Методы контраста в световой микроскопии (I часть)

3 Февраля 2019

Человеческий глаз может различать объекты, если они отличаются от фона яркостью, цветом, насыщенностью, удалённостью и тому подобным. Оптический контраст прямо пропорционален разности яркости объекта наблюдения и фона, и обратно пропорционален яркости объекта наблюдения: K (контрастность) = (B1-B2)/B1. Для контрастирования могут использоваться различные фильтры, пластинки с прорезями, линзы и зеркала, устанавливающиеся в оптическом канале. Эти элементы: отсекают определённую область спектра электромагнитного излучения, задерживают ход лучей, изменяют угол падения светового пучка, собирают или рассеивают лучи света.

Светлое поле – это метод освещения конусом света, который преломляется, отражается и рассеивается от образца, формируя изображение. Пройдя через образец или отразившись от него, свет проходит через объектив, тубусную призму, линзы окуляров/c-mount адаптеров и регистрируется камерой или глазами. Нюансов не много: как минимум, нужно достаточно света, чтобы отчётливо увидеть объект и нужен конденсор, для равномерного распределения света в поле зрения. Если другие методы контрастирования не требуются, то используйте Olympus CX23, CX33 и Hund MedPrax. При светлом поле важное значение имеет именно центровка освещения, настройка «освещение по Кёллеру». При таком освещении, свет попадает в отверстие апертурной диафрагмы конденсора, ограничивающей размер пучка света. Регулируя диаметр апертурной диафрагмы можно изменять максимальный угол конуса освещения образца, а полевой диафрагмой можем регулировать размер освещаемой площади.


Рис. 1. Принцип освещения по Кѐллеру. 1 – источник света, 1а – изображение источника света, 2 – коллектор, 3 – полевая диафрагма осветителя, 3а – изображение полевой диафрагмы, 4 – светофильтр, 5 – апертурная диафрагма, 6 – конденсор, 7 – препарат, 8 – объектив микроскопа

Тёмное поле – это метод контрастирования, при котором образец освещается полым конусом света, который рассеивается от образца и формирует изображение. Метод был разработан Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом в 1903 году и подходит только для объектов минимально отражающими и поглощающими свет, то есть, предназначен для микроскопирования прозрачных объектов.


Рис. 2. Освещение препарата в методе темного поля в отражённом свете.

Темнопольные объективы (рисунок 2, слева) для исследований в отражённом свете кардинально отличаются от светлопольных: от осветителя свет проходит через диафрагму (это исключает засветку по центру) по каналам в стенке объектива и падают на образец по касательной под таким углом, чтобы рассеиваться от неровностей и не попадать в оптический канал объектива. То есть ровную поверхность мы не видим (так как она не рассеивает свет) – это тёмная область в поле зрения, а все неровности – светлые. Для этого метода исследования используются темнопольные микроскопы Olympus BX43 и BX53M.

Из особенностей этого метода надо отметить, что, если у объективов будет слишком высокая апертура, а значит и большой угол конуса раскрытия света, то часть света не рассеется от образца, а отразится от поверхности и попадёт в объектив. Для того, чтобы этого избежать, в темнопольных объективах установлена ирисовая диафрагма, которую вы можете видеть, например, в объективах с большим увеличением UPLFLN100XOI2/1.3.


Рис. 3. Трепонема в тёмном поле.

Фазовый контраст – это метод преобразования сдвига фаз в изменения амплитуды световой волны, то есть, яркости. Фазовые изменения, которые зависят от толщины, состава, геометрии и т.д. возникают из-за различных показателей преломления в прозрачных объектах, а, следовательно, разности ходов лучей.


Рис. 4. Клетка в фазовом контрасте.

Метод фазового контраста был разработан в 1934 году Ф. Цернике, который через 19 лет получил мировое признание и стал лауреатом Нобелевской премии в области физики. С помощью этого метода впервые стало возможно наблюдать структуру неокрашенных клеток. Диаметр клетки без ядра может быть меньше 1 мкм и не обладать свойствами поглощения видимой области светового спектра, что затрудняет её наблюдения по методам светлого и тёмного поля.


Рис. 5. Устройство фазового контраста.

Фазовый контраст основан на том, что сдвиг фазы лучей, проходящих через биологические объекты, примерно равен (90°). Чтобы понять область применения метода, объясним, как он работает.

