Микроскоп (от греч. mikros - малый и skopeo - смотрю) - оптический прибор для получения увеличенного изображения мелких объектов и их деталей, невидимых невооруженным глазом.
Первый из известных микроскопов был создан в 1590 году в Нидерландах потомственными оптиками Захарием и Хансом Янсенами , смонтировавшими две выпуклые линзы внутри одной трубки. Позднее Декарт в своей книге "Диоптрика" (1637) описал более сложный микроскоп, составленный из двух линз - плоско-вогнутой (окуляр) и двояковыпуклой (объектив). Дальнейшее же совершенствование оптики позволило Антони ван Левенгуку в 1674 г. изготовить линзы с увеличением, достаточным для проведения простых научных наблюдений и впервые в 1683 году описать микроорганизмы.
Современный микроскоп (рисунок 1) состоит из трех основных частей: оптической, осветительной и механической.
Основными деталями оптической части микроскопа являются две системы увеличительных линз: обращенный к глазу исследователя окуляр и обращенный к препарату объектив. Окуляры имеют две линзы, верхняя из которых называется главной, а нижняя собирательной. На оправе окуляров обозначают производимое ими увеличение (×5, ×7, ×10, ×15). Количество окуляров у микроскопа может быть различным, в связи с чем различат монокулярные и бинокулярные микроскопы (предназначены для наблюдения за объектом одним или двумя глазами), а также тринокуляры , позволяющие подключать к микроскопу системы документирования (фото- и видеокамеры).
Объективы представляют собой систему линз, заключенных в металлическую оправу, из которых передняя (фронтальная) линза производит увеличение, а лежащие за ней коррекционные линзы устраняют недостатки оптического изображения. На оправе объективов цифрами также указано производимое ими увеличение (×8, ×10, ×40, ×100). Большинство моделей, предназначенных для микробиологических исследований, имеют в комплекте несколько объективов с разными степенями увеличения и поворотный механизм, предназначенный для их быстрой смены - турель , часто называемый «револьверной головкой ».
Осветительная часть предназначена для создания светового потока, который позволяет осветить объект таким образом, чтобы оптическая часть микроскопа предельно точно выполняла свои функции. Осветительная часть в прямых микроскопа проходящего света расположена за объектом под объективом и включает в себя источник света (лампу и электрический блок питания) и оптико-механическую систему (конденсор, полевую и апертурную регулируемую диафрагмы). Конденсор состоит из системы линз, которые предназначены для собирания идущих от источника света лучей в одной точке - фокусе , которая должна находиться в плоскости рассматриваемого объекта. В свою очередь диафрагма расположена под конденсором и предназначена для регулирования (увеличения или уменьшения) потока лучей, проходящих от источника света.
Механическая часть микроскопа содержит детали, объединяющие описанные выше оптическую и осветительную части, а также позволяющие размещать и перемещать исследуемый препарат. Соответственно, механическая часть состоит из основания микроскопа и держателя , к верхней части которого прикрепляются тубус - полая трубка, предназначенная для размещения объектива, а также упомянутая выше револьверная головка. Ниже находится предметный столик , на который устанавливаются предметные стекла с исследуемыми образцами. Предметный столик может перемещаться в горизонтальной плоскости с использованием соответствующего устройства, а также вверх и вниз, что обеспечивает настройку резкости изображения с помощью грубого (макрометрического) и точного (микрометрического) винтов.
Увеличение, которое дает микроскоп, определяется произведением увеличения объектива на увеличение окуляра. Кроме светопольной микроскопии широкое применение в специальных методах исследования плучили: темнопольная, фазово-контрастная, люминесцентная (флюоресцентная) и электронная микроскопия.
Первичная (собственная) флюоресценция возникает без специальной обработки препаратов и присуща ряду биологически активных веществ, таких, как ароматические аминокислоты, порфирины, хлорофилл, витамины А, В2, В1 , некоторые антибиотики (тетрациклин) и химиотерапевтические вещества (акрихин, риванол). Вторичная (наведенная) флюоресценция 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.
Для проведения данного вида микроскопии используются специальные люминесцентные (флюоресцентные) микроскопы , отличающиеся от обычного светового микроскопа наличием мощного источника освещения (ртутно-кварцевая лампа сверхвысокого давления или галогеновая кварцевая лампа накаливания), излучающего преимущественно в длинноволновой ультрафиолетовой или коротковолновой (сине-фиолетовой) области видимого спектра.
