Da quali valori dipende la risoluzione di un microscopio? Risoluzione e ingrandimento del microscopio. Sistema ottico del microscopio
La risoluzione dell'occhio è limitata. Risoluzione caratterizzato distanza risolta, cioè. la distanza minima tra due particelle vicine alla quale sono ancora visibili separatamente. La distanza risolta ad occhio nudo è di circa 0,2 mm. Un microscopio viene utilizzato per aumentare la risoluzione. Per studiare la struttura dei metalli, il microscopio fu utilizzato per la prima volta nel 1831 da P.P. Anosov, che studiò l'acciaio damascato, e successivamente, nel 1863, dall'inglese G. Sorby, che studiò il ferro meteoritico.
La distanza consentita è determinata dalla relazione:
Dove l- lunghezza d'onda della luce proveniente dall'oggetto di studio all'obiettivo, N– indice di rifrazione del mezzo situato tra l'oggetto e la lente, e UN- apertura angolare pari alla metà dell'angolo di apertura del fascio di raggi entranti nella lente che produce l'immagine. Questa importante caratteristica della lente è incisa sulla montatura della lente.
I buoni obiettivi hanno un angolo di apertura massimo a = 70° e sina » 0,94. La maggior parte degli studi utilizza obiettivi asciutti operanti in aria (n = 1). Per ridurre la distanza risolta vengono utilizzate lenti ad immersione. Lo spazio tra l'oggetto e la lente è riempito con un liquido trasparente (immersione) ad alto indice di rifrazione. Tipicamente viene utilizzata una goccia di olio di cedro (n = 1,51).
Se prendiamo l = 0,55 µm per la luce bianca visibile, la distanza di risoluzione minima di un microscopio ottico è:
Pertanto, il potere risolutivo di un microscopio ottico è limitato dalla lunghezza d'onda della luce. La lente ingrandisce l'immagine intermedia dell'oggetto, che viene vista attraverso l'oculare, come attraverso una lente d'ingrandimento. L'oculare ingrandisce l'immagine intermedia dell'oggetto e non può aumentare la risoluzione del microscopio.
L'ingrandimento totale del microscopio è uguale al prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'oculare. I microscopi metallografici vengono utilizzati per studiare la struttura dei metalli con ingrandimenti da 20 a 2000 volte.
I principianti commettono un errore comune cercando di visualizzare immediatamente la struttura ad alto ingrandimento. Va tenuto presente che maggiore è l'ingrandimento di un oggetto, minore è l'area visibile nel campo visivo del microscopio. Pertanto, si consiglia di iniziare lo studio utilizzando una lente debole per valutare innanzitutto la natura generale della struttura metallica su una vasta area. Se si avvia la microanalisi utilizzando una lente potente, è possibile che molte caratteristiche importanti della struttura metallica non vengano notate.
Dopo una visione generale della struttura a basso ingrandimento del microscopio, viene selezionata una lente con tale risoluzione per vedere tutti i più piccoli dettagli necessari della struttura.
L'oculare è scelto in modo che i dettagli della struttura, ingranditi dalla lente, siano chiaramente visibili. Se l'ingrandimento dell'oculare non è sufficiente, i dettagli fini dell'immagine intermedia creata dall'obiettivo non verranno visti al microscopio e quindi non verrà utilizzata l'intera risoluzione dell'obiettivo. Se l'ingrandimento dell'oculare è troppo elevato, i nuovi dettagli strutturali non verranno rivelati, allo stesso tempo i contorni dei dettagli già identificati saranno sfocati e il campo visivo si restringerà. Sulla cornice è inciso l'ingrandimento dell'oculare (ad esempio 7 x).
Un microscopio è progettato per osservare piccoli oggetti con un ingrandimento e una risoluzione maggiori rispetto a quelli forniti da una lente d'ingrandimento. Il sistema ottico di un microscopio è composto da due parti: una lente e un oculare. La lente del microscopio forma una vera immagine ingrandita inversa dell'oggetto nel piano focale anteriore dell'oculare. L'oculare agisce come una lente d'ingrandimento e forma un'immagine virtuale alla migliore distanza di visione. Rispetto all'intero microscopio, l'oggetto in questione si trova nel piano focale anteriore.
Ingrandimento del microscopio
L'azione di una microlente è caratterizzata dal suo ingrandimento lineare: V ob = -Δ/F\" ob * F\" ob - lunghezza focale della microlente * Δ - distanza tra il fuoco posteriore della lente e il fuoco anteriore della oculare, chiamato intervallo ottico o lunghezza ottica del tubo.
L'immagine creata dall'obiettivo del microscopio sul piano focale anteriore dell'oculare viene vista attraverso l'oculare, che funge da lente d'ingrandimento con ingrandimento visibile:
G ok =¼ F ok
L'ingrandimento complessivo di un microscopio è determinato come il prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'ingrandimento dell'oculare: G=V circa *G circa
Se è nota la lunghezza focale dell'intero microscopio, il suo ingrandimento apparente può essere determinato come per una lente d'ingrandimento:
Di norma, l'ingrandimento delle lenti dei moderni microscopi è standardizzato e ammonta a una serie di numeri: 10, 20, 40, 60, 90, 100 volte. Anche gli ingrandimenti dell'oculare hanno valori ben precisi, ad esempio 10, 20, 30 volte. Tutti i microscopi moderni sono dotati di una serie di obiettivi e oculari appositamente progettati e realizzati per adattarsi insieme in modo da poter essere combinati per ottenere diversi ingrandimenti.
Campo visivo del microscopio
Il campo visivo del microscopio dipende dal campo angolare dell'oculare ω , all'interno della quale si ottiene un'immagine di discreta qualità: 2y=500*tg(ω)/G * G - ingrandimento al microscopio
Per un dato campo angolare dell'oculare, il campo lineare del microscopio nello spazio dell'oggetto è tanto minore quanto maggiore è il suo ingrandimento apparente.
Diametro della pupilla di uscita del microscopio
Il diametro della pupilla di uscita di un microscopio si calcola come segue:
dove A è l'apertura frontale del microscopio.
Il diametro della pupilla di uscita di un microscopio è solitamente leggermente inferiore al diametro della pupilla dell'occhio (0,5 - 1 mm).
Quando si osserva al microscopio, la pupilla dell'occhio deve essere allineata con la pupilla di uscita del microscopio.
Risoluzione del microscopio
Una delle caratteristiche più importanti di un microscopio è la sua risoluzione. Secondo la teoria della diffrazione di Abbe, il limite di risoluzione lineare di un microscopio, ovvero la distanza minima tra i punti di un oggetto visualizzati come separati, dipende dalla lunghezza d'onda e dall'apertura numerica del microscopio:
La massima risoluzione ottenibile da un microscopio ottico può essere calcolata in base all'espressione dell'apertura del microscopio. Se teniamo conto che il valore massimo possibile del seno dell'angolo è l'unità, allora per la lunghezza d'onda media possiamo calcolare la risoluzione del microscopio: 
Esistono due modi per aumentare la risoluzione di un microscopio: * Aumentando l'apertura dell'obiettivo, * Diminuendo la lunghezza d'onda della luce.
Immersione
Per aumentare l'apertura della lente, lo spazio tra l'oggetto in questione e la lente viene riempito con il cosiddetto liquido di immersione, una sostanza trasparente con un indice di rifrazione maggiore di uno. Come liquido vengono utilizzati acqua, olio di cedro, soluzione di glicerina e altre sostanze. Le aperture degli obiettivi ad immersione ad alto ingrandimento raggiungono il valore , quindi sarà la massima risoluzione ottenibile da un microscopio ottico ad immersione. 
