Микроскоп

В I веке до нашей эры римляне экспериментировали с различными типами очков в форме линз. Они проверяют эффекты после применения различных форм и размеров. Они понимают, что посмотрев через стекло, предмет можно рассмотреть в большем размере и точнее. Так начинается долгая история микроскопов.

1590 Происхождение составного светового микроскопа оспаривается, но большинство исследователей предполагают, что первый был построен двумя голландскими производителями очков, Захариасом и Гансом Янссеном, примерно в 1590 году. Он состоял из трех выдвижных тубусов с двумя линзами внутри на двух концах: объектив. Образец фокусировался путем вдвигания и выдвигания трубок — так называемого телескопический механизм. Микроскоп Janssen имел десятикратное увеличение.

1632-1723 Антон ван Левенгук, голландец без академического образования, построил несколько сотен маленьких (1 х 2 дюйма) простых микроскопов, состоящих из двух металлических пластин с помещенной между ними двояковыпуклой линзой. Для работы с образцом использовались два винта: один регулировал расстояние между образцом и линзой, другой регулировал высоту образца. В зависимости от качества увеличения такого микроскопа они колебались в пределах 70-250х. Да и качество линз было блестящим для того времени — Левенгук освоил подготовку полировкой. В результате впервые удалось увидеть и описать бактерии и растения, изучить пульсирующую жизнь в капле воды и циркуляцию клеток крови в капиллярах.

XVII в. Роберт Гук, известный как английский отец микроскопии, усовершенствовал линзы Антона ван Левенгука, сделал копию его микроскопа, а затем усовершенствовал его конструкцию. Он сотрудничал с ученым Кристофером Коком, чтобы улучшить типичный «английский» трехногий микроскоп. Они как повысили устойчивость прибора за счет использования основания, составной частью которого был элемент, удерживающий образец, так и применили осветительные приборы. Оптические элементы представляют собой три линзы (в объективе, окуляре и тубусе микроскопа), которые в совокупности давали большие хроматические и сферические аберрации. Гук попытался ограничить его, поместив на оптическом пути небольшую диафрагму, которая должна была пропускать только центральные лучи светового луча, но получать темные изображения с большим количеством дифракционных артефактов. Кроме того, механизм фокусировки света был неэффективен и быстро изнашивался. Тем не менее, этот микроскоп приобрел большую популярность. Он был распространен благодаря описанию Гука в первой работе по микроскопии «Микрограф». Что еще более важно, это сделало возможным первое великое открытие в истории клеточной биологии. В 1665 году Гук увидел и описал структуру пробки и ввел термин «клетка» для описания маленьких кирпичиков, из которых состоит пробка.

1750 Британец Джон Кафф инициирует новую технику изготовления оптических микроскопов, устанавливая определенный стандарт дизайна и внешнего вида этого устройства на долгие годы.

1826 Ахроматические линзы (сочетание разных видов стекол) были впервые применены в телескопах в середине 1826 века, но первые попытки их применения в микроскопах оказались безуспешными из-за низкого качества стекла, использованного в их конструкции. Достижения в этой области и искусство комбинирования компонентов линз с канадским бальзамом привели к созданию первого микроскопа с ахроматическими линзами Джозефом Джексоном Листером и Уильямом Талли в 1830 году. В XNUMX году Листер опубликовал теоретические основы создания линз такого типа. Затем эти идеи были использованы другими конструкторами микроскопов.

1893 Публикация в немецкой научной печати описания метода освещения препарата Августом Кёлером. Это улучшило качество изображения и позволило в полной мере использовать разрешение новых объективов. Все благодаря тому принципу, что критическим моментом в получении наилучшего изображения в световом микроскопе является правильное выравнивание оптического пути. Использование двух диафрагм (полевой и апертурной) позволило равномерно настроить освещение, получить яркое изображение без засветок и минимального нагрева препарата.

1897 Джозеф Джон Томсон впервые наблюдал электроны, став их первооткрывателем. На основании результатов исследований свойств катодного излучения он сделал вывод, что излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, испускаемых в вакуумной трубке (электронной трубке) нагретым катодом.

1903 Артур Венельт экспериментально демонстрирует возможность фокусировки электронного луча через электрическое/магнитное поле. Он показывает, что ускоренные электроны в вакууме сохраняют свойства длины волны примерно в сто тысяч раз короче видимого света. Кроме того, оказалось, что электромагнитное поле можно использовать для формирования электронного луча — аналогично линзам для искривления и фокусировки светового луча в классической оптике. Эти открытия заложили основу для широкого спектра методов исследования, известных под общим названием «электронная микроскопия».

1926 Ганс Буш показывает, что магнитные катушки могут фокусировать электронный луч так же, как стеклянные линзы для света.

1931 Эрнст Руска строит первый просвечивающий электронный микроскоп. Его концепция основывалась на конструкции классического рентгеновского (просвечивающего) оптического микроскопа и представляла собой практическое доказательство корпускулярно-волнового дуализма. Спустя три года Руска с помощью трех электромагнитных линз добился разрешения 100 нм (т.е. в два раза лучше, чем у классического оптического микроскопа).

1935 Немецкий инженер-электрик Макс Кнолл (1897-1969) получает первое изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM (6).