Данный источник используется для возбуждения флюоресценции, прежде, чем испускаемый им свет проходит через специальный возбуждающий (сине-фиолетовый) светофильтр и отражается интерференционной светоделительной пластинкой , почти полностью отсекающими более длинноволновое излучение и пропускающими только ту часть спектра, которая возбуждает флюоресценцию. При этом в современных моделях люминесцентных микроскопов возбуждающее излучение попадает на препарат через объектив (!) После же возбуждения флюоресценции возникающий свет вновь попадает в объектив, после чего проходит через расположенный перед окуляром запирающий (желтый) светофильтр , отсекающий коротковолновое возбуждающее излучение и пропускающий свет люминесценции от препарата к глазу наблюдателя.
В силу использования подобной системы светофильтров интенсивность свечения наблюдаемого объекта обычно невелика, в связи с чем люминесцентную микроскопию следует проводить в специальных затемненных помещениях .
Важным требованием при выполнении данного вида микроскопии является также применение нефлюоресцирующих иммерсионных и заключающих сред . В частности, для гашения собственной флюоресценции кедрового или иного иммерсионного масла к нему добавляют небольшие количества нитробензола (от 2 до 10 капель на 1 г). В свою очередь в качестве заключающих сред для препаратов могут быть использованы буферный раствор глицерина, а также нефлюоресцирующие полимеры (полистирол, поливиниловый спирт). В остальном при проведении люминесцентной микроскопии применяют обычные предметные и покровные стёкла, пропускающие излучение в используемой части спектра и не обладающие собственной люминесценцией.
Соответственно, важными преимуществами люминесцентной микроскопии являются:
1) цветное изображение;
2) высокая степень контрастности самосветящихся объектов на черном фоне;
3) возможность исследования клеточных структур, избирательно поглощающих различные флуорохромы, являющиеся при этом специфическими цитохимическими индикаторами;
4) возможность определения функционально-морфологических изменений клеток в динамике их развития;
5) возможность специфического окрашивания микроорганизмов (с использованием иммунофлюоресценции).
Электронная микроскопия
Теоретические основы использования электронов для наблюдения микроскопических объектов были заложены У. Гамильтоном , установившим аналогию между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях, а также де Бройлем , выдвинувшим гипотезу о существовании у электрона одновременно корпускулярных и волновых свойств.
При этом, благодаря чрезвычайно малой длине волны электронов, которая уменьшается в прямой зависимости от подаваемого ускоряющего напряжения, теоретически рассчитанный предел разрешения , характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие, максимально близко расположенные детали объекта, у электронного микроскопа составляет 2-3 Å (Ангстрем , где 1Å=10 -10 м), что в несколько тысяч раз выше, чем у оптического микроскопа. Первое изображение объекта, сформированное пучками электронов, было получено в 1931г. немецкими учеными М. Кноллем и Э. Руска .
В конструкциях современных электронных микроскопов источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого после его нагревания до 2500 ºС в результате термоэлектронной эмиссии испускаются электроны. С помощью электрических и магнитных полей формирующийся поток электронов можно ускорять и замедлять, а также отклонять в любых направлениях и фокусировать. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных магнитных, электростатических и комбинированных устройств, называемых «электронными линзами» .
Необходимым условием перемещения электронов в виде пучка на большое расстояние является также создание на их пути вакуума , поскольку в этом случае средняя длина свободного пробега электронов между столкновениями с газовыми молекулами будет значительно превышать расстояние, на которое они должны перемещаться. Для этих целей достаточно поддерживать в рабочей камере отрицательное давление приблизительно 10 -4 Па.
По характеру исследования объектов электронные микроскопы разделяют на просвечивающие, отражательные, эмиссионные, растровые, теневые и зеркальные , среди которых первые два являются наиболее часто используемыми.
Оптическая схема просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа полностью эквивалентна соответствующей схеме оптического микроскопа, в котором световой луч заменяется электронным лучом, а системы стеклянных линз заменяются системами электронных линз. Соответственно, просвечивающий электронный микроскоп состоит из следующих основных узлов: осветительной системы, камеры объекта, фокусирующей системы и блока регистрации конечного изображения , состоящего из фотокамеры и флуоресцирующего экрана.
Все эти узлы соединены друг с другом, образуя так называемую «колонну микроскопа», внутри которой поддерживается вакуум. Другим важным требованием, предъявляемым к исследуемому объекту, является его толщина менее чем 0,1 мкм. Окончательное же изображение объекта формируется после соответствующей фокусировки прошедшего сквозь него пучка электронов на фотопленке или флюоресцирующем экране , покрытом специальным веществом - люминофором (аналогичен экрану в кинескопах телевизоров) и превращающем электронное изображение в видимое.
При этом образование изображения в просвечивающем электронном микроскопе связано главным образом с различной степенью рассеяния электронов различными участками исследуемого образца и в меньшей мере с различием в поглощении электронов этими участками. Контраст усиливают также, применяя «электронные красители » (четырёхокись осмия, уранил и др.), избирательно связывающиеся с некоторыми участками объекта. Устроенные подобным образом современные просвечивающие электронные микроскопы обеспечивают максимальное полезное увеличение до 400000 раз, что соответствует разрешающей способности в 5,0 Å. Выявляемое с использованием просвечивающей электронной микроскопии тонкое строение бактериальных клеток называют ультраструктурой .
