Микроскопия — метод исследования микроскопических объектов¶

Микроскопия — совокупность методов получения изображений объектов и изучения их структуры с использованием оптических, электронных или иных систем увеличения, применяемая для наблюдения объектов, невидимых невооружённым глазом. Позволяет исследовать структуры размером от нескольких нанометров до сотен микрометров. Широко применяется в биологии, медицине, материаловедении, криминалистике и полупроводниковой промышленности.

¶Основные типы микроскопии

¶Оптическая (световая) микроскопия

Наиболее распространённый класс, основанный на использовании видимого света и системы линз. Разрешающая способность классических оптических микроскопов ограничена длиной волны света и составляет около 0,2 мкм. К основным разновидностям относятся:

• Светопропускающая (трансмиссионная) микроскопия — свет проходит сквозь тонкий образец; применяется преимущественно в биологии для изучения срезов тканей и клеточных препаратов.
• Светоотражающая (рефлексионная) микроскопия — наблюдение отражённого света; используется для непрозрачных образцов, например металлических шлифов.
• Фазово-контрастная микроскопия — преобразует различия в фазе света, прошедшего через образец, в различия яркости; разработана Фрицем Цернике в 1930-х годах, Нобелевская премия по физике 1953 года.
• Интерференционная микроскопия — основана на интерференции двух световых пучков: прошедшего через образец и опорного.
• Флуоресцентная микроскопия — объект возбуждается светом определённой длины волны и испускает свет большей длины волны; широко применяется в молекулярной биологии с использованием флуоресцентных меток.
• Конфокальная микроскопия — точечная иллюминация и детекция через конфокальное отверстие позволяют получать оптические срезы объекта и строить трёхмерные изображения.
• Суперразрешение — семейство методов (STED, PALM, STORM), преодолевающих дифракционный предел; Эрик Бетциг, Стефан Хелл и Уильям Мёрнер получили за их развитие Нобелевскую премию по химии 2014 года.

¶Электронная микроскопия

Использует вместо света поток электронов, что позволяет достичь разрешения на уровне единиц ангстрем.

• Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ, TEM) — электроны проходят сквозь сверхтонкий образец (толщиной до нескольких сотен нанометров). Позволяет наблюдать внутреннюю структуру объектов, включая атомные плоскости кристаллов. В СССР метод развивался под руководством Д. В. Скочинского и в Институте кристаллографии АН СССР.
• Растровая электронная микроскопия (РЭМ, SEM) — электронный луч сканирует поверхность образца; формируется трёхмерное изображение топографии. Разрешение типичных приборов — 1–10 нм.

Электронные микроскопы требуют вакуума, что ограничивает наблюдение «живых» образцов, однако разработаны методы криоэлектронной микроскопии, позволяющие исследовать биологические объекты в замороженном состоянии.

¶Сканирующая зондовая микроскопия

Основана не на оптике, а на физическом взаимодействии тонкого зонда с поверхностью образца.

• Атомно-силовая микроскопия (АСМ) — фиксирует силы взаимодействия кончика зонда с поверхностью; позволяет получать изображения с разрешением до долей нанометра и работать как в вакууме, так в воздухе и жидкости.
• Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — открыт в 1981 году Гердом Биннигом и Генрихом Рорером (Нобелевская премия по физике 1986 года); основан на квантовом туннелировании электронов между зондом и проводящей поверхностью.

¶Краткая история

Первые микроскопы появились в Нидерландах в конце XVI века; изобретение приписывают Захарию Янсенну и его отцу Хансу (около 1590 года). Антони ван Левенгук в 1670-х годах с помощью самодельных микроскопов с увеличением до ~270 раз впервые наблюдал бактерии, простейших, эритроциты и сперматозоиды. В XIX веке были сформулированы клеточная теория и оптические пределы разрешения. В 1931 году Эрнст Руска построил первый электронный микроскоп, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1986 году.

¶Применение

• Биология и медицина — цитология, гистология, микробиология, диагностика заболеваний (гистологические и цитологические исследования).
• Материаловедение — изучение микроструктуры металлов, полимеров, керамики, композитов.
• Полупроводниковая промышленность — контроль наноразмерных структур интегральных схем.
• Криминалистика — исследование следов, волокон, микрочастиц.
• Науки о Земле — петрография тонких шлифов горных пород, минералогия.

¶Смежные понятия

Увеличение микроскопа определяется произведением увеличения объектива и окуляра и может достигать у световых приборов 1000–2000 раз, у электронных — сотен тысяч и более. Разрешающая способность — минимальное расстояние между двумя точками, при котором они ещё различимы как раздельные. Термин «микроскопия» следует отличать от «микроскопии» в медицинском смысле (например, офтальмологической), а также от простого «микроскопирования» — процесса работы с микроскопом.

Источники:

• Гурский Г. И., Князев А. С. «Электронная микроскопия». — М.: Изд-во МГУ.
• Агамалиев Ф. Г. «Электронная микроскопия». — Баку: Элм.
• Михайлов Г. К. «Введение в оптическую микроскопию».
• Бинниг Г., Рорер Х. Scanning Tunneling Microscope. — IBM Zurich Research Laboratory, 1982.
• Материалы Нобелевского комитета по премиям по физике (1953, 1986, 2014) и по химии (2014).