Thiết kế kính hiển vi trường sáng và huỳnh quang chi phí thấp
Trong hướng dẫn này, tôi sẽ xem xét các nguyên tắc cơ bản của kính hiển vi huỳnh quang và cách chế tạo ba loại kính hiển vi huỳnh quang chi phí thấp khác nhau. Những hệ thống này thường có giá hàng nghìn đô la, nhưng những nỗ lực gần đây đã khiến chúng trở nên dễ dàng hơn để có được chúng. Thiết kế tôi giới thiệu ở đây sử dụng điện thoại thông minh, máy ảnh DSLR và kính hiển vi USB. Tất cả những thiết kế này cũng có thể được sử dụng làm kính hiển vi trường mở.
Bước 1: Tổng quan về kính hiển vi huỳnh quang
Để hiểu các khái niệm cơ bản của kính hiển vi huỳnh quang, hãy tưởng tượng những khu rừng rậm rạp, cây cối, động vật, cây bụi và các khu rừng khác sống trong rừng vào ban đêm. Nếu bạn chiếu đèn pin vào rừng, bạn sẽ thấy tất cả những cấu trúc này và thật khó để tưởng tượng ra những loài động vật hoặc thực vật cụ thể. Giả sử bạn chỉ muốn ngắm nhìn những bụi việt quất trong rừng. Để đạt được điều này, bạn cần huấn luyện đom đóm để chỉ bị thu hút bởi bụi việt quất, để khi nhìn vào rừng, chỉ có bụi việt quất mới phát sáng. Bạn có thể nói rằng bạn đã đánh dấu những bụi việt quất bằng đom đóm, vì vậy bạn có thể nhìn thấy các cấu trúc việt quất trong rừng.
Trong phép so sánh này, khu rừng đại diện cho toàn bộ mẫu, bụi việt quất đại diện cho cấu trúc mà bạn muốn hình dung (chẳng hạn như các tế bào cụ thể hoặc các bào quan dưới tế bào) và đom đóm là các hợp chất huỳnh quang. Tình huống chụp một mình bằng đèn pin mà không có đom đóm cũng tương tự như kính hiển vi trường sáng.
Bước tiếp theo là tìm hiểu các chức năng cơ bản của hợp chất huỳnh quang (còn được gọi là fluorophores). Các cụm huỳnh quang thực chất là những vật thể nhỏ (có kích thước nano) được thiết kế để kết nối các cấu trúc cụ thể trong mẫu. Chúng hấp thụ ánh sáng có bước sóng hẹp và phát lại ánh sáng có bước sóng khác. Ví dụ, một nhóm huỳnh quang có thể hấp thụ ánh sáng xanh (tức là nhóm huỳnh quang bị kích thích bởi ánh sáng xanh) rồi lại phát ra ánh sáng xanh lục. Thông thường, điều này được tóm tắt thông qua quang phổ kích thích và phát xạ (như thể hiện trong hình trên). Các biểu đồ này cho thấy các bước sóng ánh sáng được hấp thụ bởi fluorophore và các bước sóng ánh sáng do fluorophore phát ra.
Thiết kế của kính hiển vi rất giống với kính hiển vi trường mở thông thường, với hai điểm khác biệt chính. Thứ nhất, ánh sáng chiếu vào mẫu phải ở bước sóng của nhóm huỳnh quang bị kích thích (ví dụ ở trên là ánh sáng màu xanh lam). Thứ hai, kính hiển vi chỉ cần thu ánh sáng phát ra (ánh sáng xanh) đồng thời chặn ánh sáng xanh. Điều này là do ánh sáng xanh có ở khắp mọi nơi, nhưng ánh sáng xanh chỉ đến từ các cấu trúc cụ thể trong mẫu. Để chặn ánh sáng xanh, kính hiển vi thường có một thứ gọi là bộ lọc thông dài cho phép ánh sáng xanh đi qua mà không có ánh sáng xanh. Mỗi bộ lọc thông dài có bước sóng cắt. Nếu bước sóng của ánh sáng lớn hơn bước sóng cắt thì nó có thể đi qua bộ lọc. Vì vậy mới có tên là "Đường dài". Các bước sóng ngắn hơn bị chặn.
Bước 2: Mô hình hóa kính hiển vi sử dụng quang học
Đây là một bước bổ sung trong việc thiết kế nguyên lý cơ bản của kính hiển vi. Không cần chế tạo kính hiển vi huỳnh quang nên nếu không muốn đi sâu vào lĩnh vực quang học, bạn có thể bỏ qua.
Cả kính hiển vi trường sáng và kính hiển vi huỳnh quang đều có thể được mô hình hóa bằng các thiết bị quang học tia. Tiền đề cơ bản của quang học tia là hành vi của ánh sáng tương tự như hành vi của ánh sáng truyền ra khỏi nguồn sáng. Khi nhìn quanh phòng, bạn sẽ thấy ánh nắng ngoài cửa sổ hay ánh sáng do bóng đèn mang lại. Sau đó ánh sáng được hấp thụ hoặc phản xạ bởi các vật thể trong phòng. Một số ánh sáng phản chiếu sẽ làm cho nó đối diện với mắt bạn. Nếu một vật được chiếu sáng, bạn có thể tưởng tượng mỗi điểm trên vật đó phát ra ánh sáng theo mọi hướng (như trong hình trên). Thấu kính, giống như thấu kính trong mắt chúng ta, tập trung ánh sáng vào một điểm để chúng ta có thể nhìn thấy vật. Không có thấu kính, ánh sáng tiếp tục truyền ra ngoài và không tạo thành ảnh.
