Ứng dụng khái niệm kính hiển vi hiện đại trong quan sát thế giới vi mô
Từ xưa đến nay, con người luôn theo đuổi những chân lý cao hơn và xa hơn. Từ những chuyến thám hiểm đại dương đến thám hiểm không gian, con người đã lần lượt chinh phục những mục tiêu vĩ đại. Tuy nhiên, thế giới vĩ mô mà mọi người nhìn thấy bằng mắt thường không phải là toàn bộ thế giới và mắt người không thể nhìn rõ. Nó cũng thu hút vô số người khám phá và theo đuổi.
Bất kể những thứ vĩ mô hay vi mô, các quan sát của chúng tôi đều dựa trên các thuộc tính của không gian ba chiều, nghĩa là ba chiều XYZ và việc quan sát những thay đổi về hình dạng của mọi thứ cần đưa ra một yếu tố đo lường khác - thời gian T, vì vậy cách hoàn chỉnh nhất để quan sát mọi thứ phải là Ghi đồng thời XYZT, nghĩa là chụp ảnh lâu dài hình dạng cộng với thời gian, cũng là chức năng cuối cùng của kính hiển vi.
Sau hơn 300 năm phát triển, kính hiển vi hiện đại đã đề xuất các khái niệm như độ phân giải, độ sâu trường ảnh và trường nhìn, đồng thời liên tục đề xuất các giải pháp. Kính hiển vi bước đầu đã đáp ứng được nhu cầu quan sát thế giới vi mô của chúng ta và giúp chúng ta ghi nhận được không gian, thời gian của thế giới vi mô.
Điều quan trọng nhất trong quan sát thế giới vi mô là độ phân giải của các chi tiết và khái niệm độ phân giải ra đời từ điều này. Độ phân giải đề cập đến khoảng cách tối thiểu giữa hai điểm mà mắt người có thể phân biệt được và chỉ có giá trị trong chiều XY. Theo tiêu chí Rayleigh, Rayleigh Criterion, giới hạn mà người bình thường có thể phân biệt được là hai điểm 0.2mm ở khoảng cách 25cm. Khi chúng ta sử dụng kính hiển vi, chúng ta có thể nhìn thấy hai điểm ở khoảng cách nhỏ hơn, giúp cải thiện độ phân giải của quan sát của chúng ta. Với sự đào sâu liên tục của nghiên cứu hiện đại, yêu cầu của mọi người về độ phân giải cũng không ngừng tăng lên và các nhà khoa học cũng không ngừng cải thiện độ phân giải của kính hiển vi. Ví dụ, kính hiển vi điện tử đã tăng độ phân giải lên mức nanomet, cho phép quan sát virus. Công nghệ hình ảnh hiển vi cực cao cải thiện độ phân giải của kính hiển vi từ 200 nanomet lên hàng chục nanomet, hiện thực hóa việc quan sát các bào quan của tế bào sống.
Việc cải thiện độ phân giải cũng mang đến những vấn đề mới, đó là giảm trường nhìn và độ sâu trường ảnh. Khi sử dụng phương pháp chiếu sáng trung tâm thông thường (phương pháp chiếu sáng quang ảnh làm cho ánh sáng đi qua mẫu vật đều), khoảng cách phân giải của kính hiển vi là d=0.61 λ/NA, dải bước sóng của ánh sáng khả kiến là { {2}}nm, bước sóng trung bình là 550nm và bước sóng là một hằng số cố định. Do đó, việc tăng giá trị NA có thể nhận được giá trị D nhỏ hơn, nghĩa là khoảng cách giữa hai điểm có thể được phân biệt Nhỏ hơn, cho phép mọi người nhìn rõ các vật thể nhỏ hơn.
Giá trị NA là khẩu độ số, mô tả kích thước của góc nón nhận ánh sáng của thấu kính, NA=n * sin , tức là tích của chiết suất (n) của môi trường giữa thấu kính và đối tượng được kiểm tra và sin của một nửa góc khẩu độ (2 ). n là chiết suất ánh sáng của môi trường giữa vật kính và mẫu. Khi môi trường không gian vật kính của kính hiển vi là không khí thì chiết suất n= 1. Sử dụng môi trường có chỉ số khúc xạ cao hơn không khí có thể làm tăng đáng kể giá trị NA. Môi trường ngâm nước là nước cất và chỉ số khúc xạ Tỷ lệ là 1,33; môi trường mục tiêu ngâm dầu là dầu tuyết tùng hoặc các loại dầu trong suốt khác, và chiết suất của nó thường vào khoảng 1,52, gần bằng chiết suất của thấu kính và kính trượt. Do đó, giá trị NA của ống kính dầu cao hơn ống kính không khí.