Applicazione dei raggi ultravioletti
Per aumentare la risoluzione del microscopio, il secondo metodo utilizza i raggi ultravioletti, la cui lunghezza d'onda è inferiore a quella dei raggi visibili. In questo caso è necessario utilizzare ottiche speciali trasparenti alla luce ultravioletta. Poiché l'occhio umano non percepisce la radiazione ultravioletta, è necessario ricorrere a mezzi che convertano l'immagine ultravioletta invisibile in visibile, oppure fotografare l'immagine nei raggi ultravioletti. Alla lunghezza d'onda, la risoluzione del microscopio sarà.
Oltre alla maggiore risoluzione, il metodo di osservazione con luce ultravioletta presenta altri vantaggi. Tipicamente, gli oggetti viventi sono trasparenti nella regione visibile dello spettro e quindi sono precolorati prima dell'osservazione. Ma alcuni oggetti (acidi nucleici, proteine) hanno un assorbimento selettivo nella regione ultravioletta dello spettro, grazie alla quale possono essere “visibili” alla luce ultravioletta senza macchiarsi.
Qualità dell'immagine determinato risoluzione del microscopio, cioè. la distanza minima alla quale l'ottica di un microscopio può distinguere separatamente due punti ravvicinati. la risoluzione dipende dall'apertura numerica dell'obiettivo, del condensatore e dalla lunghezza d'onda della luce con cui viene illuminato il campione. L'apertura numerica (apertura) dipende dall'apertura angolare e dall'indice di rifrazione del mezzo situato tra la lente anteriore dell'obiettivo e del condensatore e il campione.
Apertura angolare dell'obiettivo- questo è l'angolo massimo (AOB) al quale i raggi che attraversano il preparato possono entrare nella lente. Apertura numerica dell'obiettivo pari al prodotto del seno di metà dell'apertura angolare e dell'indice di rifrazione del mezzo situato tra il vetrino e la lente anteriore dell'obiettivo. N / A. = n sinα dove, N.A. - apertura numerica; n è l'indice di rifrazione del mezzo tra il campione e la lente; sinα è il seno dell'angolo α pari alla metà dell'angolo AOB nel diagramma.
Pertanto, l'apertura dei sistemi a secco (tra la lente dell'obiettivo anteriore e il trattamento dell'aria) non può essere superiore a 1 (di solito non superiore a 0,95). Il mezzo posto tra il campione e l'obiettivo è chiamato liquido di immersione o immersione, mentre un obiettivo progettato per funzionare con il liquido di immersione è chiamato immersione. Grazie all'immersione con indice di rifrazione più elevato dell'aria è possibile aumentare l'apertura numerica dell'obiettivo e, quindi, la risoluzione.
L'apertura numerica delle lenti è sempre incisa sulla montatura.
La risoluzione del microscopio dipende anche dall'apertura del condensatore. Se consideriamo l'apertura del condensatore uguale all'apertura dell'obiettivo, allora la formula di risoluzione ha la forma R=λ/2NA, dove R è il limite di risoluzione; λ - lunghezza d'onda; N.A - apertura numerica. Da questa formula è chiaro che se osservato in luce visibile (parte verde dello spettro - λ = 550 nm), la risoluzione (limite di risoluzione) non può essere > 0,2 µm
L'influenza dell'apertura numerica dell'obiettivo del microscopio sulla qualità dell'immagine
Modi per aumentare la risoluzione ottica
Selezione di un ampio angolo del cono di luce, sia dal lato della lente che dal lato della sorgente luminosa. Grazie a ciò è possibile raccogliere più raggi di luce rifratti da strutture molto sottili nella lente. Pertanto, il primo modo per aumentare la risoluzione è utilizzare un condensatore la cui apertura numerica corrisponda all'apertura numerica dell'obiettivo.
Il secondo metodo consiste nell'utilizzare un liquido di immersione tra la lente dell'obiettivo anteriore e il vetro di copertura. In questo modo influenziamo l'indice di rifrazione del mezzo n, descritto nella prima formula. Il suo valore ottimale consigliato per i liquidi in immersione è 1,51.
Liquidi per immersione
Liquidi per immersione sono necessari per aumentare l'apertura numerica e, di conseguenza, aumentare la risoluzione degli obiettivi ad immersione, appositamente progettati per funzionare con questi liquidi e, di conseguenza, contrassegnati. I liquidi di immersione posti tra l'obiettivo e il campione hanno un indice di rifrazione più elevato dell'aria. Pertanto, i raggi luminosi deviati dai più piccoli dettagli dell'oggetto non vengono dispersi quando lasciano il preparato ed entrano nell'obiettivo, il che porta ad un aumento della risoluzione.
Sono disponibili lenti per immersione in acqua (contrassegnate con un anello bianco), lenti per immersione in olio (anello nero), lenti per immersione in glicerina (anello giallo) e lenti per immersione in monobromonaftalene (anello rosso). Nella microscopia ottica di preparati biologici vengono utilizzati obiettivi ad immersione in acqua e olio. Speciali obiettivi ad immersione in glicerolo di quarzo trasmettono radiazioni ultraviolette a onde corte e sono progettati per la microscopia ultravioletta (da non confondere con quella fluorescente) (cioè per studiare oggetti biologici che assorbono selettivamente i raggi ultravioletti). Gli obiettivi ad immersione in naftalene monobromurato non vengono utilizzati nella microscopia di oggetti biologici.
L'acqua distillata viene utilizzata come liquido di immersione per una lente ad immersione in acqua e l'olio naturale (cedro) o sintetico con un determinato indice di rifrazione viene utilizzato come liquido di immersione per una lente ad immersione in olio.
A differenza di altri liquidi da immersione immersione in olioè omogeneo perché ha un indice di rifrazione pari o molto vicino all'indice di rifrazione del vetro. Tipicamente questo indice di rifrazione (n) viene calcolato per una specifica linea spettrale e una specifica temperatura ed è indicato sulla bottiglia dell'olio. Ad esempio, l'indice di rifrazione dell'olio da immersione per lavorare con un vetro di copertura per la linea spettrale D nello spettro del sodio a una temperatura = 20°C è 1,515 (nD 20 = 1,515), per lavorare senza vetro di copertura (nD 20 = 1,520 ).
Per lavorare con lenti apocromatiche viene normalizzata anche la dispersione, cioè la differenza negli indici di rifrazione per le diverse linee dello spettro.
L'uso dell'olio da immersione sintetico è preferibile perché i suoi parametri sono standardizzati in modo più accurato e, a differenza dell'olio di cedro, non si secca sulla superficie della lente anteriore dell'obiettivo.
Considerato quanto sopra, in nessun caso si devono utilizzare surrogati dell'olio da immersione e, in particolare, dell'olio di vaselina. In alcuni metodi di microscopia, per aumentare l'apertura del condensatore, viene posto un liquido di immersione (solitamente acqua distillata) tra il condensatore e il campione.
Limite di risoluzione- questa è la distanza più piccola tra due punti di un oggetto alla quale questi punti sono distinguibili, cioè vengono percepiti al microscopio come due punti.
Risoluzioneè definita come la capacità di un microscopio di produrre immagini separate di piccoli dettagli dell'oggetto esaminato. È dato dalla formula:
dove A è l'apertura numerica, l è la lunghezza d'onda della luce; , dove n è l'indice di rifrazione del mezzo in cui si trova l'oggetto in questione, U è l'angolo di apertura.
Per studiare la struttura degli esseri viventi più piccoli sono necessari microscopi con elevato ingrandimento e buona risoluzione. Un microscopio ottico ha un ingrandimento limitato a 2000 volte e una risoluzione non superiore a 250 nm. Questi valori non sono adatti per studiare i dettagli fini delle celle.
