CASTLE.PRI.EE

Записи с меткой «лупа»

Краткое изложение статьи «Оптика: микроскопическая и вирусная» (Brusek Kodłuch).

Зри в корень – это означает найти суть, то есть предназначение любого предмета, события, явления.

Если, отсутствует понимание предназначения, то отсутствует возможность понять смысл действия и последствий действия этого предмета, события, явления.

«Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке?» — фраза, которая приводится как пример безсмысленного спора, обсуждающего малозначимые детали. В других вариантах фразы ангелы могут «сидеть» «на кончике иглы». В статье, попробуем ответить на вопрос: «Сколько вирусов находится на острие булавки?»

Напомню вам основные знания о микроскопах и возможности увидеть микроорганизмы с их помощью.
Разрешающая способность среднего человеческого глаза составляет около 0,2 мм (0,176 мм) на расстояние острого «ближнего» зрения, то есть примерно на 25 см.
В среднем человек способен различить два элемента, отстоящие друг от друга на 1,75 мм, с расстояния 6 метров.
Стандартная лупа имеет двукратное увеличение (2x), что соответствует фокусному расстоянию 25 см, что даёт нам увеличение, равное 4 диоптриям. Оптимальная острота зрения человека на близком расстоянии составляет 25 см. Если уменьшить фокусное расстояние, то мы выйдем за диапазон 10 — 25 см, а изображение просто пропадёт. Для большего увеличения лупы следует использовать двухлинзовую систему, как бы отодвигающее видимое изображение, создаваемое лупой, так, чтобы оно находилось в поле нашего зрения.
Часовщики чаще всего используют лупы с увеличением от 3,5 до 7 крат.

Увеличение более 6 крат можно получить только с трёхлинзовыми системами. «Тройка» представляет собой систему вогнутых и выпуклых линз, либо склеенных канадским бальзамом, либо отстоящих друг от друга на соответствующем расстоянии. Такие линзы бывают выпуклыми и вогнутыми, и должны изготавливаться из разных и чётко определённых типов стёкол, различающихся по показателю преломления, для компенсации сферической и хроматической аберрации.
Тройную лупу, с максимально возможным увеличением 30Х, изобрёл, рассчитал и сконструировал Чарльз Шелдон Гастингс. Нынешние ювелирные лупы обычно представляют собой «тройки». Но даже с «тройной» лупой мы можем получить максимум «30-кратное» увеличение. Другими словами, при хорошем человеческом зрении мы можем видеть пять линий на линейке, между штрихами, обозначающими расстояние 1 мм (разрешение 0,2 мм).

С помощью лупы с увеличением «5 х» мы в состоянии различить 25 таких расстояний между линиями, отмечающими расстояние в 1 мм, то есть увидеть что-то большее или равное 0,04 мм.
Следовательно, с помощью «тройной» лупы с увеличением «30 х» мы можем видеть элементы размером 0,00666 мм = 6,67 мкм (микрометры).
Это предел увеличения с увеличительным стеклом. Чтобы добиться большего увеличения, нам нужно использовать дополнительную систему линз, чтобы отодвинуть видимое изображение от нашего глаза на расстояние «хорошего зрения». Нам предстоит построить микроскоп, добавив к лупе-объективу дополнительный «окуляр».

Наибольшее увеличение, которое было получено в 1958 году, составляло 1000 раз. Википедия пишет: «Современные оптические микроскопы позволяют достичь увеличения в 1500 раз». Оптический микроскоп в видимом свете позволял различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм (200 нанометров).

Так было до создания в 2006 году наноскопического микроскопа (оптического наноскопа), который позволяет наблюдать объекты размером около 10 нм (и даже меньше), получать при этом качественные трёхмерные изображения объектов. Ведутся работы по получению кристаллов нитрида бора с гексагональной решёткой (hBN) из изотопов бора чистотой 99%.

У рядовых учёных отсутствует возможность использовать оптические микроскопы с увеличением 1500 раз и «наноскопы». Для нас важна информация о том, что в оптическом микроскопе можно получить максимальное увеличение, позволяющее «различать структуры с расстоянием между элементами до 0,20 мкм = 0,0002 мм = 200 нм».
Это связано с законами оптики!