В отражательном (сканирующем) электронном микроскопе изображение создается с помощью электронов, отраженных (рассеянных) поверхностным слоем объекта при его облучении под малым углом (приблизительно несколько градусов) к поверхности. Соответственно, образование изображения обусловлено различием рассеяния электронов в разных точках объекта в зависимости от его поверхностного микрорельефа, а сам результат подобной микроскопии предстает в виде структуры поверхности наблюдаемого объекта. Контрастность может быть усилена напылением на поверхность объекта частиц металла. Достигнутая разрешающая способность микроскопов такого типа составляет порядка 100 Å.
В микроскопе различают механическую и оптическую части. Механическая часть представлена штативом (состоящим из основания и тубусодержателя) и укрепленным на нем тубусом с револьвером для крепления и смены объективов. К механической части относятся также: предметный столик для препарата, приспособления для крепления конденсора и светофильтров, встроенные в штатив механизмы для грубого (макромеханизм, макровинт) и тонкого (микромеханизм, микровинт) перемещения предметного столика или тубусодержателя.
Оптическая часть представлена объективами, окулярами и осветительной системой, которая в свою очередь состоит из расположенных под предметным столиком конденсора Аббе и встроенного осветителя с низковольтной лампой накаливания и трансформатором. Объективы ввинчиваются в револьвер, а соответствующий окуляр, через который наблюдают изображение, устанавливают с противоположной стороны тубуса.
Рисунок 1. Устройство микроскопа
К механической части относится штатив, состоящий из основания и тубусодержателя. Основание служит опорой микроскопа и несет всю конструкцию штатива. В основании находится также гнездо для зеркала или встроенный осветитель.
- предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтальногоих перемещения;
- узел для крепления и вертикального светофильтров.
В большинстве современных микроскопов фокусировка осуществляется путем вертикального перемещения предметного столика с помощью макро- и микромеханизма при неподвижном тубусодержателе. Это позволяет установить на тубусодержатель различные насадки (микрофото и т.п.). В некоторых конструкциях микроскопов, предназначенных для работы с микроманипулятором, фокусировка осуществляется вертикальным перемещением тубусодержателя при неподвижном предметном столике.
Тубус микроскопа
- узел, служащий для установки объективов и окуляров на определенном расстоянии друг от друга. Он представляет собой трубку, в верхней части которой находится окуляр или окуляры, а в нижней - устройство для крепления и смены объективов. Обычно это револьвер с несколькими гнездами для быстрой смены объективов различного увеличения. В каждом гнезде револьвера объектив закреплен таким образом, что он всегда остается центрированным по отношению к оптической оси микроскопа. В настоящее время конструкция тубуса существенно отличается от прежних микроскопов тем, что части тубуса несущие окуляры и револьвер с объективами, конструктивно не связаны. Роль средней части тубуса может выполнять штатив.
Механическая длина тубуса биологических микроскопов обычно составляет 160мм. В тубусе между объективом и окуляром могут располагаться призмы, изменяющие направление хода лучей и промежуточные линзы, изменяющие окулярное увеличение и оптическую длину тубуса.
Существуют различные взаимозаменяемые конструкции участка тубуса, несущего окуляры (прямой и наклонный) и различающиеся по количеству окуляров (окулярные насадки):
- монокулярные - с одним окуляром, для наблюдения одним глазом;
- бинокулярные - с двумя окулярами, для одновременного наблюдения двумя глазами, которые могут различаться по конструкции в зависимости от модели микроскопа;
- тринокулярные - с двумя окулярами и проекционным выходом, позволяющие одновременно с визуальным наблюдением двумя глазами, проецировать изображение препарата соответствующей оптикой на монитор компьютера или другой приемник изображения.
Помимо тубусодержателя с тубусом к механической части микроскопа относятся:
- кронштейн для крепления предметного столика;
- предметный столик, служащий для размещения препаратов и горизонтального перемещения в двух перпендикулярных направлениях относительно оси микроскопа. Конструкция некоторых столиков позволяет вращать препарат. Вертикальное перемещение предметного столика осуществляется макро- и микромеханизмом.
- приспособления для крепления и вертикального перемещения конденсора и его центрировки, а также для помещения светофильтров.
Тема 1. КЛЕТКА
§6. СТРОЕНИЕ МИКРОСКОПА
Вы ознакомиться со строением микроскопа и узнаете, как рассчитывать его увеличение.
Будем ли мы работать с микроскопом?
Что можно увидеть в микроскоп, кроме бактерия?