118. Microscopio ultravioletto. Un modo per ridurre
Il limite della risoluzione del microscopio è l'uso della luce con una lunghezza d'onda più corta. A questo proposito, viene utilizzato un microscopio ultravioletto, in cui i microoggetti vengono esaminati ai raggi ultravioletti. Poiché l'occhio non percepisce direttamente questa radiazione, vengono utilizzate lastre fotografiche, schermi fluorescenti o convertitori elettro-ottici. Un altro modo per ridurre il limite di risoluzione di un microscopio è aumentare l'indice di rifrazione del mezzo in cui si trova il microscopio. Per fare ciò, viene inserito liquido di immersione, ad esempio, olio di cedro.
119. Microscopia luminescente (fluorescente). si basa sulla capacità di alcune sostanze di luminescere, cioè di brillare quando illuminate da luce ultravioletta o blu invisibile.
Il colore della luminescenza viene spostato su una parte dello spettro con lunghezze d'onda più lunghe rispetto alla luce che lo eccita (regola di Stokes). Quando la luminescenza è eccitata dalla luce blu, il suo colore può variare dal verde al rosso; se la luminescenza è eccitata dalla radiazione ultravioletta, allora la luminescenza può trovarsi in qualsiasi parte dello spettro visibile. Questa caratteristica della luminescenza consente, utilizzando filtri speciali che assorbono la luce eccitante, di osservare un bagliore luminescente relativamente debole.
Poiché la maggior parte dei microrganismi non possiede una propria luminescenza, vengono colorati con soluzioni di coloranti fluorescenti. Questo metodo viene utilizzato per l'esame batterioscopico degli agenti causali di alcune infezioni: tubercolosi (auromina), inclusioni nelle cellule formate da alcuni virus, ecc. Lo stesso metodo può essere utilizzato per lo studio citochimico di microrganismi vivi e fissi. Nella reazione di immunofluorescenza che utilizza anticorpi marcati con fluorocromi, vengono rilevati antigeni di microrganismi o anticorpi nel siero dei pazienti
120. Microscopia a contrasto di fase. Quando si esaminano al microscopio microrganismi non colorati che differiscono dall'ambiente solo per l'indice di rifrazione, non si verifica alcun cambiamento nell'intensità della luce (ampiezza), ma cambia solo la fase delle onde luminose trasmesse. Pertanto l'occhio non può notare questi cambiamenti e gli oggetti osservati appaiono poco contrastati e trasparenti. Per osservare tali oggetti utilizzare microscopia a contrasto di fase, basato sulla trasformazione dei cambiamenti di fase invisibili introdotti da un oggetto in cambiamenti di ampiezza visibili all'occhio.
Grazie all'uso di questo metodo di microscopia, il contrasto dei microrganismi vivi non colorati aumenta notevolmente e appaiono scuri su sfondo chiaro o chiari su sfondo scuro.
La microscopia a contrasto di fase viene utilizzata anche per studiare cellule in coltura tissutale, osservare gli effetti di vari virus sulle cellule, ecc.
121. Microscopia in campo oscuro. La microscopia in campo scuro si basa sulla capacità dei microrganismi di diffondere fortemente la luce. Per la microscopia in campo scuro vengono utilizzati obiettivi convenzionali e speciali condensatori per campo scuro.
La caratteristica principale dei condensatori a campo scuro è che la loro parte centrale è oscurata e i raggi diretti dell'illuminatore non entrano nella lente del microscopio. L'oggetto è illuminato da raggi laterali obliqui e solo i raggi diffusi dalle particelle presenti nel preparato entrano nella lente del microscopio. La microscopia in campo scuro si basa sull'effetto Tyndall, un famoso esempio del quale è il rilevamento di particelle di polvere nell'aria quando illuminata da uno stretto raggio di luce solare.
Con la microscopia a campo scuro, i microrganismi appaiono brillantemente luminosi su uno sfondo nero. Con questo metodo di microscopia è possibile rilevare i microrganismi più piccoli, le cui dimensioni vanno oltre la risoluzione del microscopio. Tuttavia, la microscopia a campo scuro consente di vedere solo i contorni di un oggetto, ma non consente di studiarne la struttura interna.
122. Radiazione termicaè il tipo di radiazione elettromagnetica più comune in natura. Si verifica a causa dell'energia del movimento termico degli atomi e delle molecole di una sostanza. La radiazione termica è inerente a tutti i corpi a qualsiasi temperatura diversa dallo zero assoluto.
Emissività totale del corpo E (chiamata anche luminosità energetica) è la quantità di energia emessa da un'unità di superficie di un corpo in 1 s. Misurato in J/m 2 s.
Capacità totale di assorbimento delle radiazioni da parte del corpo A (coefficiente di assorbimento) è il rapporto tra l'energia radiante assorbita da un corpo e tutta l'energia radiante incidente su di esso; A è una quantità adimensionale.
123. Corpo assolutamente nero. Un corpo immaginario che assorbe tutta l'energia radiante incidente su di esso a qualsiasi temperatura è chiamato assolutamente nero.
Legge di Kirchhoff. Per tutti i corpi a una data temperatura, il rapporto tra l'emissività E e la capacità di assorbimento della radiazione A è un valore costante pari all'emissività di un corpo assolutamente nero e alla stessa temperatura:
e.
Legge di Stefan-Boltzmann. L'emissività totale di un corpo nero è direttamente proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura assoluta:
e=sT 4 ,
dove s è la costante di Stefan-Boltzmann.
La legge del vino. La lunghezza d'onda corrispondente alla massima radiazione di un corpo nero è inversamente proporzionale alla sua temperatura assoluta:
lt×T = V,
dove v è la costante di Wien.
Basato sulla legge del vino pirometria ottica– un metodo per determinare la temperatura dei corpi caldi (metallo in un forno fusorio, gas nella nube di un'esplosione atomica, superficie delle stelle, ecc.) dal loro spettro di radiazioni. Fu questo metodo che per primo determinò la temperatura della superficie del Sole.
124 . Radiazione infrarossa. La radiazione elettromagnetica che occupa la regione spettrale compresa tra il limite rosso della luce visibile (λ = 0,76 μm) e la radiazione radio a onde corte (λ = 1 - 2 mm) è detta infrarossa (IR). I solidi e i liquidi riscaldati emettono uno spettro infrarosso continuo.
L'uso terapeutico della radiazione infrarossa si basa sul suo effetto termico. Per il trattamento vengono utilizzate lampade speciali.
La radiazione infrarossa penetra nel corpo fino a una profondità di circa 20 mm, quindi gli strati superficiali vengono riscaldati maggiormente. L'effetto terapeutico è dovuto al gradiente di temperatura che ne risulta, che attiva l'attività del sistema termoregolatore. L'aumento dell'afflusso di sangue alla zona irradiata porta a conseguenze terapeutiche favorevoli.
125. Radiazione ultravioletta. Radiazioni elettromagnetiche,
che occupa la regione spettrale tra il bordo viola della luce visibile (λ = 400 nm) e la parte ad onda lunga della radiazione a raggi X (λ = 10 nm) è chiamata ultravioletto (UV).
Emettono solidi riscaldati ad alte temperature
una quantità significativa di radiazioni ultraviolette. Tuttavia, il massimo
La densità spettrale della luminosità energetica, secondo la legge di Wien, è di 7000 K. In pratica ciò significa che in condizioni normali la radiazione termica dei corpi grigi non può fungere da efficace fonte di radiazione UV. La fonte più potente di radiazioni UV è il Sole, la cui radiazione al confine dell'atmosfera terrestre è pari al 9% di ultravioletti.