Типовые микроскопы «для биологов» или для кристаллографических работ обычно имеют объективы с увеличением: 4х, 10х, 100х; и очки с увеличением до 10х. Наиболее часто выбираемый комплект, это объектив и окуляр, дающий общее увеличение 50 — 200 х. Теоретически увеличение 1000 х (например, объектив 100 х и окуляр 10 х) возможно, хотя сложно и требует от пользователя большого опыта, из-за очень малой глубины резкости и сложности освещения образца, почти касающегося объектива.

В каталогах микроскопов хороших фирм указано «максимальное расстояние между образцом и объективом микроскопа». В микроскопах хорошего качества она составляет не более 5-6,5 мм. Речь идёт о современных микроскопах «для профессионалов», цена которых начинается от 4000 евро за штуку. Микроскопы, используемые в лабораториях контроля качества, чаще всего имеют общее увеличение, менее 100 крат.

Из-за проблем с освещением испытуемого образца и получением достаточной резкости для «промышленно-лабораторных» целей чаще всего используют увеличения порядка 40-70 крат.
Переведем эти увеличения «умноженные на число» в микроны и вернёмся к количеству наших рисок, нанесённых на расстоянии, равном 1 мм.
1 мм = 1000 микрометров (1000 мкм) = 1 000 000 нанометров (миллион нанометров)

Разрешение типичного человеческого зрения на расстоянии хорошего зрения (25 см) — 0,2 мм = 200 микрометров (мкм).
5-кратное увеличение (хорошая лупа) — 0,04 мм = 40 микрометров (мкм)
30-кратное увеличение (максимальное увеличение триплетной лупы) — 0,00666 мм = 6,67 мкм (микрометры = мкм).
100-кратное увеличение (приличный микроскоп) — 0,002 мм (2 микрометра = 2 мкм = 2 микрометра = 2000 нанометров).
Увеличение 1000x (очень хороший микроскоп высшего уровня) — 0,0002 мм (0,2 микрометра = 0,2 мкм = 0,2 микрона = 200 нанометров).
1500-кратное увеличение (Википедия) — 0,000133 мм = 0,1333 мкм = 133 нм
Оптический микроскоп «Наноскоп» – увеличение 20 000 раз — 0,01 мкм = 10 нанометров.

Сравним это с величиной бактерий и вирусов. Википедия: «Бактерии чаще всего одноклеточные (хотя встречаются и примитивные многоклеточные формы), часто образуют колонии… Размер бактериальных клеток колеблется от 0,175 мкм у Mycoplasma до 750 мкм у Thiomargarita namibiensis. Они могут иметь разную форму, например, шаровидную, стержневидную или спиралевидную. Часть бактерий могут объединяться друг с другом, образуя рыхлые характерные пространственные системы (например, пакеты, стрептококки, трихомы)».

Как видите, отсутствует возможность увидеть в микроскоп с увеличением 1000X «маленькие бактерии» размером от 0,2 до 0,175 микрометра. Чтобы увидеть «крупные бактерии», размером 750 микрон = 0,75 мм, нам понадобится всего лишь обычная лупа с увеличением от 3 до 5 раз!

Википедия: «Вирусы, важные с медицинской точки зрения, обычно имеют размер от 18 нм (нанометры) (классифицируются как малые – парвовирусы) до 300 нм (классифицируются как крупные – вирусы оспы). Вирусы, как правило, меньше, чем бактерии, и подавляющее большинство из них проходит через микробные фильтры, которые улавливают бактерии. Один из крупнейших известных вирусов, мимивирус, имеет диаметр 400 нм, а самые мелкие бактерии (Mycoplasma, Ralstonia pickettii) имеют длину всего 200–300 нм. Обнаруженный в вечной мерзлоте Pithovirus sibericum достигает 1,5 мкм в длину.

Бактериофаги можно разделить на:
— содержащие двухцепочную ДНК — самая многочисленная группа бактериофагов со смешанным строением, многогранной головкой размером 100 нм и с хвостом.
— содержащие одноцепочную ДНК – например, полиэдрические или спиральные размером 27 нм,
— содержащие РНК – 20, размером 25 нм».

Напомню, что Википедия говорит, что наибольшее увеличение оптического микроскопа в настоящее время имеет разрешение 200 нм (0,2 мкм), а
большинство вирусов имеют длину от 25 до 200 нм.