Микроскоп (от греческого «микрос»- малый и «скопео» - смотреть, рассматривать) - где увеличительный прибор, который позволяет рассматривать предмет и очень малого размера. Конструкция школьного микроскопа почти такая же, как в лучших исследовательских микроскопов первой половины XX века. (мл. 6). При правильной настройке школьный микроскоп позволяет увидеть не только клетку, но и отдельные ее внутренние структуры. А при наличии определенного опыта - даже выполнять некоторые интересные эксперименты.
Микроскоп состоит а корпуса и элементов оптической системы, через которые проходит свет.
Частями корпуса являются:
✓ основание;
Рис. в. Внешний вид и основные составляющие школьного микроскопа
✓ предметный столик, на котором размещается опытный образец, закрепляется на столике с помощью двух гибких держателей;
В штатив с изменяемым углом наклона, на котором находятся большой винт грубой настройки четкости (макрогвинт), и меньший винт точной настройки четкости (мікрогвинт);
✓ тубус, на нижней части которого крепится револьверная насадка с объективами, а в верхнюю часть укладывается окуляр.
К элементам оптической системы микроскопа относятся:
✓ вогнутое зеркало, которое можно поворачивать;
В диафрагма, что находится под предметным столиком;
✓ револьверная насадка с объективами разного увеличения;
✓ окуляр, в который наблюдают объект исследования.
Зеркало используют для настройки наилучшего освещения препарата. Диафрагмой регулируют контрастность и яркость изображения: если диафрагма закрыта, изображение очень контрастное, однако темное; если диафрагма полностью открыта, то контрастность мала, а света много, поэтому изображение переосвітлене.
Рис. 7. Объективы (а), окуляр (б) школьного микроскопа и их маркировка
Объектов. Школьный микроскоп имеет три объектива: очень малого (4-кратного), малого (10-кратного) и большого (40-кратного) увеличения. Для легкой их смены они вкручены в револьверную насадку. Объектив, который расположен вертикально вниз, в направлении к объекту исследования, включенный в оптическую систему, другие - выключены. Поворачивая револьверную насадку, можно менять рабочий объектив и, таким образом, переходить от одного увеличения к другому. При включении другого объектива в оптическую систему слышен легкий щелчок - это срабатывает пружинный фиксатор револьверной насадки.
Объектив является главным элементом оптической системы микроскопа. На объективе цифрами обозначены его технические характеристики.
В верхней строке первой цифрой обозначается увеличение объектива (жал. 7).
Произведение увеличения объектива и увеличения окуляра показывает общее увеличение микроскопа. Например, при включенном 4-кратном объективе и 10-кратном окуляре общее увеличение микроскопа составляет: 4 ∙ 10 = 40 (раз).
При работе с микроскопом на предметный столик кладут опытный образец, закрепляют его держателями, включают объектив малого увеличения (10-кратннй). Вращая зеркальце, направляют на препарат свет, и макрогвинтом настраивают четкость. Далее, при необходимости, включают объектив большого увеличения, підрегульовують четкость мікрогвинтом и контрастируют изображение диафрагмой.
Работая с микроскопом, придерживайтесь таких правил:
1. Линзы окуляров и объективов нужно предохранять от загрязнения и механических повреждений: не касаться пальцами и твердыми предметами, не допускать попадания на них воды и других веществ.
2. Запрещается раскручивать оправы окуляра и объективов, разбирать механические детали микроскопа - их ремонтируют только в специальных мастерских.
3. Переносить микроскоп надо двумя руками в вертикальном положении, держа прибор одной рукой за штатив, а другой - за его основу.
ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ, КОТОРЫЕ НУЖНО УСВОИТЬ
Объектив, общее увеличение микроскопа.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Из каких элементов состоит оптическая система микроскопа?
2. Элементы оптической системы микроскопа обеспечивают общее увеличение?
3. Для чего используется вогнутое зеркало?
4. Каково назначение диафрагмы?
5. Объектив включают в начале работы с микроскопом?
6. Какое максимальное увеличение можно получить игры применении объективов и окуляра, изображенных на рисунке 7?
7. Каких правил нужно придерживаться при работе с микроскопом?
ЗАДАЧИ
Внимательно рассмотрите ваш школьный микроскоп, найдите все его составляющие. Запишите увеличения окуляра и объектива. Рассчитайте увеличение микроскопа для каждого из объективов. Результаты запишите в таблицу в тетради.
ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Как определить размер наименьших объектов, которые можно увидеть в оптический микроскоп?
Размер минимального объекта, который можно увидеть с помощью глаза или увеличительного прибора, определяется его разрешением.
