میکروسکوپ زمینه فنی استفاده از میکروسکوپ برای مشاهده اجسام و نواحی از اجسامی است که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند (اجسامی که در محدوده تفکیک چشم عادی نیستند). [1] سه شاخه معروف میکروسکوپ وجود دارد: میکروسکوپ نوری ، الکترونی و پروب روبشی ، همراه با میدان در حال ظهور میکروسکوپ اشعه ایکس . [ نیازمند منبع ]
میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی شامل پراش ، انعکاس یا شکست تابش الکترومغناطیسی / پرتوهای الکترونی در تعامل با نمونه ، و جمع آوری تابش پراکنده یا سیگنال دیگری به منظور ایجاد یک تصویر است. این فرآیند ممکن است با تابش میدان وسیع نمونه (به عنوان مثال میکروسکوپ نوری استاندارد و میکروسکوپ الکترونی عبوری ) یا با اسکن یک پرتو ظریف روی نمونه (به عنوان مثال میکروسکوپ روبشی لیزری کانفوکال و میکروسکوپ الکترونی روبشی ) انجام شود. میکروسکوپ پروب روبشی شامل برهمکنش یک پروب روبشی با سطح شی مورد نظر است. توسعه میکروسکوپ زیست شناسی را متحول کرد ، زمینه بافت شناسی را به وجود آورد و بنابراین به عنوان یک تکنیک ضروری در زندگی و علوم فیزیکی باقی می ماند . میکروسکوپ اشعه ایکس سه بعدی و غیر مخرب است و امکان تصویربرداری مکرر از همان نمونه را برای مطالعات درجا یا 4 بعدی فراهم می کند و توانایی "درون" نمونه مورد مطالعه را قبل از قربانی کردن آن به تکنیک های با وضوح بالاتر فراهم می کند. میکروسکوپ سه بعدی اشعه ایکس از تکنیک توموگرافی کامپیوتری ( microCT ) استفاده می کند که نمونه را 360 درجه می چرخاند و تصاویر را بازسازی می کند. CT معمولاً با یک صفحه نمایش تخت انجام می شود. یک میکروسکوپ سه بعدی اشعه ایکس طیف وسیعی از اهداف را به کار می گیرد، به عنوان مثال، از 4X تا 40X، و همچنین می تواند شامل یک صفحه تخت باشد.
زمینه میکروسکوپ ( میکروسکوپ نوری ) حداقل به قرن هفدهم باز می گردد. قدمت میکروسکوپهای قبلی، عینکهای ذرهبین تک عدسی با بزرگنمایی محدود، حداقل به زمان استفاده گسترده از لنزها در عینک در قرن سیزدهم برمیگردد [2]، اما میکروسکوپهای ترکیبی پیشرفتهتر برای اولین بار در حدود سال 1620 در اروپا ظاهر شدند [3] [4] اولین متخصصان میکروسکوپ عبارتند از گالیله گالیله ، که در سال 1610 دریافت که می تواند تلسکوپ خود را برای مشاهده اجسام کوچک از نزدیک ببندد [5] [6] و کورنلیس دربل ، که ممکن است میکروسکوپ مرکب را در حدود سال 1620 اختراع کرده باشد . 8] Antonie van Leeuwenhoek یک میکروسکوپ ساده با بزرگنمایی بسیار بالا را در دهه 1670 توسعه داد و اغلب به عنوان اولین میکروسکوپ شناس و میکروبیولوژیست شناخته شده شناخته می شود . [9] [10]
میکروسکوپ نوری یا نوری شامل عبور نور مرئی است که از نمونه عبور می کند یا از نمونه منعکس می شود از طریق یک عدسی یا چند عدسی برای نمایش بزرگنمایی نمونه. [11] تصویر حاصل را می توان مستقیماً با چشم تشخیص داد، روی صفحه عکاسی تصویربرداری کرد یا به صورت دیجیتالی ثبت کرد . تک عدسی با ملحقات آن یا سیستم لنزها و تجهیزات تصویربرداری به همراه تجهیزات روشنایی مناسب، مرحله نمونه و ساپورت، میکروسکوپ نوری پایه را تشکیل می دهد. جدیدترین توسعه میکروسکوپ دیجیتال است که از یک دوربین CCD برای تمرکز بر روی نمایشگاه مورد علاقه استفاده می کند. تصویر بر روی صفحه نمایش کامپیوتر نشان داده می شود، بنابراین چشمی غیر ضروری است. [12]
محدودیت های میکروسکوپ نوری استاندارد ( میکروسکوپ میدان روشن ) در سه حوزه نهفته است.
سلول های زنده به طور خاص به طور کلی فاقد کنتراست کافی برای مطالعه موفقیت آمیز هستند، زیرا ساختارهای داخلی سلول بی رنگ و شفاف هستند. رایج ترین راه برای افزایش کنتراست، رنگ آمیزی ساختارها با رنگ های انتخابی است، اما این اغلب شامل از بین بردن و ثابت کردن نمونه است. [15] رنگآمیزی همچنین ممکن است مصنوعاتی را معرفی کند که جزئیات ساختاری ظاهری هستند که در اثر پردازش نمونه ایجاد میشوند و بنابراین ویژگیهای نمونه نیستند. به طور کلی، این تکنیک ها از تفاوت در ضریب شکست ساختارهای سلولی استفاده می کنند. میکروسکوپ میدان روشن با نگاه کردن از طریق یک پنجره شیشه ای قابل مقایسه است: فرد نه شیشه، بلکه فقط کثیفی روی شیشه را می بیند. تفاوت وجود دارد، زیرا شیشه ماده متراکم تری است و این تفاوت در فاز عبور نور ایجاد می کند. چشم انسان به این تفاوت فاز حساس نیست، اما راه حل های نوری هوشمندانه ای ابداع شده است تا این تفاوت فاز را به اختلاف دامنه (شدت نور) تبدیل کند. [ نیازمند منبع ]
برای بهبود کنتراست نمونه یا ساختارهای برجسته در یک نمونه، باید از تکنیک های خاصی استفاده شود. مجموعه عظیمی از تکنیکهای میکروسکوپی برای افزایش کنتراست یا برچسبگذاری نمونه موجود است.