Когда световые волны проходят через среду, отличную от вакуума, взаимодействие со средой приводит к изменению амплитуды и фазы волны в зависимости от свойств среды. Изменения амплитуды (яркости) возникают из-за рассеяния и поглощения света, который часто зависит от длины волны и может приводить к появлению цветов.

Обратите внимание на график, есть две оси: амплитуда и время. Нам сейчас интересно смещение волн по оси времени, без изменения фазы. Проходя через клетки, фаза смещается, примерно, на четверть от первоначальной длины волны. Теперь посмотрите на рисунок 5. Проходя через кольцевую диафрагму, свет падает полым конусом на объект, проходит через него, разделяется на два луча: один луч (полая воронка света, фоновый свет) попадает в объектив, не преломляясь от клетки и проходит через фазовую пластинку, на которой, в канавке между центром и краем, нанесен специальный материал, задерживающий свет на -90° (тогда это отрицательный фазовый контраст) либо наоборот сдвигающий на +90° (положительный фазовый контраст); второй луч преломляется, рассеивается (становится дифрагированным) в фазовом объекте (клетки, маленькие кристаллы и т.д.) и тоже приобретает сдвиг по фазе.


Рис. 6. Фазовые пластинки.

Фоновый свет, пройдя через канавку в фазовом кольце, распределится более-менее равномерно во всём поле зрения и произойдёт интерференция когерентного света (ведь свет, замедленный при прохождении через клетку, находится в той же фазе). Таким образом Вы видите увеличение амплитуды там, где фоновый свет, накладывается на дифрагированный.

Такой метод подойдёт только для тонких объектов, потому что длина волны видимого света мала, и чтобы хорошо видеть сдвиг, необходимо, чтобы объект смещал его примерно на 90°. Через напыление в канавке фазового кольцо проходят не только фоновые волны, но и дифрагированные волны смещаются по фазе, однако они не интерферируют и не искажают картину.

Качественный фазовый контраст легко настроить на микроскопах Olympus CX43, BX53, CKX53 и IX53. Настраивая фазовый контраст, необходимо совместить кольцо света, прошедшего через фазовую пластинку конденсора, с фазовым кольцом объектива.

Симулятор настройки фазового-контраста: https://www.olympus-lifescience.com/ru/microscope-resource/primer/java/phasecontrast/phasemicroscope/


Поляризационный контраст – это оптический метод обнаружения, определения свойств и строения анизотропных объектов по характеру их двулучепреломления и цвету.

Явление поляризации света при отражении открыл Этьен Луи Малюс в 1808 году, а двумя годами позже предложил метод определения оптической оси кристалла. Не менее важный вклад внёс Дэвид брюстер, открыв 1815 двулучепреломление в средах с искусственной анизотропии и круговую поляризацию.

Открытие поляризации дало возможность исследователям наблюдать поведение света при прохождении через кристаллы. Например, если просматривать текст через исландский шпат CaCO3, то вы увидите, как текст двоится (см. рисунок 7).


Рис. 7. Двойное лучепреломление.


Рис. 8. Оптическая ось кристалла.

Так как, разные кристаллы «раздваивают» свет по-разному, их можно классифицировать по светопреломлению. Обратите внимание на рисунок №8. Падающий пучок разделяется на обыкновенный и необыкновенный лучи. Буквенные обозначения ne и no – это показатели преломления необыкновенного луча и обыкновенного – соответственно. Ниже приведём таблицу этих показателей.

Кристалл

n0

neмакс

D = neмакс - n0

Исландский шпат

1,65836

1,48639

-0,17197

Кварц

1,5442

1,5533

+0,0091

Каломель

1,9733

2,6559

+0,6826

Натриевая селитра

1,587

1,336

-0,251


Чтобы отсечь фоновый свет, который состоит из множества электромагнитных волн, колеблющихся в разных плоскостях и направлениях, необходимо использовать поляризаторы, поляроиды или поляризационные решётки. Щели в поляризационных решётках на столько малы, что через них проходят электромагнитные волны, лежащие в одной плоскости, как показано на рисунке 9. Такой поляризованный свет, пройдя через лучепреломляющий материал, разложится на два луча. Непреломлённый луч, двигающийся в той же плоскости будет отсечён другой решёткой, повёрнутой на 90º, по отношению к первой решётке. В итоге, если исследуемый образец находится между двумя скрещенными поляризационными решётками, поляризаторами или поляроидами, то на выходе будет виден только преломлённый свет.


Рис. 9. А - источник света. В – неполяризованный свет. С – поляризационная решётка. D –поляризованный свет.