Разрешающая способность - это наименьшее расстояние между двумя точками, на котором их изображения еще разделены и не сливаются в одно. Разрешающая способность глаза человека составляет 200 мкм (0,2 мм), оптического микроскопа - 0,2 мкм (0,0002 мм), электронного микроскопа - 0,0002 мкм (0,0000002 мм). Если размер объекта меньше разрешения, то этот объект рассмотреть уже невозможно, и наоборот. Таким образом, именно от разрешения зависит, что можно увидеть в микроскоп, а что - нет.
Значение показателя, по которому рассчитывают разрешающую способность объектива, нанесено на его корпусе сразу после показателя увеличение объектива. Он называется апертурой объектива.
За апертурой рассчитывают разрешающую способность объектива:
Разрешающая способность (в мкм) = 0,3355 /апертура объектива.
Полученное значение округляют до десятых.
Пример: на объективе с красным кольцом (рис. 7) в верхней строке нанесена маркировка: «4 / 0,10». Цифра «4» указывает на увеличение объектива - четырехкратное, а «0,10» - апертуру. Разрешающая способность этого объектива
будет такая:
0,3355 / 0,10 = 3,355 « 3,4 (мкм).
Материалы и оборудование . Микроскопы: МБР-1, БИОЛАМ, МИКМЕД-1, МБС-1; комплект постоянных микропрепаратов
Микроскоп - это оптический прибор, позволяющий получить обратное изображение изучаемого объекта и рассмотреть мелкие детали его строения, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.
Что такое разрешающая способность?
Представьте себе, что невооруженным глазом человек может различить две очень близко лежащие линии или точки лишь в том случае, если расстояние между ними будет не менее 0,10 мм (100 мкм). Если же это расстояние будет меньше, то две линии или точки сольются в одну. Таким образом, разрешающая способность человеческого глаза равна 100 мкм. Поэтому, чем больше разрешающая способность объектива, тем больше подробностей строения наблюдаемого объекта можно выявить. Для объектива (х8) разрешающая способность равна 1,68 мкм, для объектива (х40) – 0,52 мкм.
Лучший световой микроскоп примерно в 500 раз улучшает возможность человеческого глаза, т. е. его разрешающая способность составляет около 0,2 мкм или 200 нм.
Разрешающая способность и увеличение не одно и тоже. Если с помощью светового микроскопа получить фотографии двух линий, расположенных на расстоянии менее 0,2 мкм, то, как бы не увеличивать изображение, линии будут сливаться в одну. Можно получить большое увеличение, но не улучшить его разрешение.
Различают полезное ибесполезное увеличения . Под полезным понимают такое увеличение наблюдаемого объекта, при котором можно выявить новые детали его строения. Бесполезное - это увеличение, при котором, увеличивая объект в сотни и более раз, нельзя обнаружить новых деталей строения. Например, если изображение, полученное с помощью микроскопа (полезное!), увеличить еще во много раз, спроецировав его на экран, то новые, более тонкие детали строения при этом не выявятся, а лишь соответственно увеличатся размеры имеющихся структур.
В учебных лабораториях обычно используют световые микроскопы , на которых микропрепараты рассматриваются с использованием естественного или искусственного света. Наиболее распространенысветовые биологические микроскопы: БИОЛАМ, МИКМЕД, МБР (микроскоп биологический рабочий), МБИ (микроскоп биологический исследовательский) и МБС (микроскоп биологический стереоскопический). Они дают увеличение в пределах от 56 до 1350 раз.Стереомикроскоп (МБС) обеспечивает подлинно объемное восприятие микрообъекта и увеличивает от 3,5 до 88 раз.
В микроскопе выделяют две системы: оптическую имеханическую (рис.1). Коптической системе относят объективы, окуляры и осветительное устройство (конденсор с диафрагмой и светофильтром, зеркало или электроосветитель).
Рисунок 1. Внешний вид микроскопов Биомед 1 и Биомед 2
Объектив - одна из важнейших частей микроскопа, поскольку он определяетполезное увеличение объекта. Объектив состоит из металлического цилиндра с вмонтированными в него линзами, число которых может быть различным. Увеличение объектива обозначено на нем цифрами. В учебных целях используют обычно объективы х8 и х40. Качество объектива определяет его разрешающая способность.
Объектив требует очень бережного обращения, особенно это касается объективов с большим увеличением, т.к. у них рабочее расстояние, т.е. расстояние от покровного стекла до фронтальной линзы, измеряется десятыми долями миллиметра. Например, рабочее расстояние для объектива (х40) составляет 0,6 мм.
Окуляр устроен намного проще объектива. Он состоит из 2-3 линз, вмонтированных в металлический цилиндр. Между линзами расположена постоянная диафрагма, определяющая границы поля зрения. Нижняя линза фокусирует изображение объекта, построенное объективом в плоскости диафрагмы, а верхняя служит непосредственно для наблюдения. Увеличение окуляров обозначено на них цифрами: х7, х10, х15. Окуляры не выявляют новых деталей строения, и в этом отношении их увеличениебесполезно . Таким образом, окуляр, подобно лупе, дает прямое, мнимое, увеличенное изображение наблюдаемого объекта, построенное объективом.