Góc khẩu độ, còn được gọi là "góc miệng gương", là góc được tạo bởi điểm đối tượng trên trục quang học của thấu kính và đường kính hiệu dụng của thấu kính phía trước của vật kính. Tăng góc miệng gương có thể tăng giá trị sin và giới hạn trên thực tế của nó là khoảng 72 độ (giá trị sin là 0.95), nhân với chỉ số khúc xạ của dầu tuyết tùng 1.52, có thể thu được rằng giá trị NA tối đa là khoảng 1,45 và được thay thế vào công thức tính toán độ phân giải, có thể thu được rằng độ phân giải mặt phẳng XY giới hạn của kính hiển vi thông thường là khoảng 0.2um.
Giá trị NA cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ sáng của trường nhìn của kính hiển vi (B). Từ công thức B∝NA2/M2, chúng ta có thể suy ra rằng độ sáng tăng lên khi tăng khẩu độ số (NA) hoặc giảm độ phóng đại của vật kính (M).
Về mặt lý thuyết, chúng ta nên theo đuổi giá trị NA cao nhất có thể để thu được độ phân giải mặt phẳng XY và độ sáng trường nhìn tốt hơn. Tuy nhiên, cái gì cũng có hai mặt. Việc cải thiện độ phân giải mặt phẳng XY sẽ làm giảm độ sâu trường ảnh và trường quan sát trục Z.
Kính hiển vi thường xem chế độ xem theo chiều dọc xuống dưới. Khi có thể nhìn thấy rõ ràng vị trí lồi và vị trí lõm trên bề mặt của vật được quan sát trong đường kính của trường nhìn, thì chênh lệch độ cao giữa điểm lồi và điểm lõm là độ sâu trường ảnh. Chà, đối với kính hiển vi, độ sâu trường ảnh càng lớn thì càng tốt. Độ sâu trường ảnh càng lớn thì có thể thu được hình ảnh rõ nét ba chiều hơn khi quan sát bề mặt của các vật thể không bằng phẳng. Độ sâu trường ảnh lớn giúp chúng ta quan sát thế giới vi mô theo phương thẳng đứng. Tức là thông tin trục Z ở dạng ba chiều XYZ.
Độ sâu trường ảnh là độ sâu của không gian phía trước và phía sau tương ứng với ảnh rõ nét trên mặt phẳng ảnh: dtot=(λ*n)/NA cộng n/(M∗NA) * e, dtot: độ sâu trường ảnh , NA: khẩu độ số, M: Độ phóng đại tổng, λ: bước sóng ánh sáng, (thường là λ=0.55um), n: chiết suất của môi trường giữa mẫu và vật kính (không khí: n{{3 }}, dầu: n=1.52) Theo công thức này, chúng ta có thể biết rằng độ sâu trường của Trục Z tỷ lệ nghịch với giá trị NA của mặt phẳng XY.
Ngoài độ sâu trường ảnh, trường nhìn cũng bị ảnh hưởng bởi giá trị NA. Phạm vi không gian có thể được nhìn thấy khi thiết bị nhìn cố định vào một điểm là trường nhìn. Tính toán của nó liên quan trực tiếp đến độ phóng đại của vật kính. Đường kính thực tế của trường nhìn mà quan sát nhìn thấy bằng đường kính của trường nhìn Chia cho độ phóng đại của vật kính, thị kính sẽ biểu thị trường nhìn tương ứng, chẳng hạn như 10/18, nghĩa là, độ phóng đại là 10 lần và đường kính của trường nhìn là 18mm. Vì vậy, khi thị kính được xác định, độ phóng đại càng lớn thì trường quan sát được càng nhỏ.
Độ phân giải mặt phẳng XY là phân tích các chi tiết cục bộ và trường nhìn xác định phạm vi quan sát mẫu của chúng tôi. Trường nhìn càng lớn càng tốt, nhưng bị giới hạn bởi công nghệ hiện tại, chúng ta phải sử dụng vật kính công suất cao để thu được giá trị NA tốt, do đó, trường thị giác và giá trị NA có mối tương quan nghịch gián tiếp.