میکروسکوپ میدان روشن ساده ترین روش میکروسکوپ نوری است. روشنایی نمونه از طریق نور سفید عبوری است، یعنی از پایین روشن می شود و از بالا مشاهده می شود. محدودیت ها شامل کنتراست کم اکثر نمونه های بیولوژیکی و وضوح ظاهری کم به دلیل تاری مواد خارج از فوکوس است. سادگی تکنیک و حداقل آماده سازی نمونه مورد نیاز مزایای قابل توجهی است. [ نیازمند منبع ]
استفاده از نور مورب (از جانبی) به تصویر ظاهری سه بعدی می بخشد و می تواند ویژگی های غیر قابل مشاهده را برجسته کند. یک تکنیک جدیدتر مبتنی بر این روش، کنتراست مدولاسیون هافمن است ، سیستمی که در میکروسکوپهای معکوس برای استفاده در کشت سلولی یافت میشود. روشنایی مایل کنتراست را حتی در نمونه های واضح افزایش می دهد. با این حال، از آنجایی که نور خارج از محور وارد می شود، موقعیت یک جسم با تغییر فوکوس تغییر می کند. این محدودیت تکنیک هایی مانند برش نوری یا اندازه گیری دقیق در محور z را غیرممکن می کند.
میکروسکوپ میدان تاریک تکنیکی برای بهبود کنتراست نمونه های شفاف و رنگ نشده است. [16] روشنایی میدان تاریک از یک منبع نوری با دقت تراز استفاده می کند تا مقدار نور مستقیم ارسالی (غیر پراکنده) وارد شده به صفحه تصویر را به حداقل برساند و فقط نور پراکنده شده توسط نمونه را جمع آوری کند. میدان تاریک می تواند کنتراست تصویر را به طور چشمگیری بهبود بخشد - به ویژه اشیاء شفاف - در حالی که به نصب تجهیزات کمی یا آماده سازی نمونه نیاز دارد. با این حال، این تکنیک از شدت نور کم در تصویر نهایی بسیاری از نمونههای بیولوژیکی رنج میبرد و همچنان تحت تأثیر وضوح ظاهری پایین قرار میگیرد.
روشنایی راینبرگ گونه ای از روشنایی میدان تاریک است که در آن فیلترهای شفاف و رنگی درست قبل از کندانسور وارد می شوند به طوری که پرتوهای نور در دیافراگم بالا با دیافراگم پایین رنگ متفاوتی دارند (یعنی پس زمینه نمونه ممکن است آبی باشد در حالی که جسم وجود دارد. قرمز خود تابناک به نظر می رسد). ترکیب رنگ های دیگر امکان پذیر است، اما اثربخشی آنها کاملاً متغیر است. [17]
رنگ آمیزی پراکندگی یک تکنیک نوری است که منجر به یک تصویر رنگی از یک جسم بی رنگ می شود. این یک تکنیک رنگ آمیزی نوری است و برای ایجاد جلوه رنگی نیازی به لکه یا رنگ ندارد. پنج پیکربندی مختلف میکروسکوپ در تکنیک گستردهتر رنگآمیزی پراکندگی استفاده میشود. آنها شامل خط بک فیلد روشن، مایل، میدان تاریک، کنتراست فاز و رنگآمیزی پراکندگی توقف عینی هستند.
تکنیک های پیچیده تر تفاوت های متناسبی را در چگالی نوری نشان خواهند داد. کنتراست فاز یک تکنیک پرکاربرد است که تفاوت در ضریب شکست را به عنوان تفاوت کنتراست نشان می دهد. این توسط فیزیکدان هلندی فریتز زرنیک در دهه 1930 توسعه یافت (که برای آن جایزه نوبل در سال 1953 دریافت شد). به عنوان مثال، هسته در یک سلول در برابر سیتوپلاسم اطراف به صورت تاریک ظاهر می شود. کنتراست عالی است. اما برای استفاده با اجسام ضخیم نیست. اغلب، هاله ای حتی در اطراف اجسام کوچک تشکیل می شود که جزئیات را مبهم می کند. این سیستم از یک حلقه دایره ای در کندانسور تشکیل شده است که مخروطی از نور تولید می کند. این مخروط بر روی یک حلقه با اندازه مشابه در داخل فاز-هدف قرار گرفته است. هر شی دارای یک حلقه اندازه متفاوت است، بنابراین برای هر هدف باید تنظیم کندانسور دیگری انتخاب شود. حلقه در شیئی دارای خواص نوری خاصی است: اول از همه، شدت نور مستقیم را کاهش می دهد، اما مهمتر از آن، اختلاف فاز مصنوعی حدود یک چهارم طول موج ایجاد می کند. از آنجایی که خواص فیزیکی این نور مستقیم تغییر کرده است، تداخل با نور پراکنده رخ می دهد و در نتیجه تصویر کنتراست فاز ایجاد می شود. یکی از معایب میکروسکوپ کنتراست فاز، تشکیل هاله (حلقه هاله نور) است.
برتر و بسیار گرانتر استفاده از کنتراست تداخل است . تفاوت در چگالی نوری به عنوان تفاوت در تسکین نشان داده می شود. طبق گفته ژرژ نومارسکی، یک هسته در یک سلول در واقع به عنوان یک کروی در سیستم کنتراست تداخل دیفرانسیل که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد، نشان داده می شود . با این حال، باید در نظر داشت که این یک اثر نوری است و نقش برجسته لزوماً شبیه شکل واقعی نیست. کنتراست بسیار خوب است و می توان از دیافراگم کندانسور کاملاً باز استفاده کرد و در نتیجه عمق میدان را کاهش داد و وضوح را به حداکثر رساند.
