تطبيق مفهوم الميكروسكوب الحديث في مراقبة العالم المجهري
منذ العصور القديمة وحتى الوقت الحاضر ، كان البشر يسعون وراء حقائق أعلى وأبعد. من رحلات المحيط إلى استكشاف الفضاء ، كان الناس يقهرون أهدافًا كبرى واحدة تلو الأخرى. ومع ذلك ، فإن العالم المجهري الذي يراه الناس بالعين المجردة ليس العالم كله ، ولا تستطيع العين البشرية رؤيته بوضوح. كما أنه يجذب عددًا لا يحصى من الأشخاص للاستكشاف والمتابعة.
بغض النظر عن الأشياء العيانية أو المجهرية ، تستند ملاحظاتنا إلى سمات الفضاء ثلاثي الأبعاد ، أي XYZ ثلاثي الأبعاد ، وتحتاج ملاحظة التغيرات في شكل الأشياء إلى إدخال عامل قياس آخر - الوقت T ، وبالتالي فإن يجب أن تكون الطريقة الأكثر اكتمالا لمراقبة الأشياء هي التسجيل المتزامن لـ XYZT ، أي التصوير طويل المدى للشكل بالإضافة إلى الوقت ، هو أيضًا الوظيفة النهائية للمجهر.
بعد أكثر من 300 عام من التطوير ، اقترحت المجاهر الحديثة مفاهيم مثل الدقة وعمق المجال ومجال الرؤية ، واقترحت الحلول باستمرار. لقد لبّت المجاهر في البداية احتياجاتنا لمراقبة العالم المجهري وساعدتنا في تسجيل المكان والزمان للعالم المجهري.
أهم شيء في مراقبة العالم المجهري هو دقة التفاصيل ، ومن هنا نشأ مفهوم القرار. يشير القرار إلى الحد الأدنى للمسافة بين نقطتين يمكن تمييزهما بالعين البشرية ، وهو صالح فقط في البعد XY. وفقًا لمعيار Rayleigh ، معيار Rayleigh ، فإن الحد الذي يمكن أن يميزه الأشخاص العاديون هو نقطتان مقاسهما 0. 2 مم على مسافة 25 سم. عندما نستخدم مجهرًا ، يمكننا رؤية نقطتين على مسافة أصغر ، مما يحسن دقة ملاحظتنا. مع التعميق المستمر للبحث الحديث ، تتزايد أيضًا متطلبات الأشخاص للقرار باستمرار ، ويعمل العلماء أيضًا باستمرار على تحسين دقة المجاهر. على سبيل المثال ، زادت المجاهر الإلكترونية الدقة إلى مستوى النانومتر ، مما يتيح مراقبة الفيروسات. تعمل تقنية التصوير المجهري الفائقة على تحسين دقة المجهر من 200 نانومتر إلى عشرات النانومتر ، مما يحقق مراقبة عضيات الخلية الحية.
يؤدي تحسين الدقة أيضًا إلى ظهور مشكلات جديدة ، أي تقليل مجال الرؤية وعمق المجال. عند استخدام طريقة الإضاءة المركزية العادية (طريقة الإضاءة الضوئية التي تجعل الضوء يمر عبر العينة بالتساوي) ، تكون مسافة دقة المجهر d =0. 61 λ / NA ، نطاق الطول الموجي للضوء المرئي هو { {2}} nm ، متوسط الطول الموجي 550nm ، والطول الموجي ثابت. لذلك ، فإن زيادة قيمة NA يمكن أن تحصل على قيمة D أصغر ، أي المسافة بين نقطتين يمكن تمييزها أصغر ، مما يسمح للأشخاص برؤية الأشياء الأصغر بوضوح.
قيمة NA هي الفتحة العددية ، التي تصف حجم زاوية العدسة المخروطية التي تستقبل الضوء ، NA=n * sin ، أي ناتج معامل الانكسار (n) للوسيط بين العدسة و الكائن المراد فحصه وجيب نصف زاوية الفتحة (2). ن هو مؤشر انكسار الضوء للوسط بين العدسة الشيئية والعينة. عندما يكون وسط فضاء جسم المجهر هو الهواء ، فإن معامل الانكسار n=1. يمكن أن يؤدي استخدام وسيط مع معامل انكسار أعلى من الهواء إلى زيادة قيمة NA بشكل ملحوظ. وسط الغمر في الماء هو ماء مقطر ، ومعامل الانكسار 1.33 ؛ الوسيط الهدف للغمر بالزيت هو زيت الأرز أو الزيوت الشفافة الأخرى ، ويكون معامل انكساره عمومًا حوالي 1.52 ، وهو قريب من معامل انكسار العدسة والزجاج المنزلق. لذلك ، فإن قيمة NA للعدسة الزيتية أعلى من قيمة العدسة الهوائية.
