Разработка недорогих флуоресцентных и светлопольных микроскопов
Шаг 1: Обзор флуоресцентной микроскопии
Чтобы понять основные понятия флуоресцентной микроскопии, представьте себе густой лес ночью, в котором обитают деревья, животные, кустарники и другие леса. Если посветить фонариком в лес, то вы увидите все эти сооружения и сложно представить конкретных животных или растения. Предположим, вас интересуют только кусты черники в лесу. Для этого нужно приучить светлячков привлекать только кусты черники, чтобы, когда вы смотрите на лес, загорались только кусты черники. Можно сказать, что вы используете светлячков для обозначения кустов черники, чтобы можно было увидеть структуру черники в лесу.
В этой аналогии леса представляют весь образец, кусты черники — структуры, которые вы хотите визуализировать (например, определенные клетки или субклеточные органеллы), а светлячки — флуоресцентные соединения. Ситуация с освещением только фонариком стрелка без светлячков аналогична яркопольному микроскопу.
Следующий шаг — понять основные функции флуоресцентных соединений (также известных как флуорофоры). Флуоресцентные кластеры на самом деле представляют собой небольшие объекты (наномасштаба), предназначенные для соединения определенных структур в образце. Они поглощают свет узкого диапазона длин волн и переизлучают свет другой длины волны. Например, флуорофор может поглощать синий свет (т.е. флуорофор возбуждается синим светом), а затем повторно излучать зеленый свет. Обычно это суммируется по спектрам возбуждения и излучения (как показано на рисунке выше). На этих диаграммах показаны длины волн света, поглощаемого флуорофорами, и длины волн света, излучаемого флуорофорами.
Конструкция микроскопа очень похожа на обычный микроскоп светлого поля, но имеет два основных отличия. Во-первых, свет, освещающий образец, должен иметь длину волны, возбуждающую флуоресцентную группу (в приведенном выше примере свет синий). Во-вторых, микроскопу нужно только собирать излучаемый свет (зеленый свет), блокируя при этом синий свет. Это связано с тем, что синий свет присутствует повсюду, а зеленый свет исходит только от определенных структур образца. Чтобы блокировать синий свет, в микроскопах обычно имеется так называемый длиннопроходной фильтр, который пропускает зеленый свет без синего света. Каждый фильтр нижних частот имеет длину волны среза. Если длина волны света больше длины волны отсечки, он может пройти через фильтр. Поэтому и название — «Перевал на дальние расстояния». Более короткие волны блокируются.
Шаг 2. Используйте микроскоп для оптического моделирования.
Это дополнительный шаг в создании микроскопов на основе базовых принципов. Нет необходимости строить флуоресцентный микроскоп, поэтому, если вы не хотите углубляться в оптику, можете пропустить это.
Как светлопольные, так и флуоресцентные микроскопы можно моделировать с помощью устройств лучевой оптики. Основная предпосылка лучевой оптики состоит в том, что поведение света аналогично поведению света, распространяющегося от источника света. Осмотрев комнату, вы увидите солнечный свет за окном или свет, исходящий от лампочки. Затем свет поглощается или отражается предметами в комнате. Некоторый отраженный свет направит его прямо в ваши глаза. Если объект освещен, вы можете представить, что каждая точка объекта излучает свет во всех направлениях (как показано на рисунке выше). Хрусталик, как и хрусталик в наших глазах, фокусирует свет в точку, чтобы мы могли видеть объекты. Без линзы свет продолжает распространяться наружу и не формирует изображение.