این سیستم از یک منشور ویژه ( منشور نومارسکی ، منشور ولاستون ) در کندانسور تشکیل شده است که نور را در یک پرتو معمولی و فوقالعاده تقسیم میکند. تفاوت فضایی بین دو پرتو حداقل است (کمتر از حداکثر وضوح هدف). پس از عبور از نمونه، پرتوها توسط یک منشور مشابه در شیئی دوباره به هم متصل می شوند.
در یک نمونه همگن، هیچ تفاوتی بین دو پرتو وجود ندارد و کنتراست ایجاد نمی شود. با این حال، در نزدیکی یک مرز انکساری (مثلا یک هسته در داخل سیتوپلاسم)، تفاوت بین پرتو معمولی و خارقالعاده باعث ایجاد تسکین در تصویر میشود. کنتراست تداخل دیفرانسیل برای عملکرد به منبع نور پلاریزه نیاز دارد. دو فیلتر پلاریزه باید در مسیر نور نصب شود، یکی زیر کندانسور (پلاریزه کننده)، و دیگری بالای شی (آنالایزر).
نکته: در مواردی که طراحی نوری یک میکروسکوپ باعث ایجاد جدایی جانبی قابل توجهی از دو پرتو می شود، مورد میکروسکوپ تداخلی کلاسیک را داریم که منجر به تصاویر برجسته نمی شود، اما با این وجود می توان از آن برای تعیین کمی ضخامت جرم استفاده کرد. از اجسام میکروسکوپی
یک تکنیک اضافی با استفاده از تداخل، میکروسکوپ بازتاب تداخل است (همچنین به عنوان کنتراست تداخل بازتابیده یا RIC شناخته میشود). برای تولید سیگنال تداخل به چسبندگی سلول به اسلاید متکی است. اگر سلولی به شیشه متصل نباشد، هیچ تداخلی وجود نخواهد داشت.
میکروسکوپ بازتاب تداخلی را می توان با استفاده از همان عناصری که توسط DIC استفاده می شود، اما بدون منشور به دست آورد. همچنین نوری که در حال شناسایی است منعکس می شود و مانند زمانی که DIC استفاده می شود منتقل نمی شود.
هنگامی که ترکیبات خاصی با نور پر انرژی روشن می شوند، نور با فرکانس پایین تری ساطع می کنند. این اثر به عنوان فلورسانس شناخته می شود . اغلب نمونهها تصویر فلورسانس مشخصه خود را بر اساس ترکیب شیمیایی خود نشان میدهند.
این روش در علوم زندگی مدرن از اهمیت حیاتی برخوردار است، زیرا می تواند بسیار حساس باشد و امکان تشخیص مولکول های منفرد را فراهم کند. بسیاری از رنگ های فلورسنت را می توان برای رنگ آمیزی ساختارها یا ترکیبات شیمیایی استفاده کرد. یکی از روشهای قدرتمند، ترکیب آنتیبادیهای همراه با فلوروفور مانند رنگآمیزی ایمنی است . نمونه هایی از فلوروفورهای رایج مورد استفاده فلورسئین یا رودامین هستند .
آنتیبادیها را میتوان برای یک ترکیب شیمیایی طراحی کرد. به عنوان مثال، یک استراتژی که اغلب مورد استفاده قرار می گیرد، تولید مصنوعی پروتئین ها بر اساس کد ژنتیکی (DNA) است. سپس می توان از این پروتئین ها برای ایمن سازی خرگوش ها استفاده کرد و آنتی بادی هایی را تشکیل داد که به پروتئین متصل می شوند. سپس آنتی بادی ها به صورت شیمیایی با فلوروفور جفت می شوند و برای ردیابی پروتئین ها در سلول های مورد مطالعه استفاده می شوند.
پروتئین های فلورسنت بسیار کارآمد مانند پروتئین فلورسنت سبز (GFP) با استفاده از تکنیک بیولوژی مولکولی همجوشی ژن ، فرآیندی که بیان ترکیب فلورسنت را به پروتئین هدف پیوند می دهد، توسعه یافته اند . این پروتئین فلورسنت ترکیبی به طور کلی برای ارگانیسم غیر سمی است و به ندرت در عملکرد پروتئین مورد مطالعه اختلال ایجاد می کند. سلولها یا ارگانیسمهای اصلاحشده ژنتیکی مستقیماً پروتئینهای دارای برچسب فلورسنت را بیان میکنند، که مطالعه عملکرد پروتئین اصلی را در داخل بدن امکانپذیر میسازد .
رشد کریستال های پروتئین منجر به کریستال های پروتئین و نمک می شود. هر دو بی رنگ و میکروسکوپی هستند. بازیابی کریستال های پروتئین نیاز به تصویربرداری دارد که می تواند توسط فلورسانس ذاتی پروتئین یا با استفاده از میکروسکوپ انتقال انجام شود. هر دو روش به یک میکروسکوپ فرابنفش نیاز دارند زیرا پروتئین ها نور را در 280 نانومتر جذب می کنند. هنگامی که با نور 280 نانومتر برانگیخته شود، پروتئین تقریباً 353 نانومتر فلورسانس می شود. [18]
از آنجایی که انتشار فلورسانس از نظر طول موج (رنگ) با نور تحریک متفاوت است ، یک تصویر فلورسنت ایده آل فقط ساختار مورد نظر را نشان می دهد که با رنگ فلورسنت برچسب گذاری شده است. این ویژگی بالا منجر به استفاده گسترده از میکروسکوپ نوری فلورسانس در تحقیقات زیست پزشکی شد. از رنگ های فلورسنت مختلف می توان برای رنگ آمیزی ساختارهای بیولوژیکی مختلف استفاده کرد، که سپس می توان آنها را به طور همزمان تشخیص داد، در حالی که هنوز به دلیل رنگ فردی رنگ خاص هستند.