زاوية الفتحة ، والمعروفة أيضًا باسم "زاوية فم المرآة" ، هي الزاوية التي تتكون من نقطة الكائن على المحور البصري للعدسة والقطر الفعال للعدسة الأمامية للعدسة الشيئية. يمكن أن تؤدي زيادة زاوية الفم المرآة إلى زيادة قيمة الجيب ، والحد الأقصى الفعلي لها هو حوالي 72 درجة (قيمة الجيب 0. 95) ، مضروبة في معامل الانكسار لزيت الأرز 1.52 ، ويمكن الحصول على أن تبلغ قيمة NA القصوى حوالي 1.45 ، ويتم استبدالها في صيغة حساب الدقة ، ويمكن الحصول على أن حد دقة مستوى XY لمجهر تقليدي يبلغ حوالي 0. 2um.
تؤثر قيمة NA أيضًا بشكل مباشر على سطوع مجال رؤية المجهر (B). من الصيغة B∝NA2 / M2 يمكننا أن نستنتج أن السطوع يزداد مع زيادة الفتحة العددية (NA) أو انخفاض تكبير العدسة الموضوعية (M).
نظريًا ، يجب أن نتبع أعلى قيمة ممكنة NA للحصول على دقة أفضل لمستوى XY وسطوع مجال الرؤية. ومع ذلك ، كل شيء له جانبان. سيؤدي تحسين دقة مستوى XY إلى تقليل عمق المحور Z للمجال ومجال الرؤية.
تنظر المجاهر بشكل عام إلى المنظر رأسيًا لأسفل. عندما يمكن رؤية الموضع المحدب والموضع المقعر على سطح الكائن الملاحظ داخل قطر مجال الرؤية بوضوح ، فإن فرق الارتفاع بين النقطة المحدبة والنقطة المقعرة هو عمق المجال. حسنًا ، بالنسبة إلى المجاهر ، كلما زاد عمق المجال ، كان ذلك أفضل. كلما زاد عمق المجال ، يمكن الحصول على صور ذات وضوح أفضل وأكثر وضوحًا عند مراقبة سطح الكائنات غير المستوية. يساعدنا العمق الكبير للمجال على مراقبة العالم المجهري في الاتجاه الرأسي. أي معلومات المحور Z في الشكل ثلاثي الأبعاد XYZ.
عمق المجال هو عمق المساحة الأمامية والخلفية المقابلة للصورة الواضحة على مستوى الصورة: dtot=(λ * n) / NA plus n / (M ∗ NA) * e، dtot: عمق المجال ، NA: فتحة عددية ، M: التكبير الكلي ، λ: الطول الموجي للضوء ، (عادةً λ =0. 55um) ، n: معامل الانكسار للوسط بين العينة والعدسة الموضوعية (الهواء: n {{3 }} ، نفط: n =1. 52) وفقًا لهذه الصيغة ، يمكننا أن نعرف أن عمق المجال للمحور Z يتناسب عكسيًا مع قيمة NA للمستوى XY.
بالإضافة إلى عمق المجال ، يتأثر مجال الرؤية أيضًا بقيمة NA. النطاق المكاني الذي يمكن رؤيته عندما تنظر الأداة بشكل ثابت إلى نقطة ما هو مجال الرؤية. يرتبط حسابه ارتباطًا مباشرًا بتكبير العدسة الشيئية. القطر الفعلي لمجال الرؤية المرئي من خلال الملاحظة يساوي قطر مجال الرؤية مقسومًا على تكبير العدسة الموضوعية ، ستشير العدسة إلى مجال الرؤية المقابل ، مثل 10/18 ، أي التكبير 10 مرات ، وقطر مجال الرؤية 18 ملم. لذلك ، عندما يتم تحديد العدسة ، كلما كان التكبير أكبر ، كان مجال الرؤية المرصود أصغر.
دقة المستوى XY هي تحليل التفاصيل المحلية ، ويحدد مجال الرؤية نطاق الملاحظة الخاص بنا للعينة. كلما كان مجال الرؤية أكبر ، كان ذلك أفضل ، ولكنه محدود بالتكنولوجيا الحالية ، يجب أن نستخدم عدسات موضوعية عالية الطاقة للحصول على قيم NA جيدة ، وبالتالي ، فإن المجال البصري وقيم NA لها ارتباط سلبي غير مباشر.
