Zemu izmaksu fluorescences un spilgta lauka mikroskopa dizains
Fluorescences mikroskopija ir metode, ko izmanto, lai vizualizētu
Šajā rokasgrāmatā es apskatīšu fluorescences mikroskopijas pamatus un to, kā izveidot trīs dažādus zemu izmaksu fluorescences mikroskopus. Šīs sistēmas parasti maksā tūkstošiem dolāru, taču pēdējā laikā ir veikti daži centieni padarīt tās pieejamākas. Šeit piedāvātajos dizainparaugos tiek izmantots viedtālrunis, dSLR un USB mikroskops. Visas šīs konstrukcijas var izmantot arī kā spilgti lauka mikroskopus.
1. darbība: fluorescences mikroskopijas pārskats
Lai saprastu fluorescences mikroskopijas pamatjēdzienus, iedomājieties blīvu mežu naktī ar kokiem, dzīvniekiem, krūmiem un citiem dzīviem mežiem. Ja mežā spīdināsit lāpu, jūs redzēsit visas šīs struktūras un jums būs grūti vizualizēt konkrētus dzīvniekus vai augus. Pieņemsim, ka jūs interesē tikai redzēt melleņu krūmus mežā. Lai to izdarītu, jūs apmācāt ugunskuru piesaistīt tikai melleņu krūmiem, lai, skatoties uz mežu, iedegtos tikai melleņu krūmi. Varētu teikt, ka tu ar ugunskuriem iezīmē melleņu krūmus, lai mežā varētu redzēt melleņu struktūras.
Šajā analoģijā mežs attēlo visu paraugu, melleņu krūmi attēlo struktūras, kuras vēlaties vizualizēt (piemēram, konkrētas šūnas vai subcelulāras organellas), un ugunspuķes ir fluorescējoši savienojumi. Lāpas apgaismošana vienatnē bez ugunskuriem ir līdzīga spilgta lauka mikroskopijai.
Nākamais solis ir izprast fluorescējošu savienojumu (pazīstami arī kā fluorofori) pamatfunkciju. Fluorofori patiesībā ir mazi objekti (nanomēroga), kas paredzēti, lai savienotu konkrētas struktūras paraugā. Tie absorbē šauru gaismas viļņu garumu diapazonu un atkārtoti izstaro citu gaismas viļņa garumu. Piemēram, fluorofors var absorbēt zilo gaismu (ti, fluoroforu ierosina zilā gaisma) un pēc tam atkārtoti izstarot zaļo gaismu. To parasti apkopo ierosmes un emisijas spektros (iepriekš). Šīs diagrammas parāda fluorofora absorbētās gaismas viļņa garumu un fluorofora izstarotās gaismas viļņa garumu.
Mikroskopa dizains ir ļoti līdzīgs parastam spilgtā lauka mikroskopa dizainam ar divām galvenajām atšķirībām. Pirmkārt, gaismai, kas apgaismo paraugu, jābūt tādā viļņa garumā, kas ierosina fluoroforu (iepriekš minētajā piemērā gaisma ir zila). Otrkārt, mikroskopam ir jāsavāc tikai izstarotā gaisma (zaļā gaisma), vienlaikus bloķējot zilo gaismu. Tas ir tāpēc, ka zilā gaisma ir visur, bet zaļā gaisma nāk tikai no konkrētām parauga struktūrām. Lai bloķētu zilo gaismu, mikroskopiem parasti ir kaut kas, ko sauc par garās caurlaidības filtru, kas ļauj zaļajai gaismai iziet cauri bez zilas gaismas. Katram garās caurlaides filtram ir noteikts viļņa garums. Ja gaismas viļņa garums ir garāks par robežviļņa garumu, tā var iziet cauri filtram. Līdz ar to nosaukums "garā caurlaide". Īsāki viļņu garumi ir bloķēti.
2. solis: Mikroskopa modelēšana ar optisko optiku
Šis ir papildu solis mikroskopa projektēšanas pamatprincipiem. Nav nepieciešams izveidot fluorescences mikroskopu, tāpēc varat to izlaist, ja nevēlaties iedziļināties optikā.
Gan spilgtā lauka, gan fluorescences mikroskopus var modelēt, izmantojot staru optiku. Staru optikas pamatprincips ir tāds, ka gaisma darbojas līdzīgi gaismai, kas virzās prom no gaismas avota. Skatoties telpā, jūs redzat gaismu no saules gaismas ārpus loga vai no spuldzes. Pēc tam gaismu absorbē vai atstaro telpā esošie objekti. Daļa atstarotās gaismas liek tai novirzīt uz jūsu acīm. Ja objekts ir izgaismots, varat iedomāties, ka katrs objekta punkts izstaro gaismu visos virzienos (iepriekš). Lēca, tāpat kā lēca mūsu acīs, fokusē gaismu uz punktu, lai mēs varētu redzēt objektu. Bez objektīva gaisma turpina virzīties uz āru un neveido attēlu.
Tātad, kā izveidot optiskās sistēmas, kas palielina mazus objektus? Lai saprastu dizainu, jums patiešām jāzina tikai divi vienādojumi: plānā objektīva attēlveidošanas un palielinājuma vienādojumi:
1/F=1/SI + 1/So
M=-si/so
f ir objektīva fokusa attālums. Īsāks fokusa attālums nozīmē, ka objektīvam ir lielāka fokusēšanas jauda.
Tas pats attiecas uz objekta attālumu; attālums starp objektīvu un objektu (piemēram, koku).
si ir attēla attālums; attālums starp objektīvu un attēla veidošanas vietu
M ir palielinājums; cik liels ir attēls attiecībā pret objektu. Mikroskopiem mēs vēlamies palielināt palielinājumu.
Lai iegūtu pilnu pamācību par plānās lēcas vienādojumu, skatiet šo Khan Academia video. Iepriekš redzamajā gifā var redzēt, ka attālums, kādā objekts virzās tuvāk objektīvam, palielina attēla attālumu, kas palielina palielinājumu. Vertikālā līnija ar divām bultiņām norāda uz objektīvu.