برای جلوگیری از رسیدن نور تحریک به ناظر یا آشکارساز، مجموعه فیلترهایی با کیفیت بالا مورد نیاز است. اینها معمولاً شامل یک فیلتر تحریک کننده است که محدوده طول موج های تحریک را انتخاب می کند ، یک آینه دو رنگ و یک فیلتر انتشار که نور تحریک را مسدود می کند. بیشتر میکروسکوپهای فلورسانس در حالت Epi-illumination (نور و تشخیص از یک طرف نمونه) کار میکنند تا میزان نور تحریک ورودی به آشکارساز را کاهش دهند.
همچنین ببینید: کل میکروسکوپ فلورسانس بازتاب داخلی نوروساینس
میکروسکوپ اسکن لیزری کانفوکال از یک پرتو لیزر متمرکز (به عنوان مثال 488 نانومتر) استفاده می کند که در سراسر نمونه اسکن می شود تا فلورسانس را به صورت نقطه به نقطه تحریک کند. نور ساطع شده از طریق سوراخ سوزنی هدایت می شود تا از رسیدن نور خارج از فوکوس به آشکارساز، که معمولاً یک لوله فتومولتیپلایر است ، جلوگیری کند . تصویر در یک کامپیوتر ساخته شده است و شدت فلورسانس اندازه گیری شده را با توجه به موقعیت لیزر تحریک ترسیم می کند. در مقایسه با روشنایی کامل نمونه، میکروسکوپ کانفوکال وضوح جانبی کمی بالاتر می دهد و به طور قابل توجهی برش نوری (رزولوشن محوری) را بهبود می بخشد. بنابراین، میکروسکوپ کانفوکال معمولاً در مواردی که ساختار سه بعدی مهم است استفاده می شود.
زیرمجموعهای از میکروسکوپهای کانفوکال، میکروسکوپهای دیسکی چرخشی هستند که میتوانند چندین نقطه را به طور همزمان در سراسر نمونه اسکن کنند. یک دیسک متناظر با سوراخ های پین، نور خارج از فوکوس را رد می کند. آشکارساز نور در میکروسکوپ دیسکی چرخان یک دوربین دیجیتال است که معمولاً EM-CCD یا sCMOS است .
یک میکروسکوپ دو فوتونی نیز یک میکروسکوپ اسکن لیزری است، اما به جای نور لیزر UV، آبی یا سبز، از لیزر مادون قرمز پالسی برای تحریک استفاده می شود. فقط در فوکوس کوچک لیزر، شدت آن به اندازهای است که فلورسانس را با تحریک دو فوتون ایجاد کند ، به این معنی که فلورسانس خارج از فوکوس ایجاد نمیشود، و هیچ سوراخ سوزنی برای تمیز کردن تصویر لازم نیست. [19] این امکان تصویربرداری عمیق در بافت پراکنده را فراهم می کند، جایی که یک میکروسکوپ کانفوکال قادر به جمع آوری فوتون ها به طور موثر نیست. [20] میکروسکوپ های دو فوتونی با تشخیص میدان وسیع اغلب برای تصویربرداری عملکردی، به عنوان مثال تصویربرداری از کلسیم ، در بافت مغز استفاده می شود. [21] آنها به عنوان میکروسکوپ های مولتی فوتونی توسط چندین شرکت به بازار عرضه می شوند، اگرچه دستاوردهای استفاده از 3 فوتون به جای تحریک 2 فوتون حاشیه ای است.
با استفاده از صفحه ای از نور که با تمرکز نور از طریق یک عدسی استوانه ای در یک زاویه باریک یا با اسکن یک خط نور در صفحه ای عمود بر محور هدف تشکیل می شود، می توان بخش های نوری با وضوح بالا را گرفت. [22] [23] [24] روشنایی منفرد، یا روشنایی ورق سبک، همچنین با استفاده از تکنیکهای شکلدهی پرتو که دارای انبساطکنندههای پرتو چند منشوری است، انجام میشود . [25] [26] تصاویر توسط CCD گرفته می شوند. این گونه ها امکان ثبت تصویر بسیار سریع و با نسبت سیگنال به نویز بالا را فراهم می کنند.
میکروسکوپ چند فوتونی میدان وسیع [27] [28] [29] [30] به یک تکنیک تصویربرداری غیرخطی نوری اشاره دارد که در آن ناحیه وسیعی از جسم بدون نیاز به اسکن روشن و تصویربرداری می شود. برای القای فرآیندهای نوری غیرخطی مانند فلورسانس دو فوتونی یا تولید هارمونیک دوم به شدت های بالا نیاز است . در اسکن میکروسکوپهای چند فوتونی، شدتهای بالا با تمرکز شدید نور به دست میآیند و تصویر با اسکن پرتو به دست میآید. در میکروسکوپ چند فوتونی میدان وسیع، شدت های بالا به بهترین وجه با استفاده از یک منبع لیزر پالسی تقویت شده نوری برای دستیابی به میدان دید بزرگ (~100 میکرومتر) به دست می آید. [27] [28] [29] تصویر در این مورد به صورت یک فریم با دوربین CCD بدون نیاز به اسکن به دست میآید، که این تکنیک را به ویژه برای تجسم فرآیندهای پویا به طور همزمان در سراسر شی مورد نظر مفید میکند. با میکروسکوپ چند فوتونی میدان گسترده، نرخ فریم را می توان تا 1000 برابر در مقایسه با میکروسکوپ روبشی چند فوتونی افزایش داد . [28] با این حال، در بافت پراکنده، کیفیت تصویر به سرعت با افزایش عمق کاهش می یابد.
میکروسکوپ فلورسانس یک تکنیک قدرتمند برای نشان دادن ساختارهای مشخص شده در یک محیط پیچیده و ارائه اطلاعات سه بعدی از ساختارهای بیولوژیکی است. با این حال، این اطلاعات با این واقعیت محو می شود که، پس از روشنایی، تمام ساختارهای دارای برچسب فلورسنت، صرف نظر از اینکه در فوکوس هستند یا نه، نور ساطع می کنند. بنابراین تصویری از یک ساختار خاص همیشه با سهم نور از ساختارهایی که خارج از فوکوس هستند تار می شود. این پدیده منجر به از دست دادن کنتراست به ویژه در هنگام استفاده از اهداف با قدرت تفکیک بالا، معمولاً اهداف غوطه وری در روغن با دیافراگم عددی بالا می شود.