Как видите, отсутствует возможность увидеть в оптический микроскоп, при увеличении 1500х, с максимальным разрешением 0,000133 мм = 0, 1333 мкм = 133 нм «мелкие бактерии», а уж тем более «мелкие вирусы» (бактериофаги).

Якобы «известный» вирус гриппа (Covid-19) имеет диаметр ядра около 85 нм, с шипами 20 нм. Если это так, максимальный сквозной размер составляет 125 нанометров. Ниже разрешения микроскопа с увеличением 1500 х.

Рассмотрим «видимость» компонентов крови. Википедия: «Эритроциты были впервые обнаружены и точно описаны как круглые клетки, уплощенные в центре, Антоном ван Левенгуком в 17 веке.
Нормальный эритроцит млекопитающих представляет собой округлую двояковогнутую клетку. Размер варьируется, в зависимости от животного, от 2 до 9 мкм (у человека он имеет диаметр 6–7 мкм). Тромбоциты – это дискообразные структуры, более мелкие, чем другие клеточные компоненты крови, размером около 1-2 мкм.

Мы можем увидеть тромбоциты и эритроциты только в микроскоп с увеличением в 100 раз (2 микрометра). Отсюда понятно, что у Антони ван Левенгука в 1686 году, отсутствовала возможность увидеть бактерии, а тем более красные кровяные тельца.

Более мелки частички мы можем увидеть в «электронный микроскоп».
Википедия: «В электронном микроскопе для получения изображения используется электронный луч. Он позволяет изучать строение вещества на атомарном уровне. Чем больше энергия электронов, тем короче их длина волны и тем больше разрешающая способность микроскопа.
Образец находится в вакууме и чаще всего покрыт металлической пленкой. Электронный пучок проходит по тестируемому объекту и попадает на детекторы. На основе измеренных сигналов электронные устройства воссоздают изображение испытуемого образца. Первый электронный микроскоп был сконструирован в 1931 году.

В электронном микроскопе, чтобы отобразить на экране изображение «чего-то очень маленького», мы бомбардируем образец «энергетическими частицами», исследования проводятся в высоком вакууме. «Электронные» микроскопы идеально подходят для просмотра структур «мертвой материи», таких как кристаллы, частицы горных пород, качество сварки и т. д.

В электронном микроскопе отсутствует возможность увидеть что-нибудь живое (клетку крови, бактерию), «полуживое» или «вирус». Это можно сравнить с тем, что мы хотим узнать, как устроен дом, который находится в полной темноте, довольно далеко от нас. Теоретически, мы можем представить конструкцию, обстреляв его артиллерийскими снарядами и засняв его издалека. В результате мы увидим взрывы, и, просматривая фильм кадр за кадром, можем прийти к разным гипотезам о его строении и материалах, из которых он был сделан. То есть электроны оказывают разрушительное воздействие на биологические объекты.

Кроме того, главный минус электронной микроскопии – требование работы в полном вакууме, ведь наличие какого-либо газа внутри камеры микроскопа может существенно исказить результаты.
При прохождении электронов через образец, одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие, из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. Кроме того, испускаются вторичные электроны, индуцируется рентгеновское излучение и т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.

Главная задача при подготовке образцов – получить достаточно тонкие образцы с минимальными повреждениями структуры в процессе подготовки.
Для подготовки образцов может использоваться химическое травление,
ионное травление, абразивная полировка. Полировка должна быть тщательной для получения постоянной толщины образца.
Как правило, ионное травление применяется в качестве финальной обработки после механической или химической предварительной обработки. Производится распылением поверхности образца бомбардировкой ускоренными ионами, обычно ионами аргона.

Метод реплик – заключается в получении слепка изучаемой поверхности нанесением плёнки другого материала, с последующим удалением материала образца. Просвечиванию подвергается полученный слепок. Широко применялся в ранних исследованиях, так как относительно прост, в отличие от других методов подготовки образцов.

Из всего выше сказанного, можно сделать вывод, что мы «видим» образец в электронный микроскоп – условно, то есть считаем, что он такой, как мы думаем. Что там на самом деле – только богу известно.

Продолжение в следующей статье.