Χαμηλού κόστους σχεδιασμός μικροσκοπίου φθορισμού και φωτεινού πεδίου
Η μικροσκοπία φθορισμού είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για την απεικόνιση του
Σε αυτόν τον οδηγό, θα εξετάσω τα βασικά της μικροσκοπίας φθορισμού και τον τρόπο κατασκευής τριών διαφορετικών μικροσκοπίων φθορισμού χαμηλού κόστους. Αυτά τα συστήματα κοστίζουν συνήθως χιλιάδες δολάρια, αλλά έχουν γίνει κάποιες πρόσφατες προσπάθειες για να γίνουν πιο προσιτά. Τα σχέδια που παρουσιάζω εδώ χρησιμοποιούν smartphone, dSLR και μικροσκόπιο USB. Όλα αυτά τα σχέδια μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως μικροσκόπια φωτεινού πεδίου.
Βήμα 1: Επισκόπηση της μικροσκοπίας φθορισμού
Για να κατανοήσετε τις βασικές έννοιες της μικροσκοπίας φθορισμού, φανταστείτε ένα πυκνό δάσος τη νύχτα, με δέντρα, ζώα, θάμνους και άλλα ζωντανά δάση. Εάν ρίξετε μια δάδα μέσα στο δάσος, θα δείτε όλες αυτές τις δομές και θα δυσκολευτείτε να οπτικοποιήσετε συγκεκριμένα ζώα ή φυτά. Ας υποθέσουμε ότι σας ενδιαφέρει μόνο να δείτε θάμνους βατόμουρου στο δάσος. Για να το κάνετε αυτό, εκπαιδεύετε την πυγολαμπίδα να έλκεται μόνο από θάμνους βατόμουρου, έτσι ώστε όταν κοιτάζετε το δάσος να ανάβουν μόνο οι θάμνοι των βατόμουρων. Θα μπορούσατε να πείτε ότι χρησιμοποιείτε πυγολαμπίδες για να σημειώσετε θάμνους βατόμουρου έτσι ώστε να μπορείτε να δείτε δομές βατόμουρου στο δάσος.
Σε αυτήν την αναλογία, το δάσος αντιπροσωπεύει ολόκληρο το δείγμα, οι θάμνοι βατόμουρου αντιπροσωπεύουν τις δομές που θέλετε να οπτικοποιήσετε (π.χ. συγκεκριμένα κύτταρα ή υποκυτταρικά οργανίδια) και οι πυγολαμπίδες είναι φθορίζουσες ενώσεις. Το άναμμα του φακού μόνο του χωρίς τις πυγολαμπίδες είναι παρόμοιο με τη μικροσκοπία φωτεινού πεδίου.
Το επόμενο βήμα είναι να κατανοήσουμε τη βασική λειτουργία των φθοριζόντων ενώσεων (γνωστών και ως φθοροφόρων). Τα φθοροφόρα είναι στην πραγματικότητα μικρά αντικείμενα (νανοκλίμακα) που έχουν σχεδιαστεί για να συνδέουν συγκεκριμένες δομές σε ένα δείγμα. Απορροφούν ένα στενό εύρος μηκών κύματος φωτός και εκπέμπουν ξανά ένα άλλο μήκος κύματος φωτός. Για παράδειγμα, ένα φθοροφόρο μπορεί να απορροφήσει μπλε φως (δηλαδή το φθοροφόρο διεγείρεται από το μπλε φως) και στη συνέχεια να εκπέμπει ξανά πράσινο φως. Αυτό συνήθως συνοψίζεται από τα φάσματα διέγερσης και εκπομπής (παραπάνω). Αυτά τα διαγράμματα δείχνουν το μήκος κύματος του φωτός που απορροφάται από το φθοροφόρο και το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται από το φθοροφόρο.
