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熱門關(guān)鍵詞: 激光共聚焦顯微鏡VSPI 工業(yè)視頻顯微鏡WY-OL01 三目倒置金相顯微鏡WYJ-4XC-Ⅱ 三目倒置金相顯微鏡WYJ-4XC
17自從列文虎克**次看到活細胞以來,顯微成像技術(shù)已經(jīng)成為生物學領(lǐng)域的重要工具。
橙色球就是這次的新冠肺炎
從組織、細胞、細胞器到細胞蛋白,人類在科學道路上仍在尋找,對顯微技術(shù)的要求也越來越高。
不幸的是,光學顯微鏡通過簡單的研磨鏡片制作已經(jīng)不能滿足需求,科學家們看到了新型冠狀病毒(以下簡稱COVID-19)工具不是光學顯微鏡。
本文將首先解釋光學顯微鏡的困境,然后介紹兩種可以看到的方法COVID-19的顯微鏡。
光學顯微鏡
光路是黃色的
通過透鏡和小孔,光源出來的光攜帶樣品信息會在這些地方發(fā)生 衍射。
比如經(jīng)過小孔時,一束平行光應被視為一列密集的點光源(下圖單縫處),點光源發(fā)出的球面波相互疊加后會出現(xiàn)明暗交替的同心圓環(huán)( 艾里斑,下圖右上)。
這個過程類似于水波通過狹窄的縫隙反映光的波動性。
雙縫衍射水波
如果我們想在顯微鏡下認出它COVID-19,一束光不夠。至少要看病毒和周圍環(huán)境的界面。
假如COVID-19在顯微鏡光路衍射后,會形成兩個艾里斑,如果它們太近,就無法區(qū)分病毒和環(huán)境之間的差異。
原則上,包括光學顯微鏡在內(nèi)的任何顯微鏡,COVID-19與環(huán)境的距離小到一定程度后就無法區(qū)分了。這個距離可以用阿貝公式數(shù)字化解釋:
如果你想讓顯微鏡識別更近的兩點,你要縮小它們Δx。
考慮照明光波長(λ)在人眼可辨范圍內(nèi)(400-760nm),所以要讓Δx更大,λ更小是400nm左右。
n它是光路介質(zhì)的折射率。一般來說,空氣n=1。另外,α是入射光角,理想是90°,這對任何顯微鏡都是一樣的,盡管它永遠不會達到理想的情況。帶入阿貝公式計算,Δx更大值約為200nm。
考慮到病毒的直徑100nm左右,200nm分辨率肯定看不清楚。
阿貝公式告訴我們,我們想減少它Δx(增加分辨率)有兩種方法,一種是將病毒轉(zhuǎn)移到透鏡之間的介質(zhì)折射率n減是減少光的波長。
更容易實現(xiàn)的就是把n有一種顯微技術(shù)叫做油浸物鏡。以折射率較高的油作為傳光介質(zhì),可以使用n提高到1.4因此,普通光學顯微鏡和油浸物鏡的配合可以將分辨率提高到約150nm。
即使分辨率達到了,這個分辨率還遠遠不夠100nm,只能說勉強能判斷病毒兩端的點,具體想看看病毒長什么樣,分辨率不到5nm想都別想。
因此,我們應該走另一條不同于降低折射率的道路:使用波長較短的光源。
考慮到普通光學顯微鏡使用光子,自然會考慮是否可以用短波長光子代替可見光,然后用傳感器收集光信號代替人眼觀察。
X例如,射線波長足夠小Cu-Kα射線可以達到0.15個nm,可見光直接使用400nm三個數(shù)量級下降,分辨率自然大大提高。然而,這太理想化了。
實際上,X光源強度往往不夠大,傳感器無法測量足夠的數(shù)據(jù),X射線光子難以聚焦,精確分析是幻想。
有趣的是,從 ** 5年倫琴用X射線開始拍攝各種物體,科學家們絞盡腦汁思考X當光源顯示微鏡時,射線。
左:倫琴妻子的手,右:倫琴
但是,直到它的競爭對手(本文的主角,拍攝COVID-19病毒)獲得諾貝爾獎,X由于同步輻射光源、高性能檢測器和高性能檢測器,射線顯微鏡才真正制造出來。Fresnel使用波帶片。
大活人還能憋死尿嗎?X當時的科學家干脆放棄用光子作為光源!
