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光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域

光學(xué)顯微鏡是一種既古老又年輕的科學(xué)工具,從誕生至今,已有三百年的歷史光學(xué)顯微鏡的用途十分廣泛,例如在生物學(xué)中,化學(xué)中,物理學(xué)中,天文等等在一些科研工作中都是離不開顯微鏡。
目前,幾乎成了科學(xué)技術(shù)的形象代言,你只需看媒體上有關(guān)科學(xué)技術(shù)的報(bào)道中頻頻出現(xiàn)其身影,便可見此言之不謬也。
生物學(xué)中,實(shí)驗(yàn)室是離不開這種實(shí)驗(yàn)儀器,它可以幫助學(xué)習(xí)者去研究未知的世界;去認(rèn)識(shí)世界。
醫(yī)院是顯微鏡的大應(yīng)用場(chǎng)所,主要用來檢查患者的體液變化、入侵人體的病菌、細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的變化等等信息,為醫(yī)生提供制定治療方案的參考依據(jù)和驗(yàn)證手段,在基因工程、顯微*中,顯微鏡更是醫(yī)生*的工具;農(nóng)業(yè)方面,育種、病蟲害防治等工作離不開顯微鏡的幫助;工業(yè)生產(chǎn)中,精細(xì)零件的加工檢測(cè)和裝配調(diào)整、材料性能的研究是顯微鏡可以的顯身手的地方;刑偵人員常常依靠顯微鏡來分析各種微觀的罪跡,作為確定真兇的重要手段;環(huán)保部門檢測(cè)各種固體污染物時(shí)也得助顯微鏡;地礦工程師和文物考古工作者借助顯微鏡所發(fā)現(xiàn)的蛛絲馬跡可以判斷深埋地下的礦藏或推斷出塵封的歷史真像;甚至人們的日常生活也離不開顯微鏡,如美容美發(fā)行業(yè),能用顯微鏡對(duì)皮膚、發(fā)質(zhì)等進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)能獲得好的效果。可見顯微鏡與人們的生產(chǎn)生活結(jié)合得是多么的緊密。
按照不同的應(yīng)用目的,可以大致對(duì)顯微鏡進(jìn)行分類,常見的有生物顯微鏡、金相顯微鏡、體視顯微鏡、偏光顯微鏡等四大類。顧名思義,生物顯微鏡主要用在生物醫(yī)學(xué)方面,觀察對(duì)象多為透明或半透明微體;金相顯微鏡主要用來觀察不透明物體的表面,如材料的金相結(jié)構(gòu)和表面缺陷;體視顯微鏡在將微物放大成像的同時(shí),還使物與像相對(duì)于人眼的方位一致,并且有縱深感,符合人的常規(guī)視覺習(xí)慣;偏光顯微鏡利用不同材料對(duì)偏振光的透射或反射特性來區(qū)分不同的微物組份。另外,還可細(xì)分出一些特殊的種類,如倒置生物顯微鏡或稱培養(yǎng)顯微鏡是主要用來透過培養(yǎng)器皿底部觀察培養(yǎng)的一種生物顯微鏡;熒光顯微鏡利用某些物質(zhì)吸收特定較短波長光線而發(fā)射特定較長波長光線的特性,去發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)的存在,判斷其含量;比較顯微鏡可以在同一視場(chǎng)中形成兩個(gè)物體的并列或重合圖像,以便對(duì)比兩個(gè)物體的異同。
傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡主要由光學(xué)系統(tǒng)及支撐它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成,光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡、目鏡和聚光鏡,都是由各種光學(xué)玻璃做成的復(fù)雜化了的放大鏡。物鏡將標(biāo)本放大成像,其放大倍率m 物由下式?jīng)Q定: m物 =δ∕f'物,式中 f'物是物鏡的焦距, δ可理解為物鏡與目鏡間的距離。目鏡將物鏡所成之像再次放大,成一個(gè)虛像在人眼前 250mm 處供人觀察, 這是多數(shù)人感覺舒適的觀察位置,目鏡的倍率m 目 =250/f' 目,f' 目是目鏡的焦距。顯微鏡的總放大倍率是物鏡與目鏡的乘積,即 m=m 物*m 目=δ*250∕f' 目 *f; 物。可見,減小物鏡及目鏡焦距將使總放大倍率提高,這是用顯微鏡可以看到細(xì)菌等微生物的關(guān)鍵, 也是其與普通放大鏡的區(qū)別所在。
那么,是否可以設(shè)想無限制地減少 f' 物f' 目,以便提高放大倍率,使我們能看到更加細(xì)微的物體呢 ? 回答是否定的!這是因?yàn)橛靡猿上竦墓獗举|(zhì)是一種電磁波,因而在傳播過程中免不了產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象,就像日常所見水面的波紋遇到障礙時(shí)能繞行,兩列水波相遇時(shí)能互相加強(qiáng)或削弱一樣。當(dāng)從一個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光物點(diǎn)發(fā)出的光波進(jìn)入物鏡時(shí),物鏡的邊框阻礙了光的傳播,產(chǎn)生衍射和干涉,經(jīng)物鏡后無法再會(huì)集于一點(diǎn),而是形成有一定大小的光斑,外圍還有強(qiáng)度微弱并逐漸減弱的一系列光環(huán),我們稱中心亮斑為艾里斑,兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)靠近到一定距離時(shí)兩光斑就會(huì)重疊,直至無法確認(rèn)為兩個(gè)光斑。