Giới thiệu các lĩnh vực ứng dụng chính của kính hiển vi quang học
Kính hiển vi quang học là một công cụ khoa học cổ xưa và trẻ trung. Nó có lịch sử 300 năm kể từ khi ra đời. Kính hiển vi quang học có nhiều ứng dụng. Ví dụ, trong sinh học, hóa học, vật lý, thiên văn học,… không thể tách rời kính hiển vi trong một số công trình nghiên cứu khoa học.
Theo các mục đích ứng dụng khác nhau, kính hiển vi có thể được phân loại đại khái thành bốn loại: kính hiển vi sinh học, kính hiển vi kim loại, kính hiển vi soi nổi và kính hiển vi phân cực. Đúng như tên gọi, kính hiển vi sinh học chủ yếu được sử dụng trong y sinh và đối tượng quan sát chủ yếu là các vi thể trong suốt hoặc mờ; kính hiển vi kim loại chủ yếu được sử dụng để quan sát bề mặt của các vật thể mờ đục, chẳng hạn như cấu trúc kim loại và các khuyết tật bề mặt của vật liệu; trong khi kính hiển vi soi nổi phóng đại các vật thể vi mô, chúng cũng tạo ra các vật thể và hình ảnh theo cùng một hướng so với mắt người và có cảm giác về chiều sâu, phù hợp với thói quen thị giác thông thường của con người; kính hiển vi phân cực sử dụng đặc tính truyền qua hoặc phản xạ của các vật liệu khác nhau đối với ánh sáng phân cực để phân biệt các thành phần vật thể vi mô khác nhau. Ngoài ra, một số loại đặc biệt cũng có thể được chia nhỏ. Ví dụ, kính hiển vi sinh học đảo ngược hoặc kính hiển vi nuôi cấy là kính hiển vi sinh học chủ yếu được sử dụng để quan sát nuôi cấy qua đáy bình nuôi cấy; kính hiển vi huỳnh quang sử dụng đặc tính của một số chất để hấp thụ ánh sáng có bước sóng ngắn hơn cụ thể và phát ra ánh sáng có bước sóng dài hơn cụ thể để phát hiện sự tồn tại của các chất này và xác định hàm lượng của chúng; kính hiển vi so sánh có thể tạo ra các hình ảnh xếp chồng lên nhau của hai vật thể trong cùng một trường nhìn để so sánh sự giống nhau và khác nhau giữa hai vật thể đó.
Kính hiển vi quang học truyền thống chủ yếu bao gồm các hệ thống quang học và các cấu trúc cơ học hỗ trợ của chúng. Hệ thống quang học bao gồm vật kính, thị kính và thấu kính hội tụ, tất cả đều là kính phóng đại phức tạp được làm từ nhiều loại kính quang học khác nhau. Vật kính phóng đại mẫu vật và độ phóng đại M vật kính của nó được xác định theo công thức sau: M vật thể =Δ∕f'vật thể, trong đó f'vật thể là tiêu cự của vật kính và Δcó thể hiểu là khoảng cách giữa vật kính và thị kính. Thị kính phóng đại lại ảnh tạo bởi vật kính, tạo thành ảnh ảo cách mắt 250mm trước mắt người để quan sát. Đây là tư thế quan sát thoải mái nhất đối với hầu hết mọi người. Độ phóng đại của thị kính M mắt=250/f', trong đó f' là tiêu cự của thị kính. Tổng độ phóng đại của kính hiển vi là tích của vật kính và thị kính, tức là M=M vật*M mắt=Δ*250/f' mắt *f; sự vật. Có thể thấy rằng việc giảm tiêu cự của vật kính và thị kính sẽ làm tăng độ phóng đại tổng thể, đây là chìa khóa để nhìn thấy vi khuẩn và các vi sinh vật khác bằng kính hiển vi, đồng thời đó cũng là điểm khác biệt giữa nó và kính lúp thông thường.