با این حال، تاری توسط فرآیندهای تصادفی، مانند پراکندگی نور ایجاد نمی شود، اما می تواند به خوبی توسط خواص نوری تشکیل تصویر در سیستم تصویربرداری میکروسکوپ تعریف شود. اگر یک منبع نور فلورسنت کوچک (در اصل یک نقطه روشن) را در نظر بگیریم، نوری که از این نقطه میآید از دید ما بیشتر پخش میشود، زیرا نقطه از فوکوس بیشتر خارج میشود. در شرایط ایده آل، این یک شکل "ساعت شنی" از این منبع نقطه ای در بعد سوم (محوری) ایجاد می کند. به این شکل تابع پخش نقطه (PSF) سیستم تصویربرداری میکروسکوپ می گویند . از آنجایی که هر تصویر فلورسانس از تعداد زیادی چنین منابع نور فلورسنت کوچک تشکیل شده است، گفته می شود که تصویر "توسط تابع پخش نقطه ای در هم می پیچد". PSF مدلسازی شده ریاضی یک سیستم تصویربرداری پالسی لیزری تراهرتز در سمت راست نشان داده شده است.
خروجی یک سیستم تصویربرداری را می توان با استفاده از معادله شرح داد:
جایی که n نویز افزودنی است. [32] دانستن این تابع گسترش نقطه [33] به این معنی است که امکان معکوس کردن این فرآیند تا حد معینی با روشهای مبتنی بر کامپیوتر که معمولاً به عنوان میکروسکوپ دکانولوشن شناخته میشوند، وجود دارد . [34] الگوریتم های مختلفی برای دکانولوشن دو بعدی یا سه بعدی وجود دارد. آنها را می توان تقریباً در روش های غیر ترمیمی و ترمیمی طبقه بندی کرد . در حالی که روشهای غیر ترمیمی میتوانند کنتراست را با حذف نور خارج از فوکوس از سطوح کانونی بهبود بخشند، تنها روشهای ترمیمی میتوانند در واقع نور را به محل اصلی خود تغییر دهند. پردازش تصاویر فلورسنت به این روش می تواند مزیتی نسبت به دریافت مستقیم تصاویر بدون نور خارج از فوکوس، مانند تصاویر از میکروسکوپ هم کانونی باشد ، زیرا سیگنال های نوری که در غیر این صورت حذف می شوند، به اطلاعات مفیدی تبدیل می شوند. برای دکانولوشن سه بعدی، معمولاً یک سری تصاویر گرفته شده از سطوح کانونی مختلف (به نام پشته Z) به همراه دانش PSF ارائه می شود که می تواند به صورت تجربی یا تئوری از دانستن همه پارامترهای کمک کننده میکروسکوپ به دست آید.
بسیاری از تکنیکهای میکروسکوپ با وضوح فوقالعاده در زمانهای اخیر توسعه یافتهاند که حد پراش را دور میزند .
این بیشتر با تصویربرداری چند بار از یک نمونه به اندازه کافی ثابت و یا اصلاح نور تحریک یا مشاهده تغییرات تصادفی در تصویر به دست می آید. روشهای دکانولوشن شرح دادهشده در بخش قبل، که تاری ناشی از PSF را حذف میکند و منشأ ریاضی «درست» نور را تعیین میکند، استفاده میشود، البته با درک کمی متفاوت از معنای یک پیکسل. با فرض اینکه در بیشتر مواقع ، یک فلوروفور منفرد به یک حباب در یک تصویر منفرد کمک میکند، حبابهای موجود در تصاویر را میتوان با موقعیت محاسبهشدهشان جایگزین کرد، و وضوح تصویر را تا حد بسیار پایینتر از حد پراش بهبود بخشید.
برای تحقق چنین فرضی، دانش و کنترل شیمیایی بر فتوفیزیک فلوروفور در هسته اصلی این تکنیک ها قرار دارد که با استفاده از آن وضوح 20 نانومتر به دست می آید. [35] [36]
میکروسکوپ تقویتشده رمزگذاریشده سریال (STEAM) یک روش تصویربرداری است که سرعت شاتر و نرخ فریم فوقالعاده سریع را با استفاده از تقویت تصویر نوری برای دور زدن مبادله اساسی بین حساسیت و سرعت و یک ردیاب تک پیکسلی برای رفع نیاز به محدودیتهای زمانی آرایه آشکارساز و بازخوانی [37] این روش حداقل 1000 برابر سریعتر از دوربینهای پیشرفته CCD و CMOS است . در نتیجه، به طور بالقوه برای کاربردهای علمی، صنعتی و زیست پزشکی که به نرخ بالای دریافت تصویر نیاز دارند، از جمله تشخیص بلادرنگ و ارزیابی امواج شوک، میکروسیال ، MEMS و جراحی لیزر مفید است . [38]
اکثر ابزارهای مدرن راه حل های ساده ای را برای میکروعکاسی و ضبط تصویر الکترونیکی ارائه می دهند. با این حال چنین قابلیت هایی همیشه وجود ندارد و میکروسکوپ باتجربه تر ممکن است تصویر کشیده شده با دست را به عکس ترجیح دهد. این به این دلیل است که یک میکروسکوپ با دانش موضوع می تواند یک تصویر سه بعدی را با دقت به یک نقاشی دو بعدی دقیق تبدیل کند. با این حال، در یک عکس یا سایر سیستم های ثبت تصویر، تنها یک صفحه نازک همیشه فوکوس خوبی دارد. [ نیازمند منبع ]
ایجاد میکروگراف های دقیق نیاز به تکنیک میکروسکوپی با استفاده از چشمی تک چشمی دارد. ضروری است که هر دو چشم باز باشند و چشمی که زیر میکروسکوپ مشاهده نمیکند، در عوض روی یک صفحه کاغذ روی نیمکت در کنار میکروسکوپ متمرکز شود. با تمرین و بدون حرکت سر یا چشم، می توان با "دیدن" همزمان نقطه مداد در تصویر میکروسکوپی، اشکال مشاهده شده را به طور دقیق ردیابی کرد. [ نیازمند منبع ]
مشاهده با فوکوس میکروسکوپ همیشه کمتر خسته کننده است به طوری که تصویر در بی نهایت و با هر دو چشم باز همیشه دیده شود. [ نیازمند منبع ]
میکروسپکتروسکوپی: طیف سنجی با میکروسکوپ
از آنجایی که وضوح به طول موج نور بستگی دارد. میکروسکوپ الکترونی از دهه 1930 توسعه یافته است که به جای نور از پرتوهای الکترونی استفاده می کند. به دلیل طول موج بسیار کوچکتر پرتو الکترونی، وضوح بسیار بالاتر است.
