Электронный микроскоп обеспечивает увеличение примерно в десять миллионов раз по сравнению с увеличением в одну или две тысячи раз, возможным при использовании классического оптического микроскопа. Это позволяет исследователям проникать в области, ранее им недоступные.
Это одна из главных причин того, что ученые больше не “летают вслепую” при исследовании вирусов, а также расширяет возможности исследователей в самых разных областях - от полупроводников до металлургии и за ее пределами.
1-Природа зрения
Причина, по которой вы можете видеть предметы, заключается в том, что от них отражаются световые волны. Цвета, которые мы воспринимаем, зависят от размера этих длин волн. На расстоянии около 700 нанометров мы видим красный цвет, а на расстоянии около 400 нанометров - фиолетовый. Это пределы человеческого зрения; мы не можем видеть длины волн ниже 400 нанометров или выше 700 нанометров.
Проблема возникает, когда мы пытаемся разглядеть объекты размером менее 400 нанометров, например детали вируса, общая длина которого составляет всего около 30 нанометров. Чтобы получить какую-либо информацию, на такую маленькую структуру нужно воздействовать с гораздо меньшей длиной волны, именно туда попадают электроны.
Вы, вероятно, слышали о двойной природе света – иногда его проще математически описать как частицу, а в других случаях - как волну. Электроны, которые мы часто представляем себе как крошечные частицы, также можно рассматривать как волны. Пучок электронов также можно описать как волну, длина волны которой составляет около одного нанометра.
Итак, для получения “визуальной” информации о вирусах вполне подходит пучок электронов, и это основа электронной микроскопии.
2- Сканирующий электронный микроскоп
Сканирующий электронный микроскоп (РЭМ) включает в себя источник электронов, который формирует пучок электронов, который бомбардирует отдельные точки исследуемого образца пучком электронов. Электроны могут быть направлены в точку на образце размером всего в 1 нанометр.
Первичный электрон из луча заставляет острие образца испускать так называемые вторичные электроны. Эти вторичные электроны, испускаемые образцом, регистрируются детектором вторичных электронов. Количество отраженных электронов записывается в память компьютера, при этом большое количество электронов означает светлое пятно, а меньшее количество электронов - темное пятно.
Далее электронный луч направляется в точку справа от первой. Здесь также количество отраженных электронов определяется детектором вторичных электронов и записывается в компьютер. Процесс продолжается, фиксируя пятна вдоль линии, пока не будет покрыта вся ширина образца, подлежащего отбору.
На следующем этапе процесса электронная пушка возвращается в положение, немного более низкое, чем исходное положение. Затем она начинает обрабатывать второй ряд таким же образом, как и первый. Последовательность повторяется до тех пор, пока не будет обработано столько строк, сколько требуется.
Этот процесс называется растровым сканированием. В памяти компьютера хранится информация о каждой точке в нескольких строках. Для каждой точки количество зарегистрированных электронов будет означать светлое пятно, в то время как меньшее количество электронов будет означать темное пятно.
Записанная точка извлекается из компьютерной памяти электронного микроскопа и затем может быть отображена, пятно за пятном, строка за строкой на экране дисплея. Многие тысячи отсканированных точек будут отображать черно-белое изображение исследуемого образца.
3- Просвечивающий электронный микроскоп
Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) работают путем наблюдения за электронами, которые пропускаются через образец для создания изображения. Таким образом, в то время как SEMS визуализирует 2D-изображения поверхности образца, TEMS предлагает 3D-детали внутренней структуры анализируемого объекта.
ПЭМ также имеют гораздо более высокое разрешение и могут передавать детали размером до 50 пикометров. Однако образцы, анализируемые ПЭМ, должны быть очень тонкими, порядка 100 или 200 нанометров, Электронная пушка генерирует пучок электронов, и он жестко фокусируется конденсаторной системой. Затем луч попадает на образец, и в зависимости от толщины образца и электронной прозрачности часть его пропускается.
Серия линз фокусирует и направляет изображение. Затем оно фокусируется на флуоресцентном экране для просмотра. Более темные области проецируемого изображения представляют собой области образца, где электронам препятствуют, в то время как более светлые области образца пропускают больше электронов.
4- Изображения и цвет с электронного микроскопа
Читатель заметит, что как сканирующие, так и просвечивающие электронные микроскопы дают только черно-белые изображения. Как указано в Smithsonian Magazine, “Можно с уверенностью сказать, что цвета в таком масштабе не существует, потому что объекты, изображаемые электронным микроскопом, меньше длины волны видимого света”. Но все же изображения с электронного микроскопа как в популярных, так и в профессиональных публикациях почти всегда имеют яркие цвета. Почему? Как?
В некоторых случаях цвета - это просто восприятие художников, основанное на рекомендациях ученых, которые их используют.
Существует также методология, называемая псевдоколором, или ложным цветом, при которой в справочной таблице интенсивность каждого пикселя сопоставляется с цветом из видимого спектра. На изображении ниже с левой стороны показано необработанное изображение с электронного микроскопа, а с правой стороны - псевдоцветное изображение.
Электронный микроскоп обеспечивает увеличение примерно в десять миллионов раз по сравнению с увеличением в одну или две тысячи раз, возможным при использовании классического оптического микроскопа. Это позволяет исследователям проникать в области, ранее им недоступные.