La radiazione UV è necessaria per il funzionamento dei microscopi UV, dei microscopi a fluorescenza e per l'analisi della fluorescenza. L'uso principale delle radiazioni UV in medicina è associato ai suoi effetti biologici specifici, causati da processi fotochimici.
126. Termografia– questa è la registrazione delle radiazioni provenienti da varie aree
superficie corporea ai fini dell’interpretazione diagnostica. La temperatura viene determinata in due modi. In un caso vengono utilizzati schermi a cristalli liquidi, le cui proprietà ottiche sono molto sensibili a piccole variazioni di temperatura.
Posizionando questi indicatori sul corpo del paziente, è possibile determinare visivamente la differenza di temperatura locale cambiandone il colore.
Un altro metodo è basato sull'utilizzo termocamere, che utilizzano rilevatori sensibili di radiazioni infrarosse, come i fotoresistori.
127. Basi fisiologiche della termografia. I processi fisiologici che si verificano nel corpo umano sono accompagnati dal rilascio di calore, che viene trasferito attraverso la circolazione del sangue e della linfa. La fonte di calore sono i processi biochimici che si verificano in un organismo vivente. Il calore generato viene trasportato dal sangue in tutto il corpo. Possedendo un'elevata capacità termica e conduttività termica, il sangue circolante è capace di un intenso scambio di calore tra le regioni centrali e periferiche del corpo. La temperatura del sangue che passa attraverso i vasi cutanei diminuisce di 2-3°.
La termografia si basa sul fenomeno di un aumento dell'intensità della radiazione infrarossa sui focolai patologici (a causa dell'aumento dell'afflusso di sangue e dei processi metabolici in essi) o di una diminuzione della sua intensità in aree con ridotto flusso sanguigno regionale e cambiamenti associati nei tessuti e negli organi . Ciò è solitamente espresso dalla comparsa di una "zona calda". Esistono due tipi principali di termografia: la teletermografia e la termografia colesterica a contatto.
128. Teletermografia si basa sulla conversione della radiazione infrarossa del corpo umano in un segnale elettrico, che viene visualizzato sullo schermo di una termocamera. Le fotoresistenze sensibili vengono utilizzate come dispositivi riceventi per la radiazione infrarossa nelle termocamere.
La termocamera funziona come segue. La radiazione infrarossa viene focalizzata da un sistema di lenti e poi colpisce un fotorilevatore, che funziona quando viene raffreddato a –196°C. Il segnale proveniente dal fotorilevatore viene amplificato e sottoposto ad elaborazione digitale con successiva trasmissione delle informazioni ricevute allo schermo di un monitor a colori.
129. Termografia a cristalli liquidi a contatto si basa sulle proprietà ottiche dei cristalli liquidi colesterici anisotropi, che si manifestano come un cambiamento di colore nei colori dell'arcobaleno quando applicati a superfici che emettono termicamente. Le zone più fredde sono rosse, le più calde sono blu.
La termografia con piastre di contatto a cristalli liquidi è attualmente ampiamente utilizzata con successo in vari campi della medicina, ma i metodi remoti per la registrazione della radiazione infrarossa del corpo umano hanno trovato un utilizzo molto maggiore.
130. Applicazioni cliniche della termografia. La diagnostica termografica non comporta alcun impatto esterno o disagio per il paziente e consente di “vedere” le anomalie del modello termico sulla superficie della pelle del paziente, caratteristiche di molte malattie e disturbi fisici.
La termografia, essendo un metodo diagnostico fisiologico, innocuo e non invasivo, trova il suo utilizzo nella medicina pratica per diagnosticare un'ampia gamma di patologie: malattie delle ghiandole mammarie, della colonna vertebrale, delle articolazioni, della tiroide, degli organi ORL, dei vasi sanguigni, del fegato, della bile vescica, intestino, stomaco, pancreas, reni, vescica, prostata. La termografia consente di registrare i cambiamenti all'inizio dello sviluppo del processo patologico, prima della comparsa di cambiamenti strutturali nei tessuti.
131. Modello Rutherford (planetario) dell'atomo. Secondo questo modello tutta la carica positiva e quasi tutta la massa (più del 99,94%) dell'atomo sono concentrate nel nucleo atomico, la cui dimensione è trascurabile (circa 10 -13 cm) rispetto alla dimensione dell'atomo (10-8 centimetri). Gli elettroni si muovono attorno al nucleo in orbite chiuse (ellittiche), formando il guscio elettronico dell'atomo. La carica del nucleo è uguale in valore assoluto alla carica totale degli elettroni.
Svantaggi del modello Rutherford.
a) nel modello di Rutherford l'atomo è instabile
l’istruzione, mentre l’esperienza indica il contrario;
b) secondo Rutherford lo spettro di radiazione di un atomo è continuo, mentre l'esperienza parla della natura discreta della radiazione.
132. Teoria quantistica della struttura dell'atomo secondo Bohr. Basandosi sull'idea della discretezza degli stati energetici dell'atomo, Bohr migliorò il modello atomico di Rutherford, creando una teoria quantistica della struttura dell'atomo. Si basa su tre postulati.
Gli elettroni in un atomo non possono muoversi su nessuna orbita, ma solo su orbite di un certo raggio. In queste orbite, dette stazionarie, il momento angolare dell'elettrone è determinato dall'espressione:
dove m è la massa dell'elettrone, v è la sua velocità, r è il raggio dell'orbita dell'elettrone, n è un numero intero chiamato quanto (n=1,2,3, ...).
Il movimento degli elettroni in orbite stazionarie non è accompagnato da radiazione (assorbimento) di energia.
Trasferimento di un elettrone da un'orbita stazionaria ad un'altra
accompagnato dall'emissione (o assorbimento) di un quanto di energia.
Il valore hn di questo quanto è uguale alla differenza di energia W 1 – W 2 degli stati stazionari dell'atomo prima e dopo la radiazione (assorbimento):
hn=L 1 – L 2.
Questa relazione è chiamata condizione di frequenza.
133. Tipi di spettri. Esistono tre tipi principali di spettri: solido, rigato e striato.
Spettri di linea
atomi. L'emissione è causata dalla transizione degli elettroni legati a livelli energetici più bassi.
Spettri a strisce vengono emessi dagli individui eccitati
molecole. La radiazione è causata sia dalle transizioni elettroniche negli atomi che dai movimenti vibrazionali degli atomi stessi nella molecola.
Spettri continui emessi da insiemi di molti ioni molecolari e atomici che interagiscono tra loro.
Il ruolo principale nella radiazione è giocato dal movimento caotico di queste particelle, causato dall'alta temperatura.
134. Concetto di analisi spettrale. Ogni elemento chimico
emette (e assorbe) luce con lunghezze d'onda molto specifiche uniche per questo elemento. Gli spettri lineari degli elementi si ottengono fotografando in spettrografi in cui la luce viene scomposta utilizzando un reticolo di diffrazione. Lo spettro lineare di un elemento è una sorta di "impronta digitale" che consente di identificare con precisione questo elemento in base alle lunghezze d'onda della luce emessa (o assorbita). Gli studi spettrografici sono una delle tecniche di analisi chimica più potenti a nostra disposizione.
Analisi spettrale qualitativa– si tratta di un confronto degli spettri ottenuti con quelli tabulati per determinare la composizione della sostanza.
Analisi spettrale quantitativa effettuata mediante fotometria (che determina l'intensità) delle righe spettrali: la luminosità delle righe è proporzionale alla quantità di un dato elemento.
Calibrazione dello spettroscopio. Per poter utilizzare uno spettroscopio per determinare le lunghezze d'onda dello spettro in studio, lo spettroscopio deve essere calibrato, cioè stabilire la relazione tra le lunghezze d'onda delle linee spettrali e le divisioni della scala dello spettroscopio in cui sono visibili.