اگرچه کمتر رایج است، میکروسکوپ اشعه ایکس نیز از اواخر دهه 1940 توسعه یافته است. وضوح میکروسکوپ اشعه ایکس بین میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی قرار دارد.
تا قبل از اختراع میکروسکوپ زیر پراش، طول موج نور وضوح میکروسکوپ سنتی را به حدود 0.2 میکرومتر محدود می کرد. به منظور دستیابی به وضوح بالاتر، استفاده از پرتوهای الکترونی با طول موج بسیار کمتر در میکروسکوپ های الکترونی استفاده می شود.
میکروسکوپ های الکترونی مجهز به طیف سنجی اشعه ایکس می توانند تجزیه و تحلیل عنصری کیفی و کمی را ارائه دهند. این نوع میکروسکوپ الکترونی که با نام میکروسکوپ الکترونی تحلیلی نیز شناخته میشود، میتواند ابزار بسیار قدرتمندی برای بررسی نانومواد باشد . [39]
این یک تکنیک زیر پراش است. نمونه هایی از میکروسکوپ های کاوشگر روبشی عبارتند از: میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ تونلی روبشی ، میکروسکوپ نیروی فوتونیک و میکروسکوپ ردیابی عود . همه این روشها از تماس فیزیکی یک نوک کاوشگر جامد برای اسکن سطح یک جسم استفاده میکنند که فرضاً تقریباً صاف است.
میکروسکوپ نیروی اولتراسونیک (UFM) به منظور بهبود جزئیات و کنتراست تصویر در مناطق "مسطح" مورد علاقه که در آن تصاویر AFM در کنتراست محدود هستند، توسعه یافته است. ترکیب AFM-UFM اجازه می دهد تا یک تصویر میکروسکوپی آکوستیک میدان نزدیک تولید شود. نوک AFM برای تشخیص امواج اولتراسونیک استفاده می شود و بر محدودیت طول موجی که در میکروسکوپ آکوستیک رخ می دهد غلبه می کند. با استفاده از تغییرات الاستیک زیر نوک AFM، می توان تصویری با جزئیات بسیار بیشتر از توپوگرافی AFM ایجاد کرد.
میکروسکوپ نیروی مافوق صوت امکان نگاشت محلی کشش را در میکروسکوپ نیروی اتمی با استفاده از ارتعاش اولتراسونیک به کنسول یا نمونه می دهد. برای تجزیه و تحلیل نتایج میکروسکوپ نیروی اولتراسونیک به روش کمی، یک اندازهگیری منحنی نیرو-فاصله با ارتعاش اولتراسونیک اعمال شده بر پایه کنسول انجام میشود و نتایج با مدلی از دینامیک کنسول و برهمکنش نوک-نمونه بر اساس تکنیک تفاضل محدود
میکروسکوپ های فرابنفش دو هدف اصلی دارند. اولین مورد استفاده از طول موج کوتاهتر انرژی الکترومغناطیسی فرابنفش برای بهبود وضوح تصویر فراتر از حد پراش میکروسکوپهای نوری استاندارد است. این تکنیک برای بازرسی غیر مخرب دستگاه هایی با ویژگی های بسیار کوچک مانند آنچه در نیمه هادی های مدرن وجود دارد استفاده می شود. دومین کاربرد میکروسکوپهای UV افزایش کنتراست است که در آن واکنش تک تک نمونهها نسبت به محیط اطرافشان به دلیل برهمکنش نور با مولکولهای درون نمونه افزایش مییابد. یک مثال در رشد کریستال های پروتئین است . کریستال های پروتئین در محلول های نمکی تشکیل می شوند. از آنجایی که کریستال های نمک و پروتئین هر دو در فرآیند رشد تشکیل می شوند و هر دو معمولاً برای چشم انسان شفاف هستند، نمی توان آنها را با میکروسکوپ نوری استاندارد متمایز کرد. از آنجایی که تریپتوفان پروتئین نور را در 280 نانومتر جذب میکند، تصویربرداری با میکروسکوپ UV با فیلترهای باند 280 نانومتری، تمایز بین این دو نوع کریستال را ساده میکند . کریستال های پروتئین تیره به نظر می رسند در حالی که کریستال های نمک شفاف هستند.
