XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Растровая электронная микроскопия на службе у биолога
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Цель работы: получить для биологических объектов увеличенные изображения, имеющие научную ценность, которые позволяют выполнять необходимые измерения, а также производить расчёты и теоретические обоснования. Задачи работы: изучить теоретический материал о световом и растровом электронном микроскопах. Сравнить характеристики изображений, полученных с помощью этих приборов. Получить серии фотографий биологических объектов. Произвести ряд измерений и расчётов. Рассмотреть теоретический материал по интерференции света на наноструктурах биообъектов. Данная тема актуальна, так как современная наука (и в частности биология) перешла на уровень изучения микромира и наномира. Практическая значимость проекта состоит в том, что собранный материал можно использовать в учебном процессе, а также непосредственно в профориентационной работе. Объект исследования – микроскопы и полученные на них изображения. Предмет исследования – вопросы качества изображения, достаточного для решения тех или иных конкретных задач, стоящих перед исследователем. Методы работы – работа с литературой, проведение экспериментов, фиксирование результатов с помощью фотографий и расчётов, разработка технологии получения изображений высокого качества. В процессе работы над проектом были использованы учебники и справочные материалы из интернета.
Новизна работы – получены изображения биологических объектов, произведён ряд измерений и вычислений размеров объектов и их деталей по фотографиям с электронного микроскопа.
2. Применение микроскопов в биологии
Многие заболевания растений и животных можно распознать только под микроскопом. Это используется в ботанике, ветеринарии, сельском хозяйстве, селекции. Можно производить микроскопический анализ почвы, в которой обитают дрожжевые грибы, водоросли, бактерии, простейшие организмы. Микроскопы позволяют учёным более детально изучать структуру биологических объектов, представляющих интерес для исследователей.
Виды современных микроскопов
Световые микроскопы можно классифицировать, например, по количеству оптических блоков или типу освещения. Для любителя подойдет монокулярный световой микроскоп с максимальным увеличением в 400 раз. Более сложные аппараты используются в узких областях науки.
Также существуют электронные и атомные микроскопы, которые в основном используются для научных исследований. Обычный просвечивающий электронный микроскоп похож на световой, за тем исключением, что объект облучается не световым потоком, а пучком электронов. Увеличение просвечивающего электронного микроскопа может достигать миллиона. Для атомно-силовых микроскопов и более. Такие микроскопы позволяют вести исследования на молекулярном и даже атомном уровне, что привело к последним достижениям в областях генной инженерии, медицины, биологии и других науках.
3. Почему выбрана данная тема исследований?
Интернет позволяет получать разнообразную информацию. И в данном случае изучая тему «Обыденные вещи под микроскопом», мы увидели удивительные изображения действительно обычных вещей, но увеличенные во много раз. Но так как сфера наших интересов – биология, то мы решили использовать микроскопы для исследовательской работы по биологии, изучая и совершенствуя технологию получения высококачественных изображений с максимально возможным увеличением, которое доступно на нашем оборудовании. Мы ориентировались на фотографии из интернета (рис.1) [1].
4. Устройство светового микроскопа
Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для исследования увеличенных изображений микрообъектов, которые невидны невооруженным глазом.
Основными частями светового микроскопа (рис. 2) являются объектив и окуляр, заключенные в цилиндрический корпус – тубус. Большинство моделей, предназначенных для биологических исследований, имеют в комплекте три объектива с разными фокусными расстояниями и поворотный механизм, предназначенный для их быстрой смены. Ниже объектива (или турели с несколькими объективами) находится предметный столик, где устанавливаются предметные стекла с исследуемыми образцами. Резкость регулируется с помощью винта грубой и точной настройки, который позволяет изменять положение предметного столика относительно объектива. Чтобы исследуемый образец был ярче, у микроскопов есть осветитель и конденсор [2, 3].
Увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива и окуляра. При увеличении окуляра 10 и увеличении объектива 40 общий коэффициент увеличения - 400. «Полезное» увеличение – предельное увеличение, при котором видно мелкие детали. «Бесполезное» – дальнейшее увеличение, при котором чёткость падает.
Разрешающая способность определяет способность системы изображать раздельно два близко расположенных точечных предмета. Характеризует качество и четкость изображения.
5. Методы приготовления препаратов для микроскопии
Препараты готовят обычно на предметных стеклах (толщина до 1,2 - 1,4 мм). Поверхность стекла тщательно очищена и обезжирена или протиранием эфиром, или обжиганием поверхности стекол в пламени горелки. Покровные стекла (толщина 0,15-0,17 мм) также вымыты и высушены [4].