Для определения общего увеличения микроскопа следует умножить увеличение объектива на увеличение окуляра. Например, если окуляр дает 10-кратное увеличение, а объектив - 20-кратное, то общее увеличение 10x20 = 200 раз.
Осветительное устройство состоит из зеркала или электроосветителя, конденсора с ирисовой диафрагмой и светофильтром, расположенных под предметным столиком. Они предназначены для освещения объекта пучком света.
Зеркало служит для направления света через конденсор и отверстие предметного столика на объект. Оно имеет две поверхности: плоскую и вогнутую. В лабораториях с рассеянным светом используют вогнутое зеркало.
Электроосветитель устанавливается под конденсором в гнездо подставки.
Конденсор состоит из 2-3 линз, вставленных в металлический цилиндр. При подъеме или опускании его с помощью специального винта соответственно конденсируется или рассеивается свет, падающий от зеркала на объект.
Ирисовая диафрагма расположена между зеркалом и конденсором. Она служит для изменения диаметра светового потока, направляемого зеркалом через конденсор на объект, в соответствии с диаметром фронтальной линзы объектива и состоит из тонких металлических пластинок. С помощью рычажка их можно то соединить, полностью закрывая нижнюю линзу конденсора, то развести, увеличивая поток света.
Кольцо с матовым стеклом илисветофильтром уменьшает освещенность объекта. Оно расположено под диафрагмой и передвигается в горизонтальной плоскости.
Механическая система микроскопа состоит из подставки, коробки с микрометренным механизмом и микрометренным винтом, тубуса, тубусодержателя, винта грубой наводки, кронштейна конденсора, винта перемещения конденсора, револьвера, предметного столика.
Подставка - это основание микроскопа.
Коробка с микрометренным механизмом , построенном на принципе взаимодействующих шестерен, прикреплена к подставке неподвижно. Микрометренный винт служит для незначительного перемещения тубусодержателя, а, следовательно, и объектива на расстояния, измеряемые микрометрами. Полный оборот микрометренного винта передвигает тубусодержатель на 100 мкм, а поворот на одно деление опускает или поднимает тубусодержатель на 2 мкм. Во избежание порчи микрометренного механизма разрешается крутить микрометренный винт в одну сторонуне более чем на половину оборота .
Тубус илитрубка - цилиндр, в который сверху вставляют окуляры. Тубус подвижно соединен с головкой тубусодержателя, его фиксируют стопорным винтом в определенном положении. Ослабив стопорный винт, тубус можно снять.
Револьвер предназначен для быстрой смены объективов, которые ввинчиваются в его гнезда. Центрированное положение объектива обеспечивает защелка, расположенная внутри револьвера.
Винт грубой наводки используют для значительного перемещения тубусодержателя, а, следовательно, и объектива с целью фокусировки объекта при малом увеличении.
Предметный столик предназначен для расположения на нем препарата. В середине столика имеется круглое отверстие, в которое входит фронтальная линза конденсора. На столике имеются две пружинистые клеммы - зажимы, закрепляющие препарат.
Кронштейн конденсора подвижно присоединен к коробке микрометренного механизма. Его можно поднять или опустить при помощи винта, вращающего зубчатое колесо, входящее в пазы рейки с гребенчатой нарезкой.
Микроскоп (от греч. mikros - малый и skopeo - рассматриваю) - это оптический прибор, предназначенный для зрительного исследования мелких объектов, невидимых невооруженным глазом. В микробиологии применяют самые разнообразные микроскопы, имеющие различную конструкцию и приспособления, но схожие между собою в своих основных элементах.
Рис. 33. Устройство микроскопа
1 - штатив; 2 - тубус; 3 - головка; 4 - предметный столик; 5 - макровинт; 6 - микровинт;
7 - конденсор; 8 - осветительное устройство; 9 - объектив; 10 - окуляр.
Микроскоп состоит из двух основных частей: механической и оптической (рис. 33). Механическая часть микроскопа включает штатив (1), который состоит из массивного основания и тубусодержателя.
В верхней части тубусодержателя крепится монокулярный или бинокулярный тубус (2) и головка с направляющей типа «ласточкин хвост» (3). На эту направляющую помещают револьвер. Револьвер имеет четыре отверстия с резьбой для ввинчивания объективов и фиксатор для их центрирования. Сферическая часть револьвера вращается на шариках (для быстрой смены объектива) и оснащена шариковым фиксатором.
