Jeftin dizajn fluorescentnog i svijetlog mikroskopa
Fluorescentna mikroskopija je metoda koja se koristi za vizualizaciju
U ovom ću vodiču pregledati osnove fluorescentne mikroskopije i kako izraditi tri različita jeftina fluorescentna mikroskopa. Ovi sustavi obično koštaju tisuće dolara, ali nedavno su učinjeni neki napori da se učine dostupnijima. Dizajni koje ovdje predstavljam koriste pametni telefon, dSLR i USB mikroskop. Svi ovi dizajni također se mogu koristiti kao mikroskopi sa svijetlim poljem.
Korak 1: Pregled fluorescentne mikroskopije
Da biste razumjeli osnovne koncepte fluorescentne mikroskopije, zamislite gustu šumu noću, s drvećem, životinjama, grmljem i drugim živim šumama. Ako svjetiljkom usmjerite šumu, vidjet ćete sve te strukture i teško ćete vizualizirati određene životinje ili biljke. Pretpostavimo da vas zanima samo vidjeti grmove borovnice u šumi. Da biste to učinili, naučite krijesnicu da je privlače samo grmovi borovnice, tako da kada pogledate šumu, samo grmovi borovnice svijetle. Moglo bi se reći da krijesnicama označavate grmove borovnice kako biste mogli vidjeti strukture borovnice u šumi.
U ovoj analogiji, šuma predstavlja cijeli uzorak, grmovi borovnice predstavljaju strukture koje želite vizualizirati (npr. specifične stanice ili substanične organele), a krijesnice su fluorescentni spojevi. Osvjetljavanje same baklje bez krijesnica slično je mikroskopiji sa svijetlim poljem.
Sljedeći korak je razumijevanje osnovne funkcije fluorescentnih spojeva (također poznatih kao fluorofori). Fluorofori su zapravo mali objekti (nanoskala) dizajnirani za povezivanje specifičnih struktura u uzorku. Oni apsorbiraju uski raspon valnih duljina svjetlosti i ponovno emitiraju drugu valnu duljinu svjetlosti. Na primjer, fluorofor može apsorbirati plavo svjetlo (tj. fluorofor je pobuđen plavim svjetlom) i zatim ponovno emitirati zeleno svjetlo. To se obično sažima pomoću spektra ekscitacije i emisije (gore). Ovi dijagrami pokazuju valnu duljinu svjetlosti koju apsorbira fluorofor i valnu duljinu svjetlosti koju emitira fluorofor.
Dizajn mikroskopa vrlo je sličan normalnom mikroskopu sa svijetlim poljem, s dvije glavne razlike. Prvo, svjetlost koja osvjetljava uzorak mora biti na valnoj duljini koja pobuđuje fluorofor (za gornji primjer, svjetlost je plava). Drugo, mikroskop treba samo prikupiti emitirano svjetlo (zeleno svjetlo) dok blokira plavo svjetlo. To je zato što je plavo svjetlo posvuda, ali zeleno svjetlo dolazi samo od specifičnih struktura u uzorku. Kako bi blokirali plavo svjetlo, mikroskopi obično imaju nešto što se zove dugoprolazni filter koji propušta zeleno svjetlo bez plavog svjetla. Svaki dugopropusni filtar ima graničnu valnu duljinu. Ako svjetlost ima valnu duljinu dužu od granične valne duljine, može proći kroz filter. Otuda i naziv "dugo dodavanje". Kraće valne duljine su blokirane.
Korak 2: Modeliranje mikroskopa optičkom optikom
Ovo je dodatni korak prema osnovnim principima dizajna mikroskopa. Nema potrebe za izgradnjom fluorescentnog mikroskopa, pa ga možete preskočiti ako se ne želite baviti optikom.
I mikroskopi svijetlog polja i fluorescentni mikroskopi mogu se modelirati pomoću optike zraka. Osnovna premisa optike zraka je da se svjetlost ponaša slično svjetlosti koja putuje od izvora svjetlosti. Kad pogledate po sobi, vidite svjetlost sunčeve svjetlosti izvan prozora ili svjetlost žarulje. Svjetlost zatim apsorbiraju ili reflektiraju predmeti u prostoriji. Dio reflektirane svjetlosti usmjerava je prema vašim očima. Ako je objekt osvijetljen, možete zamisliti da svaka točka na objektu emitira svjetlost u svim smjerovima (iznad). Leća, kao i leća u našim očima, fokusira svjetlost do određene točke kako bismo mogli vidjeti predmet. Bez leće, svjetlost nastavlja putovati prema van i ne tvori sliku.
Kako onda napraviti optičke sustave koji povećavaju male objekte? Da biste razumjeli dizajn, zapravo trebate znati samo dvije jednadžbe: jednadžbe slike tanke leće i povećanja:
1/f=1/si + 1/so
M=-si/so
f je žarišna duljina leće. Manja žarišna duljina znači da objektiv ima veću moć fokusiranja.
Isto vrijedi i za udaljenost objekta; udaljenost između leće i predmeta (npr. stabla).
si udaljenost slike; udaljenost između leće i mjesta nastajanja slike
M je povećanje; koliko je slika velika u odnosu na predmet. Za mikroskope želimo povećati povećanje.
Za potpuni vodič o jednadžbi tanke leće pogledajte ovaj videozapis Khan Academije. Na gornjem gifu možete vidjeti da udaljenost na kojoj se objekt približava leći povećava udaljenost slike, što povećava povećanje. Okomita linija s dvije strelice označava leću.