В поляризационном микроскопе можно увидеть не только двулучепреломление, но и дихроизм (свойства некоторых кристаллов поглощать больше одни волны одной длины, чем другой), фотоупругость (изменение цвета анизотропных участков в изотропных средах, под действием механических напряжений), отследить вращение плоскости поляризации, а также интерференцию поляризационных лучей. В некоторых кристаллах (кварц, киноварь), чистых растворах (скипидар) и газах, наблюдается вращение плоскости поляризации. При этом происходит изменение интенсивности света, это связано с поворотом электрического вектора световой волны. В чистых веществах, по изменению интенсивности света при вращении плоскости поляризации, судят о толщине слоя вещества, концентрации оптически активных частиц и других характеристиках.


Рис. 10. Фотоупругость.

Интерференцию поляризованных лучей в кристалле используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, а в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения напряжений и деформаций в твёрдых телах. Во многих кристаллографических лабораториях и бюро СМЭ, используются поляризационные микроскопы Olympus BX53P и Hund H600POL.

Стоит заметить, что поляризационные фильтры используют и для снижения бликов и засветов, потому что из всех электромагнитных волн, колеблющихся в разных плоскостях, остаются только те, которые колеблются в плоскости поляризатора и не интерферируют между собой.

Дифференциально-интерференционный контраст – это метод изучения преломляющей способности анизотропных сред по интерференции поляризованных лучей, проходящих через них.


Рис. 11. Виды поляризации. Поляризация описывается фигурами Лиссажу и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты

В отличии от ранее рассмотренного поляризационного контраста, при ДИК микроскопии, между поляризатором и анализатором устанавливается призма Номарского, которая разделяет свет на два отдельных световых луча с ортогональной плоскостью поляризации. Эти два световых луча проходят вблизи друг друга через образец. Поскольку они испытывают различное преломление или рассеяние в образце, происходят разные фазовые сдвиги. Пройдя через образец лучи соединяются и преобразуются в эллиптически поляризованные лучи. Обратите внимание на рисунок 11, красным и зелёным цветом показаны магнитное и электрическое поля. Если их фазы совпадают, то свет линейно-поляризован, но если они движутся в разных фазах, то колебания света (голубая линия) приобретают эллиптический вид.

Преобразуется эллиптически поляризованный свет в амплитудный сдвиг волны, с помощью анализатора. Таким образом, можно сделать видимыми фазовые сдвиги разностей длин волн до 1/200 длины волны (или даже 1/1000 длины волны с использованием камеры) и всей длины волны.


Рис. 12. Amoeba Proteus. Слева ДИК, справа – светлое поле.


Рис. 13. Схема ДИК микроскопии в проходящем свете.

Дифференциально-интерференционный контраст по пунктам:

  1. Исходно неполяризованный свет поляризуется, проходя через поляризатор. Плоскость поляризации наклонена на 45º к оси изображения.
  2. Поляризованный свет проходит через призму Номарского (которая состоит из двух преломляющих призм Волластона) и расщепляется на два пучка волн со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.
  3. Два луча сфокусированы с помощью собирающей линзы конденсора (или объектива, если в отражённом свете) перед прохождением через образец. Лучи сфокусированы так, что они проходят через две соседние точки образца, расстояние между которыми приблизительно 0,2 мкм.
  4. Лучи (с поляризацией 0º и 90º) проходят через области с разной оптической плотностью, от чего у них разное время прохождения через образец (различия по фазе).
  5. После этого, два пучка попадают в объектив, отражаясь от образца, либо проходя через него.
  6. При исследованиях в отражённом свете, лучи проходят ещё раз через призму ДИК, но с поляризацией 135° по отношению к плоскости рисунка, а в проходящем свете, через ещё одну призму Номарского, находящуюся за объективом. Освещение объекта двумя лучами с разной поляризацией, формирует два, немного смещённых, изображения. Пройдя ещё раз через ДИК призму, лучи накладываются, что приводит к их интерференции и мы наблюдаем объёмное изображение. Изменение цвета при ДИК – интерференционная окраска, возникает из-за интерференции лучей с разными фазами.

Для дифференциально-интерференционного контраста микроскопии требуется просветлённая оптика с максимальной пропускной способностью и без напряжений, то есть Планфлуорит, которой комплектуются Olympus BX63 и BX53M.


Рис. 14. Формирование изображения при дифференциально-интерференционном контрасте.


Перейти на страницу с микроскопами в нашем каталоге

Возврат к списку