optinio mikroskopo principinė schema: 1 – apšvietiklis, 2 – kolektoriaus lęšis, 3 – lauko diafragma, 4 – apertūrinė diafragma, 5 – kondensorius, 6 – objektas, 7 – objektyvas, 8 – objektyvo apertūra, 9 – okuliaras, 6" – menamasis objekto atvaizdas, 6' – tikrasis objekto atvaizdas
atominės jėgos mikroskopo schema: 1 – tiriamasis objektas, 2 – zondas, 3 – lankstusis liežuvėlis, 4 – lazeris, 5 – lazerio spindulys, 6 – veidrodis, 7 – detektorius
optinis mikroskopas
mikroskòpas (gr. mikros – mažas + skopeō – žiūriu, stebiu), prietaisas smulkių objektų padidintiems atvaizdams gauti. Yra optiniai (padidintas atvaizdas sudaromas šviesos bangomis, elektroniniai (įgreitintų elektronų pluoštais), pozitroniniai, joniniai, akustiniai (ultragarsinio dažnio akustinėmis bangomis), žvalgomojo (skenuojamojo) zondo mikroskopai (tunelinis, atominis, magnetinės jėgos, elektrocheminis ir kiti). Plačiai naudojami seniausiai išrasti optiniai mikroskopai. Optinį mikroskopą sudaro tiriamojo objekto apšvietimo sistema, diafragmos objektyvas ir okuliaras. Naudojami optiniai lęšiai daromi iš specialaus stiklo, kartais plastiko. Šviesos spinduliai nuo objekto patenka į objektyvą, kuris sukuria tikrąjį apverstą ir padidintą daikto atvaizdą. Šis atvaizdas matomas pro okuliarą, kuris dar padidina ir sukuria tariamąjį daikto atvaizdą geriausio regėjimo nuotoliu (D = 250 mm). Optinio mikroskopo bendras didinimas lygus objektyvo ir okuliaro didinimų sandaugai, gali būti 50–2000, skiriamoji geba apie 200 nm. Pagal stebėjimo metodus optiniai mikroskopai skirstomi į poliarizacinius, interferencinius, liuminescencinius (mikroskopija).
Naudojama ir kitokio bangos ilgio elektromagnetinė spinduliuotė – labai didelės skiriamosios gebos yra rentgeno mikroskopas, juo atvaizdas sudaromas naudojant rentgeno spinduliuotę. Holografinis mikroskopas veikia holografijos principu.
Elektroninis mikroskopas padidintą objekto atvaizdą sudaro elektriniame lauke įgreitintais elektronų pluoštais. Elektroniniuose mikroskopuose naudojami elektroniniai lęšiai – specialūs elektromagnetai, ašies ar plokštumos atžvilgiu kuriantys simetrišką elektrinį ar magnetinį lauką, kuris elektronus kreipia taip pat, kaip optinis lęšis šviesos spindulius. Elektroninio mikroskopo didinimas siekia 106, skiriamoji geba tūkstančius kartų didesnė už optinio. Yra peršvietimo ir rastriniai, arba žvalgomieji, elektroniniai mikroskopai. Elektroninio peršvietimo mikroskopo kondensoriai suformuoja vakuume judančių įgreitintų elektronų pluoštą, kuriuo apšviečiamas tiriamas objektas. Elektronų sklaida priklauso nuo objekto tankio, cheminės sudėties, paviršiaus reljefo ir yra skirtinga įvairiuose objekto taškuose, todėl neišsklaidytų elektronų tankis pjūvyje yra nevienodas ir galima sudaryti regimąjį objekto atvaizdą. Elektroninis atvaizdas paverčiamas regimuoju, pvz., praėjusius elektronus nukreipiant į liuminescencinį ekraną, kurio švytėjimas proporcingas į jį krintančių elektronų tankiui. Atvaizdą galima fiksuoti fotonuotraukoje, t. p. gali būti naudojami krūvio kaupimo įtaisai (CCD).