135. Principali caratteristiche e ambiti di applicazione dell'analisi spettrale. Utilizzando l'analisi spettrale, è possibile determinare sia la composizione atomica che molecolare di una sostanza. L'analisi spettrale consente la scoperta qualitativa dei singoli componenti del campione analizzato e la determinazione quantitativa della loro concentrazione. Le sostanze con proprietà chimiche molto simili, che sono difficili o addirittura impossibili da analizzare con metodi chimici, possono essere facilmente determinate spettralmente.
Sensibilità l'analisi spettrale è solitamente molto elevata. L'analisi diretta raggiunge una sensibilità del 10 -3 - 10 -6%. Velocità L'analisi spettrale di solito supera significativamente la velocità di analisi eseguita con altri metodi.
136. Analisi spettrale in biologia. Il metodo spettroscopico per misurare l'attività ottica delle sostanze è ampiamente utilizzato per determinare la struttura degli oggetti biologici. Quando si studiano le molecole biologiche, vengono misurati i loro spettri di assorbimento e la fluorescenza. I coloranti che emettono fluorescenza sotto eccitazione laser vengono utilizzati per determinare l'indice di idrogeno e la forza ionica nelle cellule, nonché per studiare aree specifiche nelle proteine. Utilizzando lo scattering Raman risonante, viene analizzata la struttura delle cellule e viene determinata la conformazione delle proteine e delle molecole di DNA. La spettroscopia ha svolto un ruolo importante nello studio della fotosintesi e della biochimica della visione.
137. Analisi spettrale in medicina. Ci sono più di ottanta elementi chimici nel corpo umano. La loro interazione e influenza reciproca assicura i processi di crescita, sviluppo, digestione, respirazione, immunità, emopoiesi, memoria, fecondazione, ecc.
Per la diagnosi dei micro e macroelementi, nonché del loro squilibrio quantitativo, i capelli e le unghie sono il materiale più fertile. Ogni capello immagazzina informazioni integrali sul metabolismo minerale dell'intero organismo durante l'intero periodo della sua crescita. L'analisi spettrale fornisce informazioni complete sull'equilibrio minerale per un lungo periodo di tempo. Alcune sostanze tossiche possono essere rilevate solo utilizzando questo metodo. Per fare un confronto: i metodi convenzionali consentono di determinare il rapporto di meno di dieci microelementi al momento del test utilizzando un esame del sangue.
I risultati dell'analisi spettrale aiutano il medico nella diagnosi e nella ricerca della causa delle malattie, nell'identificazione delle malattie nascoste e nella predisposizione ad esse; consentire di prescrivere farmaci in modo più accurato e sviluppare schemi individuali per ripristinare l'equilibrio minerale.
È difficile sopravvalutare l’importanza dei metodi spettroscopici in farmacologia e tossicologia. In particolare, consentono di analizzare campioni di farmaci farmacologici durante la loro validazione, nonché di identificare farmaci contraffatti. In tossicologia, la spettroscopia ultravioletta e infrarossa ha permesso l'identificazione di molti alcaloidi dagli estratti di Stas.
138. Luminescenza Viene chiamata radiazione eccessiva di un corpo ad una data temperatura, avente una durata notevolmente superiore al periodo delle onde luminose emesse.
Fotoluminescenza. La luminescenza causata dai fotoni è chiamata fotoluminescenza.
Chemiluminescenza. La luminescenza che accompagna le reazioni chimiche è chiamata chemiluminescenza.
139. Analisi luminescente basato sull'osservazione della luminescenza degli oggetti allo scopo di studiarli; utilizzato per rilevare le fasi iniziali del deterioramento degli alimenti, selezionare i farmaci farmacologici e diagnosticare alcune malattie.
140. Effetto fotoelettrico chiamato fenomeno del pullout
elettroni da una sostanza sotto l'influenza della luce incidente su di essa.
A effetto fotoelettrico esterno un elettrone lascia la superficie di una sostanza.
A effetto fotoelettrico interno l'elettrone si libera dai legami con l'atomo, ma rimane all'interno della sostanza.
Equazione di Einstein:
dove hn è l'energia del fotone, n è la sua frequenza, A è la funzione lavoro dell'elettrone, è l'energia cinetica dell'elettrone emesso, v è la sua velocità.
Leggi dell'effetto fotoelettrico:
Il numero di fotoelettroni emessi dalla superficie metallica nell'unità di tempo è proporzionale al flusso luminoso incidente sul metallo.
Massima energia cinetica iniziale dei fotoelettroni
determinato dalla frequenza della luce incidente e non dipende dalla sua intensità.
Per ogni metallo esiste un limite rosso dell'effetto fotoelettrico, cioè la lunghezza d'onda massima l 0 alla quale l'effetto fotoelettrico è ancora possibile.
L'effetto fotoelettrico esterno viene utilizzato nei tubi fotomoltiplicatori (PMT) e nei convertitori elettron-ottici (EOC). I PMT vengono utilizzati per misurare flussi luminosi a bassa intensità. Con il loro aiuto è possibile rilevare una debole bioluminescenza. I tubi intensificatori di immagine vengono utilizzati in medicina per migliorare la luminosità delle immagini a raggi X; nella termografia – per convertire la radiazione infrarossa del corpo in radiazione visibile. Inoltre, le fotocellule vengono utilizzate nella metropolitana al passaggio dei tornelli, negli hotel moderni, negli aeroporti, ecc. per l'apertura e la chiusura automatica delle porte, per l'accensione e lo spegnimento automatico dell'illuminazione stradale, per la determinazione dell'illuminazione (luxmetro), ecc.
141. Radiazione a raggi Xè la radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda compresa tra 0,01 e 0,000001 micron. Fa brillare lo schermo rivestito di fosforo e l'emulsione annerisce, rendendolo adatto alla fotografia.
I raggi X vengono prodotti quando gli elettroni si fermano improvvisamente mentre colpiscono l'anodo in un tubo a raggi X. Innanzitutto, gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati da una differenza di potenziale di accelerazione a velocità dell'ordine di 100.000 km/s. Questa radiazione, chiamata bremsstrahlung, ha uno spettro continuo.
L'intensità della radiazione X è determinata dalla formula empirica:
dove I è l'intensità della corrente nel tubo, U è la tensione, Z è il numero di serie dell'atomo della sostanza anticatodica, k è cost.
La radiazione di raggi X risultante dalla decelerazione degli elettroni è chiamata “bremsstrahlung”.
I raggi X a onde corte sono generalmente più penetranti dei raggi X a onde lunghe e vengono chiamati difficile, e onde lunghe – morbido.
Ad alte tensioni nel tubo a raggi X, insieme a
i raggi X aventi uno spettro continuo producono raggi X aventi uno spettro lineare; quest'ultimo è sovrapposto allo spettro continuo. Questa radiazione è chiamata caratteristica, poiché ogni sostanza ha la propria linea caratteristica dello spettro dei raggi X (uno spettro continuo dalla sostanza anodica ed è determinato solo dalla tensione sul tubo a raggi X).
142. Proprietà della radiazione a raggi X. I raggi X possiedono tutte le proprietà che caratterizzano i raggi luminosi:
1) non deviano nei campi elettrici e magnetici e, quindi, non portano carica elettrica;
2) avere un effetto fotografico;
3) causare la ionizzazione del gas;
4) in grado di provocare luminescenza;
5) possono essere rifratti, riflessi, avere polarizzazione e dare il fenomeno di interferenza e diffrazione.