Электронное микрофотограф-изображение коронавируса
Зачет. Центры по контролю и профилактике заболеваний
Это одна из главных причин того, что ученые больше не “летают вслепую” при исследовании вирусов, а также расширяет возможности исследователей в самых разных областях - от полупроводников до металлургии и за ее пределами.
1-Природа зрения
Причина, по которой вы можете видеть предметы, заключается в том, что от них отражаются световые волны. Цвета, которые мы воспринимаем, зависят от размера этих длин волн. На расстоянии около 700 нанометров мы видим красный цвет, а на расстоянии около 400 нанометров - фиолетовый. Это пределы человеческого зрения; мы не можем видеть длины волн ниже 400 нанометров или выше 700 нанометров.
Проблема возникает, когда мы пытаемся разглядеть объекты размером менее 400 нанометров, например детали вируса, общая длина которого составляет всего около 30 нанометров. Чтобы получить какую-либо информацию, на такую маленькую структуру нужно воздействовать с гораздо меньшей длиной волны, именно туда попадают электроны.
Вы, вероятно, слышали о двойной природе света – иногда его проще математически описать как частицу, а в других случаях - как волну. Электроны, которые мы часто представляем себе как крошечные частицы, также можно рассматривать как волны. Пучок электронов также можно описать как волну, длина волны которой составляет около одного нанометра.
Итак, для получения “визуальной” информации о вирусах вполне подходит пучок электронов, и это основа электронной микроскопии.
2- Сканирующий электронный микроскоп
Сканирующий электронный микроскоп (РЭМ) включает в себя источник электронов, который формирует пучок электронов, который бомбардирует отдельные точки исследуемого образца пучком электронов. Электроны могут быть направлены в точку на образце размером всего в 1 нанометр.
Основные компоненты сканирующего электронного микроскопа
Фото: Thermofisher
Первичный электрон из луча заставляет острие образца испускать так называемые вторичные электроны. Эти вторичные электроны, испускаемые образцом, регистрируются детектором вторичных электронов. Количество отраженных электронов записывается в память компьютера, при этом большое количество электронов означает светлое пятно, а меньшее количество электронов - темное пятно.
Далее электронный луч направляется в точку справа от первой. Здесь также количество отраженных электронов определяется детектором вторичных электронов и записывается в компьютер. Процесс продолжается, фиксируя пятна вдоль линии, пока не будет покрыта вся ширина образца, подлежащего отбору.
На следующем этапе процесса электронная пушка возвращается в положение, немного более низкое, чем исходное положение. Затем она начинает обрабатывать второй ряд таким же образом, как и первый. Последовательность повторяется до тех пор, пока не будет обработано столько строк, сколько требуется.
Растровое сканирование.
Модифицированное изображение предоставлено: Шербрукский университет
Этот процесс называется растровым сканированием. В памяти компьютера хранится информация о каждой точке в нескольких строках. Для каждой точки количество зарегистрированных электронов будет означать светлое пятно, в то время как меньшее количество электронов будет означать темное пятно.
Записанная точка извлекается из компьютерной памяти электронного микроскопа и затем может быть отображена, пятно за пятном, строка за строкой на экране дисплея. Многие тысячи отсканированных точек будут отображать черно-белое изображение исследуемого образца.
3- Просвечивающий электронный микроскоп
Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) работают путем наблюдения за электронами, которые пропускаются через образец для создания изображения. Таким образом, в то время как SEMS визуализирует 2D-изображения поверхности образца, TEMS предлагает 3D-детали внутренней структуры анализируемого объекта.
ПЭМ также имеют гораздо более высокое разрешение и могут передавать детали размером до 50 пикометров. Однако образцы, анализируемые ПЭМ, должны быть очень тонкими, порядка 100 или 200 нанометров,
Просвечивающий электронный микроскоп
Модифицированное изображение предоставлено: Университет Уорика
Электронная пушка генерирует пучок электронов, и он жестко фокусируется конденсаторной системой. Затем луч попадает на образец, и в зависимости от толщины образца и электронной прозрачности часть его пропускается.
Серия линз фокусирует и направляет изображение. Затем оно фокусируется на флуоресцентном экране для просмотра. Более темные области проецируемого изображения представляют собой области образца, где электронам препятствуют, в то время как более светлые области образца пропускают больше электронов.
4- Изображения и цвет с электронного микроскопа
Читатель заметит, что как сканирующие, так и просвечивающие электронные микроскопы дают только черно-белые изображения. Как указано в Smithsonian Magazine, “Можно с уверенностью сказать, что цвета в таком масштабе не существует, потому что объекты, изображаемые электронным микроскопом, меньше длины волны видимого света”. Но все же изображения с электронного микроскопа как в популярных, так и в профессиональных публикациях почти всегда имеют яркие цвета. Почему? Как?
В некоторых случаях цвета - это просто восприятие художников, основанное на рекомендациях ученых, которые их используют.
Существует также методология, называемая псевдоколором, или ложным цветом, при которой в справочной таблице интенсивность каждого пикселя сопоставляется с цветом из видимого спектра. На изображении ниже с левой стороны показано необработанное изображение с электронного микроскопа, а с правой стороны - псевдоцветное изображение.
Другой метод включает химическое “мечение” белков образцов металлов. Электронный микроскоп позволяет отдельно различать белки, помеченные разными метками, и затем назначать изображению разные цвета.
С появлением искусственного интеллекта в настоящее время разрабатываются новые методологии, основанные на все более тонких подсказках.