瑞利提出了一個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為當(dāng)兩光斑中心相距等于艾里斑半徑時(shí),兩光斑是能分辨的,經(jīng)計(jì)算,這時(shí)候兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)間的距離 e=0.61 入∕n.sina=0.61 入 ∕n.a ,式中,入為光波波長,人眼可接收的光波波長約為0.4—0.7um ,n 為發(fā)光點(diǎn)所處介質(zhì)的折射率,如處在空氣中, n≈1 ,處在水中,n≈1.33 ,而 a 為發(fā)光點(diǎn)對(duì)物鏡邊框張角之半,n.a 稱為物鏡的數(shù)值孔徑。從上式可見,物鏡能分辨的兩點(diǎn)間的距離受到了光的波長和數(shù)值孔徑的限制,由于人眼視覺敏銳的波長約為 0.5um ,而a 角不可能超過90 度, sina 總小于1 ,對(duì)于可用的透光介質(zhì)大折射率約為1.5 ,故 e 值始終大于0.2um ,這是光學(xué)顯微鏡能分辨的小極限距離。通過顯微鏡放大成像,若想將能被具有某些 n.a 值的物鏡分辨率的物點(diǎn)間距e 放大到足以被人眼分辨,則需m.e≥0.15mm ,此處 0.15mm 為實(shí)驗(yàn)得出的人眼能分辨的置于眼前250mm 處兩微物間的小距離,故 m≥ (0.15∕0.61 入)n.a≈500n.a ,為使觀察不致太費(fèi)力, m 擴(kuò)大一倍便足夠了,即500n.a≤m≤1000n.a ,是顯微鏡總倍率的合理選取范圍,再大的總放大倍率是沒有意義的,因?yàn)槲镧R數(shù)值孔徑已經(jīng)限制了小可分辨距離,提高放大倍率已不可能分辨出更小的物體細(xì)節(jié)了。
成像襯度是光學(xué)顯微鏡的另一個(gè)關(guān)鍵問題,所謂襯度,即是像面上相鄰部份間的黑白對(duì)比度或顏色差,人眼對(duì)于0.02 以下的亮度差別是很難判定的,對(duì)顏色差別則稍微敏感一些。有些顯微鏡觀察對(duì)象,如生物標(biāo)本,其細(xì)節(jié)間亮度差別甚小,加之顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造誤差使其成像襯度進(jìn)一步降低而難于分辨,此時(shí),看不清物體細(xì)節(jié),不是總放大倍率過低,也不是物鏡數(shù)值孔徑太小,而是由于像面襯度太低的緣故。
多少年來,人們?yōu)樘岣唢@微鏡的分辨能力和成像襯度付出了艱辛的勞動(dòng),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工具的不斷進(jìn)步,光學(xué)設(shè)計(jì)的理論和方法也在不斷改進(jìn),加上原材料性能的提高,工藝和檢測(cè)手段的不斷完善,觀察方法的創(chuàng)新,使光學(xué)顯微鏡的成像質(zhì)量已經(jīng)接近衍射極限的完善程度,人們將用標(biāo)本染色、暗場(chǎng)、相襯、熒光、干涉、偏光等觀察技術(shù),使得光學(xué)顯微鏡已能適應(yīng)很多的研究,雖然近年來電子顯微鏡,超聲顯微鏡等放大成像儀器先后問世,在某些方面具有優(yōu)勢(shì)的性能,但在廉價(jià)、方便、直觀、特別是適合生物活體的研究等方面仍無法與光學(xué)顯微鏡匹敵,光學(xué)顯微鏡仍然牢固地占據(jù)著自己的陣地。另一方面,與激光、計(jì)算機(jī)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合,古老的光學(xué)顯微鏡正煥發(fā)青春,顯示了旺盛的生命力,數(shù)碼顯微鏡、激光共焦掃描顯微鏡、近場(chǎng)掃描顯微鏡、雙光子顯微鏡及具有各種新的功能或能適應(yīng)各種新的環(huán)境條件的儀器層出不窮,更加擴(kuò)大了光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域,作為新的例子。從火星探測(cè)車上傳回的巖層顯微圖片是多么令人振奮!我們*可以相信,光學(xué)顯微鏡將會(huì)以更新的姿態(tài),造福人類。
由于近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡能克服傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡低分辨率以及掃描電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡對(duì)生物樣品產(chǎn)生損傷等缺點(diǎn),因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用,特別是在生物醫(yī)學(xué)以及納米材料和微電子學(xué)等領(lǐng)域。
高分辨率光學(xué)成像由于近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)所觀察的生物樣品無損傷等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于生物樣品的觀察,成為探索生物大分子活動(dòng)奧秘的光學(xué)手段,給生物學(xué)家們帶來強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)武器。利用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡,已在生物學(xué)研究所涉及的許多領(lǐng)域展開了工作,不僅有靜態(tài)的形貌像的觀察研究,如細(xì)胞的有絲分裂,染色體的分辨與局域熒光,原位 dna,rna 的測(cè)序,基因識(shí)別等,還有利用觀察形貌像隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)過程的研究。

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