143. Legge di Moseley. Poiché gli atomi di sostanze diverse hanno livelli energetici diversi a seconda della loro struttura, gli spettri della radiazione caratteristica dipendono dalla struttura degli atomi della sostanza anodica. Gli spettri caratteristici si spostano verso frequenze più alte con l'aumento della carica nucleare. Questo modello è noto come legge di Moseley:
dove n è la frequenza della riga spettrale, Z è il numero seriale dell'elemento emittente, A e B sono costanti.
144. Interazione dei raggi X con la materia. A seconda del rapporto tra l'energia del fotone e e l'energia di ionizzazione A, hanno luogo tre processi principali.
Scattering coerente (classico).. La diffusione dei raggi X a onde lunghe avviene principalmente senza modificare la lunghezza d'onda ed è chiamata coerente . Si verifica se l'energia del fotone è inferiore all'energia di ionizzazione: hn<А. Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяются, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия.
Scattering incoerente (effetto Compton). Nel 1922 A.Kh. Compton, osservando la diffusione dei raggi X duri, scoprì una diminuzione del potere penetrante del fascio diffuso rispetto a quello incidente. Ciò significava che la lunghezza d'onda dei raggi X diffusi era più lunga dei raggi X incidenti. La diffusione dei raggi X con un cambiamento nella lunghezza d'onda è chiamata incoerente e il fenomeno stesso è chiamato effetto Compton.
Effetto foto. Nell'effetto fotoelettrico, i raggi X vengono assorbiti da un atomo, provocando l'espulsione di un elettrone e la ionizzazione dell'atomo (fotoionizzazione). Se l'energia dei fotoni è insufficiente per la ionizzazione, l'effetto fotoelettrico può manifestarsi nell'eccitazione degli atomi senza emissione di elettroni.
Effetto ionizzante La radiazione dei raggi X si manifesta con un aumento della conduttività elettrica sotto l'influenza dei raggi X. Questa proprietà viene utilizzata in dosimetria per quantificare l'effetto di questo tipo di radiazioni.
145. Luminescenza dei raggi X chiamato bagliore di un certo numero di sostanze sotto l'irradiazione dei raggi X. Questo bagliore di bario-sinossido di platino ha permesso a Roentgen di scoprire i raggi. Questo fenomeno viene utilizzato per creare speciali schermi luminosi ai fini dell'osservazione visiva dei raggi X, talvolta per potenziare l'effetto dei raggi X su una lastra fotografica, che consente di registrare questi raggi.
146. Assorbimento dei raggi X descritto dalla legge di Bouguer:
F = F 0 e - mx,
dove m è il coefficiente di attenuazione lineare,
x è lo spessore dello strato di sostanza,
F 0 – intensità della radiazione incidente,
F è l'intensità della radiazione trasmessa.
147. Impatto delle radiazioni a raggi X sul corpo. Sebbene l'esposizione alle radiazioni durante gli esami a raggi X sia piccola, può portare a cambiamenti nell'apparato cromosomico delle cellule: mutazioni da radiazioni. Pertanto gli esami radiologici devono essere regolamentati.
148. Diagnostica a raggi X. La diagnostica a raggi X si basa sull'assorbimento selettivo delle radiazioni dei raggi X da parte dei tessuti e degli organi.
149. Raggi X. Durante la fluoroscopia, si ottiene un'immagine dell'oggetto transilluminato su uno schermo fluoroscopico. La tecnica è semplice ed economica; consente di osservare il movimento degli organi e il movimento del materiale di contrasto in essi. Presenta però anche degli svantaggi: dopo di esso non rimane alcun documento che possa essere discusso o considerato in futuro. I piccoli dettagli dell'immagine sono difficili da vedere sullo schermo. La fluoroscopia è associata a un'esposizione alle radiazioni molto maggiore per il paziente e il medico rispetto alla radiografia.
150. Radiografia. In radiografia, un fascio di raggi X viene diretto sulla parte del corpo da esaminare. La radiazione che attraversa il corpo umano colpisce la pellicola sulla quale, dopo l'elaborazione, si ottiene un'immagine.
151. Elettroradiografia. In esso, un fascio di raggi X che attraversa il paziente colpisce una piastra di selenio caricata di elettricità statica. In questo caso, la piastra cambia il suo potenziale elettrico e su di essa appare un'immagine latente di cariche elettriche.
Il vantaggio principale del metodo è la capacità di ottenere rapidamente un gran numero di immagini di alta qualità senza consumare pellicole radiografiche contenenti costosi composti d’argento e senza il processo fotografico “umido”.
152. Fluorografia. Il suo principio è quello di fotografare un'immagine radiografica da uno schermo su una pellicola a rulli di piccolo formato. Viene utilizzato per indagini di massa sulla popolazione. I vantaggi del metodo sono la velocità e l’efficienza.
153. Contrasto artificiale di organi. Il metodo si basa su
introduzione nel corpo di sostanze innocue che assorbono
La radiazione dei raggi X è molto più forte o, al contrario, molto più debole dell'organo esaminato. Ad esempio, si consiglia al paziente di assumere una sospensione acquosa di solfato di bario. In questo caso, sull'immagine appare l'ombra di una massa di contrasto situata nella cavità dello stomaco. Dalla posizione, forma, dimensione e contorno dell'ombra si può giudicare la posizione dello stomaco, la forma e la dimensione della sua cavità.
Lo iodio viene utilizzato per contrastare la tiroide. I gas utilizzati a questo scopo sono ossigeno, protossido di azoto e anidride carbonica. Solo il protossido di azoto e l'anidride carbonica possono essere iniettati nel flusso sanguigno poiché, a differenza dell'ossigeno, non causano embolia gassosa.
154. Intensificatori di immagini a raggi X. La luminosità del bagliore che converte la radiazione dei raggi X in luce visibile dello schermo fluorescente, che il radiologo utilizza durante l'esecuzione della fluoroscopia, è di centesimi di candela per metro quadrato (candele - candela). Ciò corrisponde all'incirca alla luminosità della luce lunare in una notte senza nuvole. Con tale illuminazione, l'occhio umano opera in modalità visione crepuscolare, in cui piccoli dettagli e deboli differenze di contrasto sono estremamente scarsamente distinti.
Non è possibile aumentare la luminosità dello schermo a causa di un aumento proporzionale della dose di radiazioni del paziente, che comunque non è innocuo.
La capacità di eliminare questo ostacolo è fornita dagli intensificatori di immagini a raggi X (XI), che sono in grado di aumentare la luminosità delle immagini migliaia di volte accelerando ripetutamente gli elettroni utilizzando un campo elettrico esterno. Oltre ad aumentare la luminosità, gli URI possono ridurre significativamente la dose di radiazioni durante la ricerca.
155. Angiografia– metodo di studio con contrasto dei vasi sanguigni
un sistema in cui, sotto controllo visivo a raggi X mediante URI e televisione, un radiologo inserisce un sottile tubo elastico - un catetere - in una vena e lo dirige insieme al flusso sanguigno verso quasi ogni area del corpo, anche a il cuore. Poi, al momento opportuno, viene iniettato attraverso il catetere un liquido radiopaco e contemporaneamente vengono scattate una serie di immagini che si susseguono ad alta velocità.
156. Metodologia digitale del trattamento delle informazioni. I segnali elettrici rappresentano la forma più conveniente per la successiva elaborazione delle immagini. A volte è vantaggioso enfatizzare una linea in un'immagine, evidenziare un contorno o talvolta evidenziare una trama. Il trattamento potrà essere effettuato sia con modalità elettroniche, analogiche che digitali. Per scopi di elaborazione digitale, i segnali analogici vengono convertiti in forma discreta utilizzando convertitori analogico-digitali (ADC) e inviati al computer in questa forma.