1941 Альберт Кунс впервые использует флуоресцентно меченные антитела для обнаружения клеточных антигенов. Некоторые флуоресцентные красители обладают сродством к определенным структурам клетки (ядру, митохондриям) — это позволяет изучать количество, распределение и структуру клеток и отслеживать их судьбу, например, во время деления. Флуоресцентная микроскопия начинает развиваться с использованием присутствующих в клетках естественно или искусственно введенных флуорофоров, которые при возбуждении светом соответствующей длины волны излучают свет большей длины волны.

1941 Немецкий завод Zeiss строит несколько прототипов фазово-контрастных микроскопов, основываясь на достижениях предыдущих исследований принципа фазового контраста, т.е. прямого преобразования фазовых изменений световой волны в испытуемом препарате в изменения интенсивности света в исследуемом препарате. микроскопическое изображение этого препарата. Это сделало возможным просмотр прозрачных предметных стекол — необходимость в окрашивании клеток отпала. Таким образом, появилась возможность наблюдать за процессами, происходящими в живых клетках — например, в фазово-контрастном микроскопе впервые был снят митоз (деление клеток).

1955 Ежи Номарски ввел метод под названием ДИК (интерференция Номарского), согласно которому различия в плотности препарата преобразуются в трехмерные структуры. Подобно фазовому контрасту, он позволял изучать неокрашенные клетки и так называемые препаратов in vivo, дополнительно предоставляя возможность тестирования относительно густых препаратов.

1961 Марвин Мински запатентовал основы конфокальной визуализации. Это послужило основой для развития в последующие годы конфокальной микроскопии (7) — типа световой микроскопии, характеризующегося повышенным контрастом и разрешением. Он использовался для получения изображений высокого качества и для реконструкции изображений в трех измерениях.

1965 Первая коммерческая версия сканирующего электронного микроскопа разработана Чарльзом Оутли и его учеником Гэри Стюартом. Устройство рекламировалось компанией Cambridge Instrument Company под названием «Stereoscan».

1982 Появляются микроскопы со сканирующим зондом. Первым был сканирующий туннельный микроскоп СТМ (8), разработанный Гердом Биннигом и Генрихом Рорером — учеными из Цюриха. Благодаря ему получают трехмерное изображение структур, состоящих из отдельных атомов. Позже было разработано множество вариантов этого микроскопа, позволяющих рассматривать вещество в нанометровом масштабе. Новой особенностью микроскопа СТМ была его способность не только наблюдать за атомами, но и манипулировать ими.

1986 Кэлвин Ф. Куэйт и Кристоф Гербер создают первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) — тип сканирующего зондового устройства (СЗМ). Позволяет получить изображение поверхности с разрешающей способностью порядка размеров отдельного атома, благодаря использованию сил межатомных взаимодействий, проводя лезвием над или под поверхностью образца (9) .

1999 Еще в конце 200 века считалось, что оптические микроскопы никогда не смогут различать детали размером менее 10 нм. Первый флуоресцентный микроскоп STED сверхвысокого разрешения (2014), преодолевший это ограничение, был построен Стефаном В. Хеллом из Института Макса Планка в Геттингене. Флуоресцентный микроскоп — световой микроскоп, применяемый при изучении органических и неорганических веществ, действие которого основано на явлениях флуоресценции и фосфоресценции, а не на явлениях отражения и поглощения света или вместе с ними. В 0,2 году Нобелевская премия по химии была присуждена за разработку методов флуоресцентной микроскопии с разрешением XNUMX мкм. Он достался трем ученым: Эрику Бетцигу из исследовательского института Джанелия Фарм и Университета Говарда Хьюза в США, Уильяму Мёрнеру из Стэнфордского университета в американском штате Калифорния и Стефану У. Хеллу.

2013 Ученые из Венского института молекулярной патологии (IMP) и Венского технического университета разработали новую методику трехмерной микроскопии, не требующую «глубинного» сканирования наблюдаемых объектов. Он основан на обнаружении света от флуоресцентных маркеров, которыми покрыт наблюдаемый образец. Метод достаточно прост, поскольку заключается в излучении света в определенных диапазонах длин волн и обнаружении распределения флуоресцентной «краски» на поверхности, например, живых клеток. Разрешение изображения в таком микроскопе достигает 3 нм.

квенцень 2015 Исследователи из Окриджской национальной лаборатории США разработали новую систему для тестирования материалов и их поверхностей на микромасштабах. Они сочетают известную с некоторых пор технологию атомно-силовой микроскопии с другими методами исследования, благодаря чему получают три слоя наблюдения — трехмерное изображение топографии поверхности материала, данные о поведении атомов вблизи поверхности и химические данные о субстрат. Ученые

2015 июля Исследователи из США и Австралии разработали мультиспектральный микроскоп, способный обрабатывать семнадцать миллиардов пикселей в тринадцати цветовых каналах. Такое огромное — по сравнению с предыдущими устройствами этого типа — разрешение было достигнуто благодаря установке большого количества микролинз. Мультиспектральная визуализация используется в современной медицине не только для получения цветных фотографий микромира, но и для обнаружения химических процессов, стоящих за цветами. Упомянутые выше микролинзы служат, с одной стороны, для фокусировки лазерного луча на небольшой точке исследуемого образца. Лазерный свет вызывает флуоресценцию фрагмента образца размером в доли миллиметра в диапазоне длин волн, зависящем от химического состава. Флуоресцентный свет, в свою очередь, улавливается микролинзой, которая передает захваченное изображение на компьютер, где меньшие изображения собираются в большое изображение с высоким разрешением.