elektroninis mikroskopas
Žvalgomuosiuose elektroniniuose mikroskopuose į tiriamo bandinio paviršių nukreipiamas siauras elektronų pluoštas, vadinamas elektroniniu zondu; juo tolygiai žvalgomas tam tikras bandinio paviršiaus plotas. Dėl elektroninio zondo ir bandinio sąveikos kiekviename taške išspinduliuojami antriniai ir Auger elektronai, sužadinama būdingoji rentgeno, kartais katodinė liuminescencinė spinduliuotė, atspindima dalis pirminio pluošto elektronų, pn sandūrose sukeliama elektrovara. Visi šie reiškiniai gali būti naudojami bandinio atvaizdui sudaryti. Įvairių žvalgomojo zondo mikroskopų veikimo principas yra bandinio paviršiaus žvalgymas specialiu zondu, kuris tam tikru būdu (priklauso nuo paviršiaus tipo) sąveikauja su paviršiumi. Zondas žvalgo bandinio paviršių, mikroskopo valdymo elektronine įranga gauna signalą iš detektoriaus ir valdo zondo poslinkį statmenąja (z ašies) kryptimi – taip palaikomas ryšys tarp mikroskopo detektoriaus signalo ir zondo atstumo nuo bandinio paviršiaus. Kompiuteriu apdorotas signalas paverčiamas bandinio topografinių ar kitokių savybių atvaizdu. Galimas darbo režimas be grįžtamojo ryšio. Tokio tipo mikroskopo vibracijos izoliacija turi būti itin gera. Pagal sąveikos rūšį yra įvairių žvalgomojo zondo mikroskopų, pvz., tunelinis, atominės jėgos, optinis artimojo lauko mikroskopas ir kiti. Žvalgomojo tunelinio mikroskopo zondas yra smailiaviršūnė metalinė adata (dažniausiai volframinė, su kelių nanometrų spindulio smaigaliu), tarp kurios smaigalio ir bandinio paviršiaus (atstumas tarp jų apie 0,01 nm) sukuriama 10 mV įtampa ir atsiranda tunelinė srovė. Srovės pokyčiai užrašomi, vizualizuojami ir gaunamas bandinio paviršiaus atvaizdas. Šiais mikroskopais tiriami laidininkai arba puslaidininkiai, t. p. šiek tiek laidūs biologiniai objektai. Jų skiriamoji geba apie 0,1–1 nm (didžiausia iš visų mikroskopų).
atominės jėgos mikroskopas
Atominės jėgos mikroskopo (schema parodyta brėžinyje) zondas yra ant lanksčiojo liežuvėlio pritvirtintas smaigalys (dažniausiai silicio arba silicio nitrido), kuris liečiasi su paviršiumi arba yra van der Waalso jėgų veikimo srityje, o grįžtamojo ryšio mechanizmas palaiko vienodą sąveikos jėgą tarp zondo ir paviršiaus jį žvalgant. Sąveikos jėga proporcinga liežuvėlio nuokrypiui, jis užrašomas optiškai, t. y. nuo liežuvėlio atsispindėjusiu lazerio spinduliu, kuris nukreipiamas į fotodetektorių, pvz., specialų fotodiodą, Fabry ir Pérot interferometrą. Yra keli atominės jėgos mikroskopo darbo režimai – sąlytinis, nesąlytinis ir virpamojo zondo. Skiriamoji geba nuo 0,01 Å iki 20 nm. Kai kurių didelės skyros atominės jėgos mikroskopų darbinė dalis šaldoma azotu arba skystuoju heliu.
Yra kitokių jėgų mikroskopų, kurių veikimas grindžiamas kitokio pobūdžio sąveika tarp zondo ir paviršiaus, pvz., magnetinės jėgos (zondas iš magnetinės medžiagos), elektrinės jėgos (zondas laidus, virpinant jį virš elektros krūvio zonde sukeliamos elektros srovės, srovės zonde slopsta, pagal užrašytą zondo virpesių fazę ir amplitudę nustatomas bandinio paviršinių krūvių pasiskirstymas), horizontaliųjų adhezijos jėgų, chemiškai atrankiojo zondo ir kitų, prie žvalgomojo zondo mikroskopų priskiriamas ir termomikroskopas. Jis turi kaitinamąjį zondą, termoporą, matuojančią jo temperatūrą, bandinys dedamas ant šalto nekintamos temperatūros padėklo. Pagal bandinio šiluminę talpą ir šilumos laidumą kinta zondo temperatūra. Apdorojus matavimo duomenis gaunamas paviršiaus šilumos laidumo ir šiluminės talpos atvaizdas. Žvalgomojo zondo mikroskopai taikomi ne tik paviršiui analizuoti, bet ir jam modifikuoti. Paviršiuose mechaniškai darant griovelius (naudojami deimantiniai zondai, iki kelių dešimčių nanoniutono jėga) arba elektrochemiškai (tirpaluose) ardant arba priauginant medžiagą prie paviršiaus gali būti suformuoti įvairūs dariniai. Kiek kitokiu principu veikia optinis artimojo lauko mikroskopas. Jų skiriamosios gebos (siekia dešimtis nanometrų) neriboja difrakcija. Taškinio šviesos šaltinio šviesa pro mažą apertūrą apšviečia tiriamą bandinį, kuris yra artimajame šviesos lauke, t. y. daug mažesniu nuotoliu negu šviesos bangos ilgis. Tiriamo bandinio lūžio rodiklio, įtempio nevienodumas, skirtinga atspindžio geba, nevienodas skaidrumas įvairiuose taškuose, atspindėtos ar perėjusios šviesos poliarizacijos kitimai ir kita leidžia sudaryti bandinio atvaizdus. Mikroskopo zondas yra aliuminiu padengtas vienmodis šviesolaidis su maža (50–100 nm) apertūra smaigalyje. Yra keli artimojo lauko mikroskopo veikimo būdai: bandinio tašką galima apšviesti pro šviesolaidinį zondą, o išsklaidyta tolimojo lauko šviesa surenkama detektoriumi, arba bandinys apšviečiamas tolimojo lauko šviesa, o zondas surenka artimojo lauko šviesą iš bandinio mažo ploto. Kartais bandinys ir apšviečiamas, ir jo išsklaidyta arba fluorescencijos šviesa surenkama tuo pačiu zondu. Atstumą tarp taškinio šviesos šaltinio (zondo) ir bandinio paviršiaus kontroliuoja grįžtamojo ryšio sistema, šviesa gali būti surenkama įvairiais įtaisais, pvz., griūtiniu fotodiodu, fotodaugintuvu, krūvio kaupimo įtaisu, spektrometru ir kitais. Sukurtas fotoninės jėgos mikroskopas. Tai prietaisas, leidžiantis stebėti vienintelę dalelę, esančią optinėje gaudyklėje. Objektyvo lęšio sufokusuotas lazerio spindulys krinta į stebimą dalelę, esančią židinio srityje, optinė jėga sukuria trimatę optinę gaudyklę, kurioje dalelė atlieka Browno judesius.