Ο σχεδιασμός του μικροσκοπίου είναι πολύ παρόμοιος με αυτόν ενός κανονικού μικροσκοπίου φωτεινού πεδίου, με δύο κύριες διαφορές. Πρώτον, το φως που φωτίζει το δείγμα πρέπει να είναι στο μήκος κύματος που διεγείρει το φθοροφόρο (για το παραπάνω παράδειγμα, το φως είναι μπλε). Δεύτερον, το μικροσκόπιο χρειάζεται μόνο να συλλέξει 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 αφήνει το πράσινο φως να περάσει χωρίς μπλε φως. Κάθε μακροπερατό φίλτρο έχει ένα μήκος κύματος αποκοπής. Εάν το φως έχει μήκος κύματος μεγαλύτερο από το μήκος κύματος αποκοπής, μπορεί να περάσει μέσα από το φίλτρο. Εξ ου και το όνομα, "μακριά πάσα". Τα μικρότερα μήκη κύματος μπλοκάρονται.
Βήμα 2: Μοντελοποίηση του μικροσκοπίου με οπτική οπτική
Αυτό είναι ένα επιπλέον βήμα στις βασικές αρχές του σχεδιασμού μικροσκοπίου. Δεν χρειάζεται να φτιάξετε ένα μικροσκόπιο φθορισμού, επομένως μπορείτε να το παραλείψετε εάν δεν θέλετε να εμβαθύνετε στην οπτική.
Τόσο τα μικροσκόπια φωτεινού πεδίου όσο και τα μικροσκόπια φθορισμού μπορούν να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας οπτικές ακτίνες. Η βασική προϋπόθεση της οπτικής ακτίνων είναι ότι το φως συμπεριφέρεται παρόμοια με το φως που ταξιδεύει μακριά από μια πηγή φωτός. Όταν κοιτάζετε γύρω από ένα δωμάτιο, βλέπετε φως από το φως του ήλιου έξω από ένα παράθυρο ή από μια λάμπα. Το φως στη συνέχεια απορροφάται ή αντανακλάται από αντικείμενα στο δωμάτιο. Κάποιο από το ανακλώμενο φως το κάνει να κατευθυνθεί προς τα μάτια σας. Εάν το αντικείμενο είναι φωτισμένο, μπορείτε να φανταστείτε κάθε σημείο του αντικειμένου να εκπέμπει φως προς όλες τις κατευθύνσεις (παραπάνω). 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 ταξιδεύει προς τα έξω και δεν σχηματίζει εικόνα.
Πώς λοιπόν φτιάχνουμε οπτικά συστήματα που μεγεθύνουν μικρά αντικείμενα; Για να κατανοήσετε το σχέδιο, χρειάζεται πραγματικά να γνωρίζετε μόνο δύο εξισώσεις: τις εξισώσεις απεικόνισης λεπτού φακού και μεγέθυνσης:
1/f=1/si + 1/so
M=-si/so
f είναι η εστιακή απόσταση του φακού. Μια μικρότερη εστιακή απόσταση σημαίνει ότι ο φακός έχει μεγαλύτερη ισχύ εστίασης.
Το ίδιο ισχύει για την απόσταση αντικειμένων. την απόσταση μεταξύ του φακού και του αντικειμένου (π.χ. δέντρο).
si είναι η απόσταση της εικόνας. την απόσταση μεταξύ του φακού και του σημείου που σχηματίζεται η εικόνα
Το M είναι η μεγέθυνση. πόσο μεγάλη είναι η εικόνα σε σχέση με το αντικείμενο. Για τα μικροσκόπια, θέλουμε να αυξήσουμε τη μεγέθυνση.
Για ένα πλήρες σεμινάριο σχετικά με την εξίσωση του λεπτού φακού, ρίξτε μια ματιά σε αυτό το βίντεο του Khan Academia. Στο παραπάνω gif, μπορείτε να δείτε ότι η απόσταση που το αντικείμενο κινείται πιο κοντά στον φακό αυξάνει την απόσταση της εικόνας, γεγονός που αυξάνει τη μεγέθυνση. Η κάθετη γραμμή με δύο βέλη δείχνει τον φακό.
