Alacsony költségű fluoreszcencia és fényerejű mikroszkóp kialakítás
A fluoreszcens mikroszkópos módszer a
Ebben az útmutatóban áttekintem a fluoreszcens mikroszkóp alapjait és három különböző, olcsó fluoreszcens mikroszkóp elkészítését. Ezek a rendszerek általában több ezer dollárba kerülnek, de a közelmúltban történt néhány erőfeszítés, hogy hozzáférhetőbbé tegyék őket. Az itt bemutatott tervek okostelefont, dSLR-t és USB-mikroszkópot használnak. Mindezek a kialakítások fénymezős mikroszkópként is használhatók.
1. lépés: A fluoreszcens mikroszkópia áttekintése
A fluoreszcens mikroszkóp alapfogalmainak megértéséhez képzeljünk el egy sűrű erdőt éjszaka, fákkal, állatokkal, bokrokkal és más élő erdőkkel. Ha fáklyát világít az erdőbe, látni fogja ezeket a szerkezeteket, és nehezen tudja elképzelni az egyes állatokat vagy növényeket. Tegyük fel, hogy csak áfonyabokrokat szeretne látni az erdőben. Ehhez a szentjánosbogárt úgy edzed, hogy csak az áfonyabokrok vonzzák, hogy az erdőre nézve csak az áfonyabokrok világítsanak. Mondhatnánk, hogy szentjánosbogarak segítségével jelöljük meg az áfonyabokrokat, hogy lássuk az áfonyás szerkezeteket az erdőben.
Ebben a hasonlatban az erdő képviseli a teljes mintát, az áfonyabokrok a megjeleníteni kívánt struktúrákat (pl. meghatározott sejteket vagy szubcelluláris organellumokat), a szentjánosbogarak pedig fluoreszkáló vegyületek. Egyedül a fáklya megvilágítása szentjánosbogarak nélkül hasonló a fényerejű mikroszkópiához.
A következő lépés a fluoreszcens vegyületek (más néven fluoroforok) alapvető funkciójának megértése. A fluoroforok valójában kisméretű objektumok (nano léptékű), amelyeket arra terveztek, hogy egy mintában meghatározott struktúrákat összekapcsoljanak. Elnyelik a fény hullámhosszainak szűk tartományát, és egy másik hullámhosszú fényt bocsátanak ki. Például egy fluorofor elnyelheti a kék fényt (azaz a fluorofort kék fény gerjeszti), majd újra zöld fényt bocsát ki. Ezt általában a gerjesztési és emissziós spektrumban foglalják össze (fent). Ezek a diagramok a fluorofor által elnyelt fény hullámhosszát és a fluorofor által kibocsátott fény hullámhosszát mutatják.
A mikroszkóp kialakítása nagyon hasonlít a normál fényteres mikroszkópéhoz, két fő különbséggel. Először is, a mintát megvilágító fénynek azon a hullámhosszon kell lennie, amely a fluorofort gerjeszti (a fenti példában a fény kék). Másodszor, a mikroszkópnak csak a kibocsátott fényt (zöld fényt) kell összegyűjtenie, miközben blokkolja a kék fényt. Ennek az az oka, hogy a kék fény mindenütt jelen van, de a zöld fény csak a minta meghatározott struktúráiból származik. A kék fény blokkolására a mikroszkópokban általában van egy hosszú áteresztő szűrő, amely átengedi a zöld fényt kék fény nélkül. Minden hosszú áteresztő szűrőnek van egy határhullámhossza. Ha a fény hullámhossza hosszabb, mint a határhullámhossz, akkor át tud haladni a szűrőn. Innen a "hosszú bérlet" elnevezés. A rövidebb hullámhosszak blokkolva vannak.
2. lépés: A mikroszkóp modellezése optikai optikával
Ez egy további lépés a mikroszkóp tervezésének alapelveihez. Nem kell fluoreszcens mikroszkópot építeni, így kihagyhatja, ha nem szeretne elmélyülni az optikában.
A fényerejű és fluoreszcens mikroszkópok egyaránt modellezhetők sugároptika segítségével. A sugároptika alaptétele, hogy a fény a fényforrástól távolodó fényhez hasonlóan viselkedik. Ha körülnézel egy szobában, az ablakon kívüli napfény vagy egy villanykörte fényét látod. A fényt ezután a szobában lévő tárgyak elnyelik vagy visszaverik. A visszavert fény egy része a szemed felé irányítja. Ha az objektum meg van világítva, elképzelhető, hogy az objektum minden pontja minden irányban fényt bocsát ki (fent). A lencse, akárcsak a szemünkben lévő lencse, a fényt egy pontra fókuszálja, hogy láthassuk a tárgyat. Lencse nélkül a fény tovább halad kifelé, és nem alkot képet.
Hogyan készítsünk tehát olyan optikai rendszereket, amelyek felnagyítják a kis tárgyakat? A tervezés megértéséhez valójában csak két egyenletet kell ismernie: a vékonylencsés képalkotási és nagyítási egyenleteket:
1/f=1/si + 1/so
M=-si/so
f az objektív gyújtótávolsága. A rövidebb gyújtótávolság azt jelenti, hogy az objektívnek nagyobb az élességállítása.
Ugyanez igaz a tárgytávolságra is; a lencse és a tárgy (pl. fa) távolsága.
si a kép távolsága; az objektív távolsága és a kép keletkezésének helye
M nagyítás; mekkora a kép a tárgyhoz képest. A mikroszkópoknál a nagyítást szeretnénk növelni.
A vékony lencse egyenletével kapcsolatos teljes oktatóanyagért nézze meg ezt a Khan Academia videót. A fenti gif-en láthatod, hogy a távolság, amerre a tárgy közelebb kerül az objektívhez, növeli a kép távolságát, ami növeli a nagyítást. A függőleges vonal két nyíllal jelzi a lencsét.