اصطلاح میکروسکوپ مادون قرمز به میکروسکوپی که در طول موج مادون قرمز انجام می شود اشاره دارد . در پیکربندی ابزار معمولی، یک طیفسنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) با یک میکروسکوپ نوری و یک آشکارساز مادون قرمز ترکیب میشود . آشکارساز مادون قرمز می تواند یک آشکارساز تک نقطه ای، یک آرایه خطی یا یک آرایه صفحه کانونی دو بعدی باشد. FTIR توانایی انجام آنالیز شیمیایی از طریق طیفسنجی فروسرخ را فراهم میکند و میکروسکوپ و آشکارساز نقطه یا آرایه این تجزیه و تحلیل شیمیایی را قادر میسازد که به صورت مکانی حل شود، یعنی در مناطق مختلف نمونه انجام شود. به این ترتیب، این تکنیک همچنین ریز طیفسنجی فروسرخ [40] [41] نامیده میشود. یک معماری جایگزین به نام تصویربرداری مستقیم مادون قرمز لیزری (LDIR) شامل ترکیبی از منبع نور مادون قرمز قابل تنظیم و آشکارساز تک نقطهای بر روی یک شی پرنده است. این تکنیک اغلب برای تصویربرداری شیمیایی مادون قرمز مورد استفاده قرار می گیرد ، جایی که کنتراست تصویر با پاسخ مناطق نمونه منفرد به طول موج های IR خاص انتخاب شده توسط کاربر، معمولاً نوارهای جذب IR خاص و رزونانس های مولکولی مرتبط تعیین می شود . یک محدودیت کلیدی میکروطیفسنجی مادون قرمز معمولی این است که وضوح فضایی محدود به پراش است . به طور خاص، تفکیک مکانی محدود به یک رقم مربوط به طول موج نور است. برای میکروسکوپ های IR عملی، تفکیک فضایی بسته به تکنیک و ابزار خاص مورد استفاده، به 1-3 برابر طول موج محدود می شود. برای طول موجهای متوسط IR، این محدودیت تفکیک فضایی عملی 3-30 میکرومتر را تعیین میکند.
نسخه IR میکروسکوپ زیر پراش نیز وجود دارد. [40] [41] اینها شامل میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک مادون قرمز (NSOM) ، [42] میکروسکوپ نوری گرمایی و طیف سنجی مادون قرمز مبتنی بر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM-IR) و همچنین میکروسکوپ نوری میدان نزدیک روبشی از نوع پراکندگی است. s-SNOM) [43] و نانو FTIR که وضوح فضایی در مقیاس نانو را در طول موجهای IR ارائه میکنند.
در میکروسکوپ هولوگرافی دیجیتال (DHM)، جبهههای امواج تداخلی از یک منبع نوری منسجم (تک رنگ) روی یک حسگر ثبت میشوند. تصویر به صورت دیجیتالی توسط کامپیوتر از هولوگرام ضبط شده بازسازی می شود . علاوه بر تصویر میدان روشن معمولی، یک تصویر تغییر فاز ایجاد می شود.
DHM می تواند هم در حالت بازتاب و هم در حالت انتقال کار کند. در حالت انعکاس، تصویر تغییر فاز یک اندازه گیری فاصله نسبی را ارائه می دهد و بنابراین نقشه توپوگرافی سطح بازتاب را نشان می دهد. در حالت انتقال، تصویر تغییر فاز یک اندازه گیری کمی بدون برچسب از ضخامت نوری نمونه ارائه می دهد. تصاویر تغییر فاز سلول های بیولوژیکی بسیار شبیه به تصاویر سلول های رنگ آمیزی شده است و با موفقیت توسط نرم افزار تجزیه و تحلیل محتوای بالا مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است .
ویژگی منحصر به فرد DHM قابلیت تنظیم فوکوس پس از ضبط تصویر است، زیرا همه سطوح فوکوس به طور همزمان توسط هولوگرام ضبط می شوند. این ویژگی امکان تصویربرداری از ذرات متحرک در حجم یا اسکن سریع یک سطح را فراهم می کند. یکی دیگر از ویژگی های جذاب، توانایی DHM در استفاده از اپتیک کم هزینه با اصلاح انحرافات نوری توسط نرم افزار است.
آسیب شناسی دیجیتال یک محیط اطلاعاتی مبتنی بر تصویر است که توسط فناوری رایانه فعال می شود و امکان مدیریت اطلاعات تولید شده از یک اسلاید دیجیتال را فراهم می کند. آسیب شناسی دیجیتال تا حدی توسط میکروسکوپ مجازی فعال می شود ، که عمل تبدیل اسلایدهای شیشه ای به اسلایدهای دیجیتالی قابل مشاهده، مدیریت و تجزیه و تحلیل است.
میکروسکوپ لیزری یک زمینه به سرعت در حال رشد است که از منابع نور لیزر در اشکال مختلف میکروسکوپ استفاده می کند. [44] برای مثال، میکروسکوپ لیزری متمرکز بر کاربردهای بیولوژیکی از لیزرهای پالس اولتراکوتاه ، در تعدادی از تکنیکها با عنوان میکروسکوپ غیرخطی، میکروسکوپ اشباع، و میکروسکوپ تحریک دو فوتونی استفاده میکند . [45]
لیزرهای پرتو ایکس آزمایشگاهی با شدت بالا و پالس کوتاه چندین سال است که در حال توسعه هستند. هنگامی که این فناوری به ثمر نشست، می توان تصاویر سه بعدی بزرگنمایی شده از ساختارهای زیستی ابتدایی در حالت زنده را در یک لحظه دقیقاً مشخص به دست آورد. برای کنتراست بهینه بین آب و پروتئین و برای بهترین حساسیت و وضوح، لیزر باید در نزدیکی خط نیتروژن در حدود 0.3 نانومتر تنظیم شود. وضوح عمدتاً توسط انبساط هیدرودینامیکی که هنگام ثبت تعداد لازم فوتون رخ می دهد محدود می شود. [46] بنابراین، در حالی که نمونه توسط نوردهی از بین میرود، میتوان پیکربندی آن را قبل از انفجار ثبت کرد. [47] [48] [49] [50] [51] [52] [ استنادهای بیش از حد ]
با وجود توسعه طولانی لیزر مناسب، دانشمندان روی طرحها و نمونههای اولیه میکروسکوپهای هولوگرافی اشعه ایکس کار کردهاند. [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [ استنادهای بیش از حد ]
یک تکنیک میکروسکوپی با تکیه بر اثر فوتوآکوستیک ، [61] ، یعنی تولید (اولترا)صدای ناشی از جذب نور. یک پرتو لیزر متمرکز و مدوله شده با شدت شطرنجی روی یک نمونه اسکن می شود. صدای تولید شده (اولترا) از طریق مبدل اولتراسوند تشخیص داده می شود. معمولاً از مبدل های اولتراسوند پیزوالکتریک استفاده می شود. [62]
کنتراست تصویر مربوط به ضریب جذب نمونه است . این بر خلاف میکروسکوپ میدان روشن یا تاریک است، که در آن کنتراست تصویر به دلیل عبور یا پراکندگی است. در اصل، کنتراست میکروسکوپ فلورسانس با جذب نمونه نیز متناسب است. با این حال، در میکروسکوپ فلورسانس، بازده کوانتومی فلورسانس باید نابرابر با صفر باشد تا بتوان یک سیگنال را تشخیص داد. با این حال، در میکروسکوپ فوتو آکوستیک، هر ماده جاذب یک سیگنال فوتوآکوستیک می دهد که متناسب با
در اینجا ضریب گرونایزن، انرژی فوتون لیزر و انرژی شکاف نواری نمونه است. بنابراین، میکروسکوپ فوتوآکوستیک به عنوان یک تکنیک مکمل برای میکروسکوپ فلورسانس مناسب به نظر میرسد، زیرا بازده کوانتومی فلورسانس بالا منجر به سیگنالهای فلورسانس بالا و بازده کوانتومی فلورسانس کم منجر به سیگنالهای فوتوآکوستیک بالا میشود.