6. Конструкции и принципы работы растрового электронного микроскопа
Растровый электронный микроскоп состоит из электронно-оптической системы для получения электронного зонда, манипулятора образца со столиком для его размещения, детектора вторичных электронов для сбора вторичных электронов (или детекторов других сигналов, получаемых из образца), блока отображения изображения и операционной системы для выполнения различных операций.
Электронно-оптическая система состоит из: электронной пушки, конденсорной линзы, объективной линзы для получения электронного зонда, отклоняющей системы, состоящей из катушек отклонения луча по направлениям X и Y для сканирования электронным зондом и других компонентов. Электронно-оптическая система и пространство окружающее образец находятся в вакууме. Основные узлы на примере микроскопа с термоэмиссионной пушкой схематически показаны на рисунке 3 [5].
Принцип действия растрового электронного микроскопа (РЭМ) состоит в следующем. Электроны, генерируемые пушкой, проходят через систему электромагнитных линз и других устройств, которые в итоге фокусируют узкий пучок электронов, так называемый электронный зонд, сканирующий поверхность исследуемого объекта. То есть, сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Диаметр сканирующего пучка от 5 – 10 нм и до единиц нм. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения РЭМ можно добиться. В результате взаимодействия электронов пучка с поверхностью образца генерируются вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов.
У растрового электронного микроскопа больше глубина резкости, чем у типичного оптического микроскопа. Глубина резкости — это способность видеть рельефные объекты сфокусированными по всей высоте объекта. Хотя у ряда современных оптических микроскопов есть программно-аппаратные решения для преодоления ограничений в глубине резкости.
В камере образцов РЭМ исследование образцов происходит в вакууме, так как иначе пучок электронов рассеивался бы на молекулах атмосферы и не долетал бы до образца. Влагосодержащие образцы теряют влагу в вакууме. Поэтому биологические образцы подвергаются специальной обработке.
7. Подготовка биологических образцов для электронного микроскопа
Биологические объекты подвергаются металлизации, то есть напылению наноплёнок в вакуумной установке. Атомы металла летят из испарителя, который нагревают электрическим током. Оседая на поверхности образца, они создают плёнку, которую можно исследовать (сканировать) электронным лучом.
8. Изображения, полученные на растровом электронном микроскопе
Трутовик настоящий.(Fomes fomentarius.) Трутовики – грибы, развивающиеся обычно на древесине. Плодовые тела: распростёртые сидячие или шляпконожечные. В данном случае плодовое тело сидячее. Гименофор – часть плодового тела, несущая на поверхности тонкий спороносный слой [7]. В данном случае это – трубочки. Рис. 4 – изображения гименофора с разной степенью увеличения.
Комар-пискун, или комар обыкновенный (Culex pipiens). Размером от 3 до 7 мм. Самки питаются соками растений (для поддержания жизни) и кровью (для развития яиц), то есть являются переносчиками заболеваний. Самец питается соками растений[8].. На РЭМ голова комара и фасетки - рис. 5, 6 . Хоботок – рис. 7. Лапка – рис. 8. Крыло – рис. 9.
Малый мучной хрущак. Tribolium confusum Duv. Когда-то хрущаки обитали в дуплах и под корой деревьев. Их пища была растительного и животного происхождения. Теперь их пища: зерно, мука, сушеные фрукты, орехи и другие продукты [9]. Рис. 10 – коллаж «Малый мучной хрущак».
9.Обработка результатов экспериментов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ
Размеры фото 9см х 12 см.
Если увеличение было в 10 000 раз, то реальные размеры участка (по длине)
12см : 10 000= 0,12 м : 10 000=0,000012м = 12 ● 10-6 м = 12 мкм. Реальные размеры сканированного участка 9 мкм х 12 мкм.
КАК ОПРЕДЕЛЯТЬ РЕАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ОБЪЕКТОВ НА ФОТО
ТРУТОВИК НАСТОЯЩИЙ
Возьмём увеличение в 500 раз. Найдём диаметр трубочки в гименофоре трутовика. Сделаем необходимые измерения. Получим пропорцию.
Длина фото на экране монитора 80 мм — реальная длина фотографий 120 мм.
Диаметр трубочки на экране 32 мм — реально на фото (мм).
Реальный диаметр трубочки гимена трутовика настоящего в 500 раз меньше.
d= 48 мм : 500= 0,096 мм =96 мкм.
КОМАР ОБЫКНОВЕННЫЙ
Фасетки
Возьмём увеличение в 500 раз. Найдём диаметр фасетки.
Длина фото на экране монитора 120 мм — реальная длина фотографий 120 мм.
Диаметр фасетки на экране 8 мм — реальный размер на фото х = 8 мм
Реальный диаметр фасетки в 500 раз меньше. d= 8 мм : 500= 0,016 мм =16 мкм.
Крыло
Перепончатые крылья комаров укреплены сетью жилок, покрытых волосками и чешуйками. Они повышают скорость. Для каждого вида комаров свой рисунок.