電子顯微鏡
由于需要短波長的光源,因此更好使用電子。短波電子很容易獲得,只需給出足夠大的加速電壓。動能上升后,根據(jù)德布羅的意義,波長較短。
它們的波長甚至可以達到0.1nm電子顯微鏡的分辨率也可以達到幾個水平nm,有足夠的分辨率觀察病毒。
電子槍原理
與聚光子相比,聚電子更容易。與光學玻璃鏡頭相比,電子顯微鏡使用的鏡頭是電磁鏡頭,其原理也非常簡單。移動電子將由磁場控制,磁場由電線圈創(chuàng)建,大小和方向可控。
此外,考慮到電子粒子性強,需要在整個光路上保持真空環(huán)境,否則電子束流不集中。這也更容易實現(xiàn)。具體來說,人造真空的科學:從浴室拔罐到芯片光刻機
更后,這些電子產(chǎn)品與樣品相互作用后,會攜帶樣品信息,用傳感器收集放大信號,分析后就可以得到樣品的外觀。剛才的問號圖其實是電鏡。
短波長電子顯示出明顯的粒子性。電子槍發(fā)出的電子通過電磁透鏡聚集在一起,然后擊中樣品。這些電子和樣品有兩種方式:一種是原路返回,另一種是傲慢的穿越。這兩個原理對應于兩個電鏡。
掃描電子顯微鏡(SEM)
主要有兩種電子:背散射線和二次電子。收集和放大這兩種電子信號,即SEM成像原理。
背散射電子是指固體樣品原子反射的部分入射電子,對樣品成分敏感,如元素類型。
二 二級電子是指被入射電子轟擊的核外電子,對病毒與環(huán)境的差異等樣品表面形狀敏感。
這張圖是關(guān)于更近發(fā)布的COVID-19的SEM照片主要依靠二次電子信號,可以清楚地看到病毒在背景上呼之欲出,具有立體感。
值得一提的是,這張SEM圖紙修復后。
據(jù)我所知,目前還沒有電子顯微鏡可以單獨拍攝彩色圖片,因為傳感器主要檢測 電子強度(數(shù)量)信號,這意味著只能在白色和黑色之間取灰色,不能在白色和黑色之間取紅色、黃色、藍色和綠色。下圖是真的SEM圖像。
還是黑白看著順眼?
透射電子顯微鏡(TEM)
除了原路返回子外,還有直接通過樣品的透射電子。
考慮到有病毒的地方和沒有病毒的地方的物質(zhì)組成不同,入射電子的散射能力也不同。
例如,重元素的原子具有較強的電子散射能力,透射電子無法通過,圖像較暗。同樣的元素,樣品越厚,透射電子就越難通過。這將形成 厚的襯里。
通過收集和分析透射電子強度信號,可以實現(xiàn)成像。使用此原理的電鏡是TEM。
這個也是PS后的
冠狀病毒看起來仍然很可愛
可以看出,相比采集二次電子的SEM,TEM圖像沒有立體感,主要是因為后者采集透射電子,樣品沿厚度方向平等。
無論10nm厚度處還是20nm,只要一個地方有足夠多、足夠重的原子覆蓋電子,這個區(qū)域更終呈現(xiàn)的圖像就是黑暗的,比如病毒的蛋白質(zhì)外殼。
當然,部分原因是為了讓透射電子獲得足夠的信號成像,如果樣品太厚,就會變黑,所以樣品要減少到100nm在這個厚度下,立體感很難維持。
說到制樣,不得不說SEM和TEM樣品是一個大學問題,提取病毒后不能立即拍攝。
例如,等離子體將被用來鍍金生物樣品
部分操作與分子烹飪非常相似,如液氮、真空環(huán)境等,下一篇文章簡要討論,感興趣歡迎關(guān)注。
結(jié)語
"It is very easy to answer ** ny fundamental biological questions; you just look at the thing!" Richard Feyn ** n
恐懼來自未知,沒有什么比看到敵人更放心了。從視覺識別、光學顯微鏡到直接看到COVID-19的SEM和TEM,人類的歷史是求索并創(chuàng)造的史詩。
對病毒,我們已經(jīng)有了比前人更強大的武器,應該有足夠的信心,平和而堅定地面對它們。
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