Jos išsklaidyta ir neišsklaidyta šviesa sukuria interferencinį atvaizdą, kuris kitu lęšiu projektuojamas į kvadrantinį fotodiodą. Priimti signalai apdorojami ir analizuojami (nustatoma dalelės ir jos terpės sąveika, tiriamos paviršinės, molekulių ryšio jėgos, klampiai tampriosios jėgos, vietinė difuzija ir kita). Mikroskopai naudojami įvairiose mokslo ir technikos srityse: biologijoje, medicinoje, chemijoje, mineralogijoje, kristalografijoje, fizikoje, medžiagotyroje, nanotechnologijose, pramonėje ir kitur. Dar skirstomi pagal objekto atvaizdo pateikimo būdą (pvz., projekciniai, stereoskopiniai), paskirtį (matavimo, metalurginiai, chirurginiai ir kiti). Pro mikroskopą pritaisytomis specialiomis analoginėmis ar skaitmeninėmis kameromis filmuojami spartūs ar lėti procesai (mikroorganizmų judesiai, ląstelių dalijimasis, kristalų augimas ir kita).
elektroniniu mikroskopu gautas aukso dangos vaizdas
Istorija
Dviejų lęšių sistemomis padidinti objektų atvaizdai Nyderlanduose ir Italijoje buvo gaunami jau 16 amžiuje. 1590 akinių gamintojai broliai Hansas ir Zacharijus Janssenai (Nyderlandai) laikomi mikroskopo išradėjais. Ch. Huygensas 1600 sukonstravo 2 lęšių okuliarą. Mikroskopus pradėta gaminti 17 a. pradžioje, kai G. Galilei sukonstravo žiūroną, kuriame buvo galima keisti atstumą tarp objektyvo ir okuliaro. Apie 1665 R. Hooke’as mikroskopą pritaikė moksliniams tikslams (jis nustatė, kad gyvūnų ir augalų audiniai sudaryti iš ląstelių). 1675 A. van Leeuwenhoekas mikroskopu aptiko mikroorganizmus. L. Euleris 1770–71 sukūrė mikroskopo skaičiavimo metodų, 1840 Giovannis Battista Amici (Italija) mikroskope panaudojo imersinį objektyvą, o 1850 išrado achromatinį mikroskopą. 1850 H. C. Sorby sukūrė atvaizdų sudarymo mikroskope teoriją, 1893 sukurti interferencinės mikroskopijos pradmenys. 1912 Josephas Edwinas Barnardas (Didžioji Britanija) išrado ultramikroskopą, 1932 F. Zernike – fazinio kontrasto mikroskopą. Elektroninis mikroskopas išrastas 1938 (E. A. F. Ruska). 1981 G. Binnigas ir H. Rohreris sukūrė žvalgomąjį tunelinį mikroskopą. 1986 išrastas atominės jėgos mikroskopas (G. Binnigas, Calvinas Forrestas Quate’as ir Christophas Gerberis), 1987 – pozitroninis peršvietimo mikroskopas (Jamesas van House’as ir Arthuras Richas). Optinis artimojo lauko mikroskopas išrastas 1992–94 (Dieteris Wolfgangas Pohlis ir kiti).
elektroninio peršvietimo mikroskopo principinė schema: 1 – elektronų šaltinis, 2 – elektronų greitinimo įtaisas, 3 – kondensorius, 4 – objektas, 5 – objektyvo lęšiai, 6 – tarpinis atvaizdas, 7 – projekcinių lęšių sistema, 8 – galutinis atvaizdas