Χαμηλού κόστους σχεδιασμός μικροσκοπίου φθορισμού και φωτεινού πεδίου
Σε αυτόν τον οδηγό, θα εξετάσω τις βασικές αρχές της μικροσκοπίας φθορισμού και τον τρόπο κατασκευής τριών διαφορετικών μικροσκοπίων φθορισμού χαμηλού κόστους. Αυτά τα συστήματα κοστίζουν συνήθως χιλιάδες δολάρια, αλλά οι πρόσφατες προσπάθειες έχουν διευκολύνει την απόκτησή τους. Ο σχεδιασμός που παρουσιάζω εδώ χρησιμοποιεί smartphone, dSLR και μικροσκόπια USB. Όλα αυτά τα σχέδια μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως μικροσκόπια ανοιχτού πεδίου.
Βήμα 1: Επισκόπηση της μικροσκοπίας φθορισμού
Για να κατανοήσετε τις βασικές έννοιες της μικροσκοπίας φθορισμού, φανταστείτε τα πυκνά δάση, τα δέντρα, τα ζώα, τους θάμνους και άλλα δάση που ζουν στο δάσος τη νύχτα. Εάν ρίξετε έναν φακό στο δάσος, θα δείτε όλες αυτές τις κατασκευές και είναι δύσκολο να φανταστείτε συγκεκριμένα ζώα ή φυτά. Υποθέτοντας ότι σας ενδιαφέρει μόνο να δείτε θάμνους βατόμουρου στο δάσος. Για να το πετύχετε αυτό, πρέπει να εκπαιδεύσετε τις πυγολαμπίδες να έλκονται μόνο από θάμνους βατόμουρου, έτσι ώστε όταν κοιτάζετε το δάσος, να ανάβουν μόνο θάμνοι βατόμουρου. Μπορείτε να πείτε ότι σημειώσατε τους θάμνους των βατόμουρων με πυγολαμπίδες, ώστε να μπορείτε να δείτε τις δομές βατόμουρου στο δάσος.
Σε αυτήν την αναλογία, το δάσος αντιπροσωπεύει ολόκληρο το δείγμα, ο θάμνος βατόμουρου αντιπροσωπεύει τη δομή που θέλετε να οπτικοποιήσετε (όπως συγκεκριμένα κύτταρα ή υποκυτταρικά οργανίδια) και οι πυγολαμπίδες είναι φθορίζουσες ενώσεις. Η κατάσταση της λήψης ενός φακού μόνος χωρίς πυγολαμπίδες είναι παρόμοια με ένα μικροσκόπιο φωτεινού πεδίου.
Το επόμενο βήμα είναι να κατανοήσουμε τις βασικές λειτουργίες των φθοριζόντων ενώσεων (γνωστές και ως φθοροφόρα). Τα συμπλέγματα φθορισμού είναι στην πραγματικότητα μικρά αντικείμενα (νανοκλίμακα) που έχουν σχεδιαστεί για να συνδέουν συγκεκριμένες δομές στο δείγμα. Απορροφούν φως στενού εύρους μηκών κύματος και εκπέμπουν ξανά φως άλλου μήκους κύματος. Για παράδειγμα, μια ομάδα φθορισμού μπορεί να απορροφήσει μπλε φως (δηλαδή η ομάδα φθορισμού διεγείρεται από το μπλε φως) και μετά να εκπέμψει ξανά πράσινο φως. Συνήθως, αυτό συνοψίζεται μέσω των φασμάτων διέγερσης και εκπομπής (όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα). Αυτά τα γραφήματα δείχνουν τα μήκη κύματος του φωτός που απορροφάται από το φθοροφόρο και τα μήκη κύματος του φωτός που εκπέμπεται από το φθοροφόρο.
Ο σχεδιασμός του μικροσκοπίου μοιάζει πολύ με αυτόν ενός κανονικού μικροσκοπίου ανοιχτού πεδίου, με δύο βασικές διαφορές. Πρώτον, το φως που φωτίζει το δείγμα πρέπει να είναι στο μήκος κύματος της διεγερμένης ομάδας φθορισμού (για το παραπάνω παράδειγμα, το φως είναι μπλε). Δεύτερον, το μικροσκόπιο χρειάζεται μόνο να συλλέγει το εκπεμπόμενο φως (πράσινο φως) ενώ μπλοκάρει το μπλε φως. Αυτό συμβαίνει επειδή το μπλε φως είναι παντού, αλλά το πράσινο φως προέρχεται μόνο από συγκεκριμένες δομές στο δείγμα. Για να μπλοκάρουν το μπλε φως, τα μικροσκόπια έχουν συνήθως κάτι που ονομάζεται φίλτρο μακράς διέλευσης που επιτρέπει στο πράσινο φως να περάσει χωρίς μπλε φως. Κάθε μακροπερατό φίλτρο έχει ένα μήκος κύματος αποκοπής. Εάν το μήκος κύματος του φωτός είναι μεγαλύτερο από το μήκος κύματος αποκοπής, μπορεί να περάσει μέσα από ένα φίλτρο. Ως εκ τούτου, το όνομα είναι "Long Distance Pass". Τα μικρότερα μήκη κύματος μπλοκάρονται.
Βήμα 2: Μοντελοποίηση μικροσκοπίου χρησιμοποιώντας οπτική οπτική
Αυτό είναι ένα επιπλέον βήμα στο σχεδιασμό της βασικής αρχής ενός μικροσκοπίου. Δεν χρειάζεται να φτιάξετε ένα μικροσκόπιο φθορισμού, οπότε αν δεν θέλετε να εμβαθύνετε στην οπτική, μπορείτε να το παραλείψετε.
Τόσο τα μικροσκόπια φωτεινού πεδίου όσο και τα μικροσκόπια φθορισμού μπορούν να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας οπτικές συσκευές ακτίνων. Η βασική προϋπόθεση της οπτικής ακτίνων είναι ότι η συμπεριφορά του φωτός είναι παρόμοια με εκείνη του φωτός που διαδίδεται μακριά από μια πηγή φωτός. Όταν κοιτάξετε γύρω από το δωμάτιο, θα δείτε το φως του ήλιου έξω από το παράθυρο ή το φως που φέρνει ο λαμπτήρας. Στη συνέχεια, το φως απορροφάται ή αντανακλάται από αντικείμενα στο δωμάτιο. Κάποιο ανακλώμενο φως θα το κάνει να βλέπει τα μάτια σας. Εάν ένα αντικείμενο είναι φωτισμένο, μπορείτε να φανταστείτε κάθε σημείο του αντικειμένου να εκπέμπει φως προς όλες τις κατευθύνσεις (όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα). Ο φακός, όπως και ο φακός στα μάτια μας, εστιάζει το φως σε ένα σημείο ώστε να μπορούμε να δούμε το αντικείμενο. Χωρίς φακό, το φως συνεχίζει να διαδίδεται προς τα έξω και δεν σχηματίζει εικόνα.