L'immagine luminosa ottenuta sullo schermo fluoroscopico viene amplificata da un convertitore elettrone-ottico (EOC) ed entra attraverso il sistema ottico all'ingresso del tubo televisivo TT, trasformandosi in una sequenza di segnali elettrici. Utilizzando l'ADC, vengono eseguiti il campionamento e la quantizzazione, quindi la registrazione nella memoria ad accesso casuale digitale - RAM e l'elaborazione dei segnali di immagine secondo i programmi specificati. L'immagine convertita viene nuovamente convertita in forma analogica utilizzando un convertitore digitale-analogico DAC e visualizzata sullo schermo del dispositivo di controllo video VKU di un display in scala di grigi.
157. Codificazione a colori delle immagini in bianco e nero. La maggior parte delle immagini introscopiche sono monocromatiche, cioè prive di colore. Ma la normale visione umana è il colore. Per sfruttare appieno le forze dell'occhio, in alcuni casi ha senso colorare artificialmente le nostre immagini introscopiche nell'ultima fase della loro trasformazione.
Quando l'occhio percepisce immagini a colori,
funzionalità aggiuntive dell'immagine che facilitano l'analisi. Questo
tonalità, saturazione del colore, contrasto del colore. A colori, la visibilità dei dettagli e la sensibilità al contrasto dell'occhio aumentano molte volte.
158. Terapia a raggi X. La radiazione a raggi X viene utilizzata per la radioterapia nel trattamento di una serie di malattie. Le indicazioni e le tattiche della radioterapia sono per molti versi simili ai metodi della terapia gamma.
159. Tomografia. L'immagine di un organo o di una formazione patologica di interesse per il medico è sovrapposta alle ombre degli organi e dei tessuti vicini situati lungo il fascio di raggi X.
L'essenza della tomografia è quella durante il processo di ripresa
Il tubo a raggi X si muove rispetto al paziente, fornendo immagini nitide solo dei dettagli che si trovano ad una determinata profondità. Pertanto, la tomografia è uno studio a raggi X strato per strato.
160. Radiazione laser– è un coerente identicamente diretto
radiazione proveniente da molti atomi che crea uno stretto fascio di luce monocromatica.
Affinché un laser inizi a funzionare, è necessario convertire un gran numero di atomi della sua sostanza di lavoro in uno stato eccitato (metastabile). Per fare ciò, l'energia elettromagnetica viene trasferita alla sostanza di lavoro da una fonte speciale (metodo di pompaggio). Successivamente, nella sostanza di lavoro inizieranno le transizioni forzate quasi simultanee di tutti gli atomi eccitati allo stato normale con l'emissione di un potente raggio di fotoni.
161. Applicazione del laser in medicina.Laser ad alta energia
utilizzato come bisturi laser in oncologia. In questo caso, l'escissione razionale del tumore si ottiene con un danno minimo ai tessuti circostanti e l'operazione può essere eseguita vicino a strutture cerebrali di grande significato funzionale.
La perdita di sangue quando si utilizza un raggio laser è molto inferiore, la ferita è completamente sterilizzata e il gonfiore nel periodo postoperatorio è minimo.
I laser sono particolarmente efficaci nella microchirurgia oculare. Permette il trattamento del glaucoma “perforando” con il suo raggio dei fori microscopici per il deflusso del liquido intraoculare. Il laser viene utilizzato per il trattamento non chirurgico del distacco di retina.
Radiazione laser a bassa energia ha un effetto antinfiammatorio, analgesico, cambia il tono vascolare, migliora i processi metabolici, ecc.; viene utilizzato in terapie speciali in vari campi della medicina.
162. Effetto del laser sul corpo. L'effetto della radiazione laser sul corpo è per molti aspetti simile all'effetto della radiazione elettromagnetica nel campo del visibile e dell'infrarosso. A livello molecolare, tale effetto porta a un cambiamento nei livelli energetici delle molecole della materia vivente, al loro riarrangiamento stereochimico e alla coagulazione delle strutture proteiche. Gli effetti fisiologici dell'esposizione laser sono associati all'effetto fotodinamico della fotoriattivazione, all'effetto di stimolazione o inibizione dei processi biologici, ai cambiamenti nello stato funzionale dei singoli sistemi e del corpo nel suo complesso.
163. Uso dei laser nella ricerca biomedica. Una delle aree principali della diagnostica laser è spettroscopia della materia condensata, che consente l'analisi dei tessuti biologici e la loro visualizzazione a livello cellulare, subcellulare e molecolare.
Microscopia ottica
La microscopia ottica fornisce un ingrandimento fino a 2-3 mila volte, un'immagine a colori e in movimento di un oggetto vivente, la possibilità di microfilmare e osservare a lungo termine lo stesso oggetto, valutazione della sua dinamica e chimica.
Le caratteristiche principali di qualsiasi microscopio sono la risoluzione e il contrasto. La risoluzione è la distanza minima alla quale si trovano due punti, dimostrata separatamente dal microscopio. La risoluzione dell'occhio umano nella modalità di visione migliore è 0,2 mm.
Il contrasto dell'immagine è la differenza di luminosità tra l'immagine e lo sfondo. Se questa differenza è inferiore al 3 - 4%, non può essere colta né dall'occhio né da una lastra fotografica; allora l'immagine resterà invisibile, anche se il microscopio ne risolve i dettagli. Il contrasto è influenzato sia dalle proprietà dell'oggetto, che modificano il flusso luminoso rispetto allo sfondo, sia dalla capacità dell'ottica di catturare le conseguenti differenze nelle proprietà del fascio.
Le capacità di un microscopio ottico sono limitate dalla natura ondulatoria della luce. Le proprietà fisiche della luce - colore (lunghezza d'onda), luminosità (ampiezza dell'onda), fase, densità e direzione della propagazione dell'onda cambiano a seconda delle proprietà dell'oggetto. Queste differenze vengono utilizzate nei microscopi moderni per creare contrasto.
L'ingrandimento di un microscopio è definito come il prodotto dell'ingrandimento dell'obiettivo e dell'ingrandimento dell'oculare. I tipici microscopi da ricerca hanno un ingrandimento dell'oculare di 10 e un ingrandimento dell'obiettivo di 10, 45 e 100. Di conseguenza, l'ingrandimento di un microscopio di questo tipo varia da 100 a 1000. Alcuni microscopi hanno un ingrandimento fino a 2000. Anche un ingrandimento superiore non ha senso, poiché la risoluzione non migliora. Al contrario, la qualità dell'immagine peggiora.
L'apertura numerica viene utilizzata per esprimere il potere risolutivo di un sistema ottico o il rapporto di apertura di un obiettivo. L'apertura dell'obiettivo è l'intensità della luce per unità di area dell'immagine, approssimativamente uguale al quadrato di NA. Il valore NA è di circa 0,95 per un buon obiettivo. Il microscopio è solitamente dimensionato in modo che il suo ingrandimento totale sia di circa 1000 NA. Se si introduce un liquido (olio o, più raramente, acqua distillata) tra l'obiettivo ed il campione, si ottiene un obiettivo “ad immersione” con un valore di NA fino a 1,4 e un corrispondente miglioramento della risoluzione.
Metodi di microscopia ottica
Metodi di microscopia ottica (illuminazione e osservazione). I metodi di microscopia vengono selezionati (e forniti in modo costruttivo) in base alla natura e alle proprietà degli oggetti studiati, poiché questi ultimi, come notato sopra, influenzano il contrasto dell'immagine.