В средней части тубусодержателя расположен предметный столик (4), который имеет клеммы для фиксирования предметного стекла и боковые винты для продольного и поперечного перемещения. Это значительно облегчает работу с препаратом и позволяет рассматривать объект в различных его точках. В центре предметного столика имеется отверстие для прохождения света. Некоторые исследовательские микроскопы снабжены дополнительными микровинами для микроперемещения объекта.
Тубусодержатель в нижней части несет направляющую с большими ручками (5) грубой фокусировки микроскопа (макрометрический винт или кремальера) и малыми ручками (6) или диском для точной фокусировки микроскопа (микрометрический винт). Вращая кремальеру, производят грубое, видимое глазом, вертикальное перемещение предметного столика или тубуса. С помощью микрометрического винта перемещают предметный столик или тубус вверх - вниз на очень незначительное расстояние, заметное лишь при микроскопировании. Один оборот микрометрического винта дает перемещение на 0,1 мм. Этого достаточно для точной фокусировки объекта. Во избежание поломки микрометрического винта не следует делать им более 1-1,5 оборота.
Оптическая часть микроскопа включает осветительную систему и систему линз.
Осветительная система расположена под предметным столиком и состоит из конденсора (7) и осветительного устройства (8). Конденсор является важнейшей частью микроскопа, от которой зависит успех микробиологических исследований. Он предназначен для собирания рассеянных световых лучей, которые, проходя через линзы конденсора, собираются в фокусе на плоскости рассматриваемого препарата.
Конденсор фиксируется кольцом в оправе, расположенной на кронштейне, и удерживается небольшим болтом. Кроме того, имеется специальный боковой винт, позволяющий передвигать конденсор вверх - вниз на 20 мм для изменения освещенности поля зрения. В нижней части конденсора имеется ирисовая диафрагма. Отверстие диафрагмы регулируется специальным рычагом, что дает возможность изменять яркость освещения объекта. В нижней части конденсора располагается подвижная рамка (оправа), в которую помещают светофильтры из матового или синего стекла. Светофильтры служат для ослабления степени освещенности и улучшения четкости изображения.
Световые лучи направляются в конденсор с помощью зеркала или специального электрического осветительного устройства, которое у различных микроскопов имеет свои конструкционные особенности.
Важнейшей частью микроскопа является также система линз, которая создает увеличенное обратное и мнимое изображение объекта. Она состоит из объектива (9), расположенного в нижней части тубуса и направленного на исследуемый объект, и окуляра (10), помещенного в верхней части тубуса.
Объектив представляет собой металлический цилиндр, в котором закреплены линзы. Главная (фронтальная) линза направлена к препарату. Лишь она обеспечивает необходимое увеличение изображаемого объекта, все остальные коррегируют изображение и называются коррекционными. От фронтальной линзы зависит разрешающая способность микроскопа, т.е. наименьшее расстояние, при котором две близко расположенные точки различают отдельно. В современных оптических микроскопах разрешающая способность объективов составляет 0,2 мкм. Чем больше кривизна фронтальной линзы, тем больше степень ее увеличения.
Однако фронтальная линза вызывает и отрицательные, мешающие исследованию, явления, основными из которых является сферическая абберация и хроматическая абберация.
Сферическая абберация связана с тем, что боковые лучи, падающие на края фронтальной линзы, преломляются сильнее остальных и делают изображение объекта расплывчатым, нечетким. Поэтому каждая точка объекта имеет вид кружочка. Для исправления недостатков фронтальной линзы в объективах - ахроматах имеется система коррекционных линз (от 3-4 до 10-12).
Являясь наиболее простыми, ахроматы страдают хроматической абберацией. Хроматическая абберация обусловлена разложением луча белого света, проходящего через фронтальную линзу, на составные части спектра. Изображение объекта получается как бы окруженное радугой. Наиболее сильно стеклянные линзы преломляют сине-фиолетовые лучи и меньше всего - красные.
Устранение сферической и хроматической абберации наиболее полно достигается при использовании апохроматов. Они состоят из совокупности линз, имеющих различную кривизну и изготовленных из разных сортов стекла. Это создает условия обеспечения четкости изображения и для более правильной передачи окраски цветных объектов.
В первое время использовались ахроматы, которые позволяли устранять хроматическую абберацию в отношении двух наиболее ярких цветов спектра. Поэтому изображение объекта было лишено окраски. В дальнейшем были получены особые сорта стекла, линзы из которых устраняли не только окрашивание объекта., но и давали четкое изображение от лучей разного цвета. Такие объективы получили название апохроматы.
