую систему микроскопа, мы видим увеличенное изображение.

При этом ходом световых лучей умело управляют линзы, составляющие объектив и окуляр прибора.

Но как же можно получить изображение объекта, причём с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?

Ответ очень прост. Известно, что на траекторию и скорость электронов существенно влияют внешние электромагнитные поля, с помощью которых можно эффективно управлять движением электронов.

Наука о движении электронов в электромагнитных полях и о расчёте устройств, формирующих нужные поля, называется электронной оптикой

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое — оптическими линзами. Поэтому в электронном микроскопе устройства фокусировки и рассеивания электронного пучка называют “электронными линзами”.

Рис 136. Электронная линза. Витки проводов катушки, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок

Магнитное поле катушки действует как собирающая или рассеивающая линза. Чтобы сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают магнитной «броней» из специального ни- кель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10—100 тыс. раз сильнее, чем магнитное поле Земли!

К сожалению, наш глаз не может непосредственно воспринимать электронные пучки. Поэтому они используются для “рисования” изображения на люминесцентных экранах (которые светятся при попадании электронов). Кстати, тот же принцип лежит в основе работы мониторов и осциллографов.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Существует большое количество различных типов электронных микроскопов, среди которых наиболее популярен растровый электронный микроскоп (РЭМ).

Мы получим его упрощенную схему, если поместим изучаемый объект внутрь электронно-лучевой трубки обыкновенного телевизора между экраном и источником электронов.

В таком микроскопе тонкий луч электронов (диаметр пучка около 10 нм) обегает (как бы сканируя) образец по горизонтальным строчкам, точку за точкой, и синхронно передает сигнал на кинескоп. Весь процесс аналогичен работе телевизора в процессе развертки. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии14 испускаются электроны.

Рис 137. Схема работы растрового электронного микроскопа

При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие — из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. В некоторых случаях испускаются вторичные электроны, индуцируется рентгеновское излучение и

              Термоэлектронная эмиссия — выход электронов с поверхности проводников. Число вышедших электронов мало при Т=300К и экспоненциально растет с повышением температуры.

т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. В связи с тем, что длина волны электрона на порядки меньше, чем фотона, в современных РЭМ это увеличение может достигать 10 миллионов[16], соответствуя разрешению в единицы нанометров, что позволяет визуализировать отдельные атомы.

Главный недостаток электронной микроскопии — необходимость работы в полном вакууме, ведь наличие какого-либо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительное воздействие на биологические объекты, что делает их неприменимыми для исследования во многих областях биотехнологии.

История создания электронного микроскопа — замечательный пример достижения, основанного на междисциплинарном подходе, когда самостоятельно развивающиеся области науки и техники, объединившись, создали новый мощный инструмент научных исследований.

Вершиной классической физики была теория электромагнитного поля, которая объяснила распространение света, электричество и магнетизм как распространение электромагнитных волн. Волновая оптика объяснила явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, определяющих разрешение в световом микроскопе. Успехам квантовой физики мы обязаны открытием электрона с его специфическими корпускулярно-волновыми свойствами. Эти отдельные и, казалось бы, независимые пути развития привели к созданию электронной оптики, одним из важнейших изобретений которой в 1930-х годах стал электронный микроскоп.

Но и на этом ученые не успокоились. Длина волны электрона, ускоренного электрическим полем, составляет несколько нанометров. Это неплохо, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как заглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной хи

мической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.

Нейтроны обычно входят в состав атомных ядер наряду с протонами и имеют почти в 2000 раз большую массу, чем электрон. Те, кто не забыл формулу де Бройля из квантовой главы, сразу сообразят, что и длина волны у нейтрона во столько же раз меньше, то есть составляет пикометры - тысячные доли нанометра! Тогда-то атом и предстанет исследователям не как расплывчатое пятнышко, а во всей своей красе.

Нейтронный микроскоп имеет много плюсов — в частности, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко проникают в толстые слои образцов. Однако и построить его очень трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому преспокойно игнорируют магнитные и электрические поля и так и норовят ускользнуть от датчиков. К тому же не так-то просто выгнать большие неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому сегодня первые прототипы нейтронного микроскопа еще весьма далеки от совершенства.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме История развития микроскопии:

  1. III. ГУМАНИТАРНЫЕ НАУКИ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ 152.
  2. Примечания
  3. Образ науки в самосознании ученых
  4. Очерк 12 ДИАЛЕКТИЧЕСКАЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ ЛОГИЧЕСКОГО И ИСТОРИЧЕСКОГО
  5. §3.1. Циклы и векторы истории
  6. Терминология
  7. Биолиты кремнезёма
  8. Глава 23 ГУМАНИТАРНАЯ ГЕОГРАФИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ
  9. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада
  10. Индикаторы развития институционально-технологической инфраструктуры