Возьмём увеличение в 10 000 раз. Найдём длину волоска.
Длина фото на экране монитора 80 мм — реальная длина фотографий 120 мм.
Средняя длина волоска на экране 5-6 мм — реальный размер на фото х.
(мм) (мм)
Реальная длина волоска в 1 000 раз меньше.
ℓ= 7,5 мм: 1 000 = 0,0075 мм = 7,5 мкм. ℓ= 9 мм: 1 000 = 9 мкм.
ВЫВОД: Длина у волосков разная. Это видно на фотографиях. Кроме того у волосков есть изгиб, который необходимо учитывать при измерениях. Но в целом результаты проведения измерений следует считать достаточно обоснованными.
МАЛЫЙ МУЧНОЙ ХРУЩАК
Фасетки
Возьмём увеличение в 1000 раз. Найдём диаметр фасетки.
Длина фото на экране монитора 100 мм — реальная длина фотографий 120 мм.
Диаметр фасетки на экране 12 мм — реальный размер на фото х.
(мм)
Реальный диаметр фасетки в 1000 раз меньше. d= 14,4 мм : 1 000= 0,0145 мм =14,5 мкм.
ВЫВОД: Размеры фасеток у хрущака меньше, чем у комара примерно в 1,2 раза.
Если взять средние значения 17: 14= 1,2.
Дыхательная трубка
Возьмём увеличение в 7500 раз. Найдём диаметр трубки.
Длина фото на экране монитора 100 мм — реальная длина фотографий 120 мм.
Средняя длина волоска на экране 80 мм — реально на фото (мм).
Реальный диаметр трубки в 7500 раз меньше. d = 96 мм: 7 500 ≈ 0,013мм = 13 мкм.
ВЫВОД: Размеры фасеток и диаметр дыхательной трубки хрущака сопоставимы.
12. Заключение
В результате работы были получены и исследованы фотографии на растровом электронном микроскопе, где размеры объектов измеряются в микрометрах и нанометрах. При этом нужно отметить, что у данного микроскопа по сравнению со световым выше и увеличение, и глубина резкости. Это хорошо видно на представленных изображениях. По данным фотографиям ряда биологических объектов были произведены измерения и вычисления размеров некоторых объектов и их деталей.
13. Список литературы
1. URL: http://www Pingback: Обычные вещи под микроскопом |
emky.net/.../(дата обращения: 1.05.2022).
2. Пёрышкин А. В. Физика – 8. – М.: Дрофа, 2020. – 238 с.
3. Световой микроскоп
– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 10.05.2022).
4.Методы приготовления препаратов для микроскопии...
–URL: http://www himsnab-spb.ru/.../( дата обращения: 15.05.2022).
5. Растровый электронный микроскоп
– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 10.04.2022).
6. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. Физика-11. – М.: Просвещение, 2020. –320 с.
7. Трутовик настоящий (Fomes fomentarius) фото и описание
– URL: http://www ru. WikiGrib.ru/trutovik-nastoyaschij/ (дата обращения: 9.09.2022).
8. Комар обыкновенный
– URL: http://www ru.wikipedia.org(дата обращения: 9.09.2022).
9. Хрущак малый мучной — Википедия
– URL: http://www ru.wikipedia.org(дата обращения: 5.09.2022).
10. Чешуекрылые
– URL: http://www translate.yandex.ru/.../(дата обращения: 12.09.2022).
11. Интерференция — Википедия
– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/Интерференция(дата обращения: 25.09.2022).
12. Инфоурок. Интерференция (дата обращения: 25.09.2022).
13. Видимое излучение — Википедия
– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/Видимое_излучение(дата обращения: 18.09.2022).
Приложения
Рис. 1 а) клетки крови; б) лапка мухи
Рис. 2. Световой микроскоп
Рис.3. Растровый электронный микроскоп
1-вольфрамовый термоэмиссионный катод; 2 – электрод Венельта (модулятор); 3 - анод; 4 – электронный луч; 5 – конденсорная линзовая система; 6 – катушки отклоняющей системы; 7 – объективная линза; 8 – образец; 9 – детектор сигналов; 10 – герметичный корпус; 11 – электроника осуществляющая управление микроскопом, сбор, анализ и визуализацию результатов сканирования образца
Рис. 4. Трутовик: х100, х300, х500, х1000, х2000, х3000, х5000, х10 000
Рис.5. Голова комара: х50 Рис. 6. Фасетки комара: х500
Рис. 7. Хоботок комара: х100, х1000
Рис. 8. Лапка комара: х500, х5000
Рис. 9. Крыло комара: х100, х10 000
Рис. 10. Малый мучной хрущак
Рис. 11 а - в. Крыло мотылька: х100, х500, х10 000