Панахроматы имеют еще более сложную конструкцию и позволяют создавать более четкие контуры объектов во всем поле зрения
Для выбора объективов на их корпусе гравируют обозначения: ахр. - ахромат, апо. - апохромат; пан. - панхромат
Различают объективы сухие и иммерсионные. При использовании сухого объектива между его фронтальной линзой и рассматриваемым объектом находится прослойка воздуха. Световые лучи из воздуха проходят через стекло препарата, затем снова через воздушную прослойку, в результате чего преломляются и рассеиваются на границе разнородных сред. После таких переходов через разнородные среды только часть световых лучей проникает в объектив. Чтобы уловить максимальное количество световых лучей, фронтальная линза объективов должна иметь сравнительно большой диаметр, большое фокусное расстояние и малую кривизну. Поэтому сухие объективы имеют небольшую степень увеличения (8 х, 10 х, 20 х, 40 х).
Для достижения большего увеличения необходимо создать однородную оптическую среду между фронтальной линзой объектива и препаратом. Это становится возможным при погружении объектива в каплю кедрового масла, которую наносят на препарат. Кедровое масло обладает коэффициентом преломления n = 1,515, близким к коэффициенту преломления стекла препарата (п = 1,52). Поэтому световые лучи, проходящие через иммерсионное масло, не рассеиваются и, не меняя своего направления, попадают в объектив, обеспечивая четкую видимость исследуемого объекта. При отсутствии кедрового масла используют заменители: персиковое масло (n = 1,49); касторовое масло (1,48-1,49); гвоздичное масло (1,53); иммерсиол, в состав которого входят персиковое масло (50 г), канифоль{10 г), нафталин (10 г), салол (1 г); смесь равных объемов касторового (n = 1,47) и укропного (n - 1,52) масел.
Объективы масляной иммерсии имеют маркировку «МИ» черную полосу на цилиндре и утопающую фронтальную линзу, что предохраняет ее от повреждения в случае неосторожного соприкосновения объектива с препаратом. Степень увеличения изображения у масляных иммерсионных объективов может быть 80 х,90 х,95 х,100 х и120 х.
Объективы водной иммерсии имеют степень увеличения изображения 40Х. Они маркируются буквами «ВИ» и белой полосой на цилиндре. Такие объективы очень чувствительны к изменению толщины покровного стекла, так как коэффициент преломления воды отличается от коэффициента преломления стекла. Наилучшее качество изображения наблюдается при использовании покровных стекол толщиной 0,17 мм.
Большинство микроскопов снабжено тремя типами объективов (10 х, 20 х, 40 х и 90 х), обеспечивающих соответственно малое, среднее и большое увеличение. Наименьшая кратность увеличения объектива - 8 х. При длительной обработке объектива ацетоном или бензином с целью удаления иммерсионного масла, клей, соединяющий линзы, разрушается. Это приводит в негодность оптическую систему объектива.
Окуляр находится в верхней части тубуса и увеличивает изображение, данное объективом. Он состоит из двух плоско-выгнутых линз: верхней линзы (глазной) и нижней, обращенной к объекту, собирающей линзы. Глаз исследователя, как бы продолжая оптическую систему микроскопа, преломляет лучи, вышедшие из окуляра и строит увеличенное изображение объекта на сетчатке.
Обе линзы заключены в металлическую оправу. На оправе окуляров гравируется цифра, показывающая, во сколько раз окуляр повышает увеличение объектива. В монокулярном микроскопе используют один объектив, а в бинокулярном микроскопе - два. Соответственно, изображение объекта получается плоским или стереоскопическим. Бинокулярный тубус можно настроить на любые межзрачковые расстояния в диапазоне от 55 до 75 см.
Кратность увеличения окуляра обозначена на металлической оправе глазной линзы (7 х, 10 х или 15 х). Общее увеличение микроскопа равно произведению коэффициента увеличения объектива и коэффициента увеличения окуляра. Таким образом, наименьшее увеличение биологических микроскопов – 56 раз (8 - увеличение объектива, умноженное на 7 – увеличение окуляра), а наибольшее - 1800 (120х15).
Однако увеличенное изображение объекта может четким и нечетким. Четкость изображения определяется разрешающей способностью микроскопа (полезным увеличением) т.е. минимальным расстоянием между двумя точками, когда они еще не сливаются в одну. Чем больше разрешающая способность микроскопа, тем меньший объект можно увидеть.
Показатель разрешающей способности микроскопа зависит от длины волны используемого света и суммы числовых апертур объектива и конденсора:
где α - минимальное расстояние между двумя точками;
А 1 - числовая апертура объектива;
А 2 - числовая апертура конденсора;
λ - длина волны используемого света.
Числовые апертуры объектива и конденсора указаны на их корпусе. Повысить разрешающую способность микроскопа можно, используя ультрафиолетовое облучение. Однако ультрафиолетовые микроскопы очень дорогие, что затрудняет их использование. Чаще всего для повышения разрешающей способности микроскопа применяют иммерсионную систему.