Vì vậy, có thể hình dung được việc giảm lưới f' đối tượng f' một cách không giới hạn để tăng độ phóng đại để chúng ta có thể nhìn thấy các vật thể tinh tế hơn không? Câu trả lời là không! Đó là do ánh sáng dùng để chụp ảnh bản chất là một loại sóng điện từ nên trong quá trình truyền sóng chắc chắn sẽ xảy ra hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa, giống như những gợn sóng trên mặt nước mà chúng ta có thể nhìn thấy trong đời sống hàng ngày có thể quay vòng khi gặp chướng ngại vật. và hai cột sóng nước có thể mạnh lên hoặc yếu đi khi gặp nhau. Khi sóng ánh sáng phát ra từ một vật phát sáng hình điểm đi vào thấu kính vật kính, khung của thấu kính vật kính sẽ cản trở sự truyền ánh sáng, dẫn đến nhiễu xạ và giao thoa. Sau khi đi qua vật kính, nó không thể tụ lại tại một điểm nữa mà tạo thành một điểm sáng có kích thước nhất định, xuất hiện một loạt vòng sáng với cường độ yếu dần và yếu dần ở ngoại vi. Chúng tôi gọi điểm sáng trung tâm là đĩa Airy. Khi hai điểm phát sáng ở gần một khoảng cách nhất định, hai điểm sáng sẽ chồng lên nhau cho đến khi không thể nhận ra là hai điểm sáng. Rayleigh đề xuất một tiêu chuẩn phán đoán, cho rằng khi khoảng cách giữa tâm của hai đốm sáng bằng bán kính của đĩa Airy thì có thể phân biệt được hai đốm sáng. Sau khi tính toán, khoảng cách giữa hai điểm phát sáng lúc này là e=0.61 In/n.sinA=0.61 In/NA Trong công thức, In là bước sóng sóng ánh sáng, và bước sóng ánh sáng mà mắt người có thể tiếp nhận được là khoảng 0.4-0.7um, và n là chiết suất của môi trường nơi đặt điểm phát sáng. Ví dụ: trong không khí, n≈1, trong nước, n≈1,33 và A là một nửa góc mở của điểm phát quang so với khung của thấu kính vật kính và NA được gọi là khẩu độ số của thấu kính vật kính. Từ công thức trên có thể thấy rằng khoảng cách giữa hai điểm mà thấu kính có thể phân biệt được bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng và khẩu độ số. Vì bước sóng của mắt người nhạy cảm nhất là khoảng 0.5um và góc A không thể vượt quá 90 độ nên sinA luôn nhỏ hơn 1. Chiết suất tối đa của khả năng truyền ánh sáng khả dụng môi trường là khoảng 1,5, do đó giá trị của e luôn lớn hơn 0.2um, đây là khoảng cách giới hạn tối thiểu có thể phân giải được bằng kính hiển vi quang học. Phóng to hình ảnh qua kính hiển vi. Nếu bạn muốn phóng to khoảng cách điểm đối tượng e có thể được phân giải bằng thấu kính vật kính với một giá trị NA nhất định đủ để được phân giải bằng mắt người, bạn cần Tôi lớn hơn hoặc bằng 0.15mm, trong đó { {29}}.15mm là khoảng cách tối thiểu giữa hai vật thể vi mô mà mắt người có thể phân biệt được ở khoảng cách 250mm phía trước mắt bạn, do đó M Lớn hơn hoặc bằng (0,15∕0,61)NA ≈500N.A. Nó đủ để tăng gấp đôi độ phóng đại, nghĩa là 500N.A Nhỏ hơn hoặc bằng M Nhỏ hơn hoặc bằng 1000N.A, đây là phạm vi lựa chọn hợp lý của tổng độ phóng đại của kính hiển vi. Cho dù tổng độ phóng đại lớn đến đâu cũng vô nghĩa vì khẩu độ số của vật kính đã giới hạn khoảng cách phân giải tối thiểu và không thể phân biệt các chi tiết vật thể nhỏ hơn bằng cách tăng độ phóng đại.
Độ tương phản hình ảnh là một vấn đề quan trọng khác trong kính hiển vi quang học. Cái gọi là độ tương phản đề cập đến độ tương phản đen trắng hoặc sự khác biệt màu sắc giữa các phần liền kề trên bề mặt hình ảnh. Mắt người khó đánh giá độ chênh lệch độ sáng dưới 0,02, nhưng nó nhạy hơn một chút với độ chênh lệch màu sắc. Một số vật thể kính hiển vi, chẳng hạn như mẫu vật sinh học, có rất ít sự khác biệt về độ sáng giữa các chi tiết, đồng thời các lỗi thiết kế và chế tạo của hệ thống quang học của kính hiển vi càng làm giảm độ tương phản hình ảnh và gây khó khăn cho việc phân biệt. Lúc này, không thể nhìn rõ các chi tiết của vật thể.
Trong nhiều năm qua, người ta đã làm việc chăm chỉ để cải thiện độ phân giải và độ tương phản hình ảnh của kính hiển vi. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ và công cụ máy tính, lý thuyết và phương pháp thiết kế quang học cũng liên tục được cải tiến. Cùng với việc cải thiện hiệu suất nguyên liệu thô, cải tiến liên tục công nghệ và phương pháp phát hiện cũng như đổi mới phương pháp quan sát, chất lượng hình ảnh của kính hiển vi quang học đã đạt đến mức hoàn hảo của giới hạn nhiễu xạ. Mọi người sẽ sử dụng phương pháp nhuộm mẫu, trường tối, độ tương phản pha, huỳnh quang, giao thoa và ánh sáng phân cực. Các thiết bị tạo ảnh nối tiếp nhau ra đời, có hiệu suất vượt trội về một số mặt nhưng vẫn không thể cạnh tranh được với kính hiển vi quang học về độ rẻ, tiện lợi, trực quan và đặc biệt phù hợp cho nghiên cứu về sinh vật sống. Kính hiển vi quang học vẫn giữ vững vị trí riêng của mình. Mặt khác, kết hợp với tia laser, máy tính, công nghệ vật liệu mới và công nghệ thông tin, kính hiển vi quang học cổ xưa đang trẻ hóa và thể hiện sức sống mãnh liệt. Kính hiển vi kỹ thuật số, kính hiển vi quét đồng tiêu laser, kính hiển vi quét trường gần, kính hiển vi hai photon và các thiết bị có nhiều chức năng mới hoặc có thể thích ứng với nhiều điều kiện môi trường mới xuất hiện thành dòng vô tận, giúp mở rộng hơn nữa lĩnh vực ứng dụng của kính hiển vi quang học, như ví dụ. Thật thú vị làm sao khi những bức ảnh cực nhỏ về các khối đá được tải lên từ tàu thám hiểm sao Hỏa! Chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng kính hiển vi quang học sẽ mang lại lợi ích cho nhân loại với một thái độ cập nhật hơn.