Metodo del campo chiaro e sue varietà
Il metodo del campo chiaro in luce trasmessa viene utilizzato per studiare preparati trasparenti con particelle assorbenti (che assorbono la luce) e parti in esse incluse. Possono essere, ad esempio, sottili sezioni colorate di tessuti animali e vegetali, sottili sezioni di minerali, ecc. In assenza di preparato, un fascio di luce proveniente dal condensatore, passando attraverso la lente, produce un campo uniformemente illuminato in prossimità del piano focale dell'oculare. Se nel preparato è presente un elemento assorbente, si verifica un assorbimento parziale e una diffusione parziale della luce incidente su di esso, che provoca la comparsa dell'immagine. È possibile utilizzare il metodo anche quando si osservano oggetti non assorbenti, ma solo se diffondono il raggio illuminante in modo così forte che una parte significativa di esso non cade nella lente.
Il metodo di illuminazione obliqua è una variante del metodo precedente. La differenza tra loro è che la luce è diretta sull'oggetto con un ampio angolo rispetto alla direzione di osservazione. A volte questo aiuta a rivelare il “rilievo” di un oggetto dovuto alla formazione delle ombre.
Il metodo del campo chiaro in luce riflessa viene utilizzato quando si studiano oggetti opachi che riflettono la luce, come sezioni lucidate di metalli o minerali. Il preparato viene illuminato (da un illuminatore e da uno specchio traslucido) dall'alto, attraverso una lente, che svolge contemporaneamente il ruolo di condensatore. Nell'immagine creata in un piano dalla lente insieme al tubo lente, la struttura del preparato è visibile per la differenza di riflettività dei suoi elementi; Nel campo chiaro risaltano anche disomogeneità che disperdono la luce incidente su di essi.
Metodo del campo scuro e sue varianti
Il metodo della microscopia in campo scuro viene utilizzato per ottenere immagini di oggetti trasparenti, non assorbenti che non possono essere visti utilizzando il metodo in campo chiaro. Spesso questi sono oggetti biologici. La luce proveniente dall'illuminatore e dallo specchio viene diretta sulla preparazione da un condensatore appositamente progettato, il cosiddetto. condensatore in campo oscuro. All'uscita dal condensatore, la maggior parte dei raggi luminosi, che non hanno cambiato direzione passando attraverso il preparato trasparente, forma un fascio a forma di cono cavo e non entra nella lente (che si trova all'interno di questo cono) . L'immagine al microscopio si forma utilizzando solo una piccola parte dei raggi diffusi dalle microparticelle del farmaco situate sul vetrino nel cono e che passano attraverso la lente. La microscopia in campo scuro si basa sull'effetto Tyndall, un famoso esempio del quale è il rilevamento di particelle di polvere nell'aria quando illuminata da uno stretto raggio di luce solare. Nel campo visivo su uno sfondo scuro sono visibili immagini chiare degli elementi strutturali del farmaco, che differiscono dall'ambiente circostante nel loro indice di rifrazione. Le particelle grandi hanno solo bordi luminosi che diffondono i raggi luminosi. Utilizzando questo metodo è impossibile determinare dall'aspetto dell'immagine se le particelle sono trasparenti o opache, o se hanno un indice di rifrazione più alto o più basso rispetto al mezzo circostante.
Condurre uno studio in campo oscuro
I vetrini non devono avere uno spessore superiore a 1,1-1,2 mm, i vetrini coprioggetto 0,17 mm, senza graffi o sporco. Durante la preparazione del farmaco, evitare la presenza di bolle e particelle di grandi dimensioni (questi difetti saranno visibili con una luce intensa e non consentiranno di osservare il farmaco). Per il campo scuro vengono utilizzati illuminatori più potenti e la massima intensità della lampada.
L'impostazione dell'illuminazione in campo scuro è fondamentalmente la seguente:
Installare la luce secondo Koehler;
Sostituire il condensatore per campo chiaro con uno per campo scuro;
Sulla lente superiore del condensatore viene applicato olio per immersione o acqua distillata;
Sollevare il condensatore fino a toccare la superficie inferiore del vetrino;
Una lente a basso ingrandimento viene messa a fuoco sul campione;
Utilizzando viti di centraggio, un punto luminoso (a volte con una zona centrale oscurata) viene trasferito al centro del campo visivo;
Alzando e abbassando il condensatore, la zona centrale oscurata scompare e si ottiene un punto luminoso illuminato uniformemente.
Se ciò non può essere fatto, è necessario controllare lo spessore del vetrino (questo fenomeno si osserva solitamente quando si utilizzano vetrini troppo spessi: il cono di luce è focalizzato nello spessore del vetro).
Dopo aver impostato correttamente la luce, installare una lente dell'ingrandimento richiesto ed esaminare il campione.
Il metodo dell'ultramicroscopia si basa sullo stesso principio: i preparati negli ultramicroscopi vengono illuminati perpendicolarmente alla direzione di osservazione. Con questo metodo è possibile rilevare (ma non letteralmente “osservare”) particelle estremamente piccole, le cui dimensioni vanno ben oltre la risoluzione dei microscopi più potenti. Con l'aiuto degli ultramicroscopi ad immersione è possibile rilevare la presenza in un preparato di particelle × particelle di dimensioni fino a 2 × 10 fino a -9 gradi m, ma con questo metodo non è possibile determinare la forma e le dimensioni esatte di tali particelle. Le loro immagini appaiono all'osservatore sotto forma di punti di diffrazione, le cui dimensioni non dipendono dalla dimensione e dalla forma delle particelle stesse, ma dall'apertura della lente e dall'ingrandimento del microscopio. Poiché tali particelle diffondono pochissima luce, per illuminarle sono necessarie sorgenti luminose estremamente potenti, come un arco elettrico al carbonio. Gli ultramicroscopi sono utilizzati principalmente nella chimica dei colloidi.
Metodo del contrasto di fase
Il metodo del contrasto di fase e la sua varietà: il cosiddetto. Il metodo di contrasto “anoptral” è progettato per ottenere immagini di oggetti trasparenti e incolori, invisibili se osservati con il metodo del campo chiaro. Questi includono, ad esempio, tessuti animali vivi non colorati. L'essenza del metodo è che anche con differenze molto piccole negli indici di rifrazione dei diversi elementi del preparato, l'onda luminosa che li attraversa subisce diversi cambiamenti di fase (acquisisce il cosiddetto rilievo di fase). Non percepiti direttamente né dall'occhio né dalla lastra fotografica, questi cambiamenti di fase vengono convertiti con l'aiuto di uno speciale dispositivo ottico in cambiamenti nell'ampiezza dell'onda luminosa, cioè in cambiamenti di luminosità ("rilievo di ampiezza"), che sono già visibili all'occhio o registrati sullo strato fotosensibile. In altre parole, nell'immagine visibile risultante, la distribuzione della luminosità (ampiezza) riproduce il rilievo di fase. L'immagine ottenuta in questo modo è detta a contrasto di fase.
Il dispositivo per contrasto di fase può essere installato su qualsiasi microscopio ottico ed è composto da:
Un set di lenti con piastre di fase speciali;
Condensatore con disco rotante. Contiene diaframmi anulari corrispondenti alle piastre di fase in ciascuna delle lenti;
Un telescopio ausiliario per la regolazione del contrasto di fase.
L'impostazione del contrasto di fase è la seguente:
Sostituire le lenti e il condensatore del microscopio con quelli di fase (indicati dalle lettere Ph);
Installare una lente a basso ingrandimento. Il foro del disco condensatore deve essere privo di diaframma anulare (indicato dal numero "0");
Regolare la luce secondo Koehler;
Selezionare una lente di fase di ingrandimento appropriato e metterla a fuoco sul campione;
Ruotare il disco del condensatore e installare il diaframma anulare corrispondente all'obiettivo;