با نادیده گرفتن اثرات غیر خطی، وضوح جانبی dx توسط حد پراش Abbe محدود می شود :
که در آن طول موج لیزر تحریک و NA دیافراگم عددی عدسی شیئی است. اگر جبهه موج ورودی موازی باشد، حد پراش آبه برقرار است. با این حال، در واقعیت، مشخصات پرتو لیزر گاوسی است. بنابراین، به منظور محاسبه تفکیک قابل دستیابی، باید از فرمول های تیرهای گاوسی کوتاه استفاده کرد. [63]
میکروسکوپ آماتور بررسی و مشاهده نمونه های بیولوژیکی و غیر زیستی برای اهداف تفریحی است. گردآورندگان مواد معدنی ، حشرات ، صدفها و گیاهان ممکن است از میکروسکوپ به عنوان ابزاری برای کشف ویژگیهایی استفاده کنند که به آنها در طبقهبندی اقلام جمعآوریشده کمک میکند. سایر آماتورها ممکن است علاقه مند به مشاهده حیات موجود در آب برکه و نمونه های دیگر باشند. میکروسکوپ ها همچنین ممکن است برای ارزیابی کیفیت آب برای افرادی که از آکواریوم خانگی نگهداری می کنند مفید باشد. مستندات عکاسی و ترسیم تصاویر میکروسکوپی لذت دیگری هستند. مسابقاتی برای هنر فوتومیکروگراف وجود دارد . شرکت کنندگان در این سرگرمی می توانند از اسلایدهای میکروسکوپی تهیه شده تجاری استفاده کنند یا اسلایدهای خود را تهیه کنند.
در حالی که میکروسکوپ یک ابزار اصلی در مستندسازی نمونههای بیولوژیکی است، اغلب برای توجیه توصیف یک گونه جدید بر اساس تحقیقات میکروسکوپی به تنهایی کافی نیست. اغلب آزمایشهای ژنتیکی و بیوشیمیایی برای تأیید کشف یک گونه جدید ضروری است. آزمایشگاه و دسترسی به ادبیات دانشگاهی یک ضرورت است. با این حال، یک مزیت وجود دارد که آماتورها بالاتر از حرفه ای ها دارند: زمان برای کشف محیط اطرافشان. اغلب، آماتورهای پیشرفته با متخصصان همکاری می کنند تا یافته های خود را تأیید کنند و احتمالاً گونه های جدید را توصیف کنند.
در اواخر دهه 1800، میکروسکوپ آماتور به یک سرگرمی محبوب در ایالات متحده و اروپا تبدیل شد. چندین "آماتور حرفه ای" برای سفرهای نمونه و اکتشافات میکروسکوپی خود توسط نیکوکاران پول می گرفتند تا آنها را در بعدازظهر یکشنبه سرگرم نگه دارند (مثلاً متخصص دیاتوم ها A. Grunow که توسط (در میان دیگران) یک صنعتگر بلژیکی حقوق می گرفت). پروفسور جان فین "نکات عملی در مورد انتخاب و استفاده از میکروسکوپ" (ویرایش دوم، 1878) را منتشر کرد و همچنین سردبیر "مجله میکروسکوپی آمریکایی" بود.
نمونه هایی از تصاویر میکروسکوپی آماتور:
میکروسکوپ در علوم پزشکی قانونی کاربرد دارد. [64] میکروسکوپ می تواند کوچکترین شواهد را تشخیص دهد، حل کند و تصویر کند، اغلب بدون هیچ گونه تغییر یا تخریب. میکروسکوپ برای شناسایی و مقایسه الیاف، مو، خاک و غبار و غیره استفاده می شود.
در علامت گذاری جوهر، لکه های خون یا گلوله ها، نیازی به درمان نمونه نیست و شواهد مستقیماً از بررسی میکروسکوپی نشان می دهد. برای آثاری از ماده خاص، آماده سازی نمونه باید قبل از انجام معاینه میکروسکوپی انجام شود. [ توضیح لازم است ]
میکروسکوپ های نوری بیشترین کاربرد را در پزشکی قانونی دارند، از فوتون ها برای تشکیل تصاویر استفاده می کنند، میکروسکوپ هایی که بیشترین کاربرد را برای بررسی نمونه های پزشکی قانونی دارند به شرح زیر است: [65]
1. میکروسکوپ مرکب
2. میکروسکوپ مقایسه
3. میکروسکوپ استریوسکوپی
4. میکروسکوپ پلاریزه
5. میکرو اسپکتروفتومتر
این تنوع در انواع میکروسکوپ ها در کاربردهای پزشکی قانونی عمدتاً از محدوده بزرگنمایی آنها ناشی می شود که به ترتیب (1-1200X)، (50-30000X) و (500-250000X) برای میکروسکوپ نوری، SEM و TEM می باشد. [65]
{{cite book}}
: |journal=
نادیده گرفته شد ( کمک )