Что такое фазово-контрастный микроскоп?

Что такое фазово-контрастный микроскоп?

Фазово-контрастный микроскоп — это тип оптического микроскопа, который преобразует разность фаз света в контраст для наблюдения.

С помощью обычного оптического микроскопа различия в спектрах отражения и поглощения света из разных частей образца наблюдаются как различия в яркости или цвете (контраст). Однако при наблюдении почти бесцветных материалов, таких как живые клетки, микроорганизмы и бактерии, эти контрасты практически отсутствуют, и такую ​​информацию, как форма, получить невозможно.

Даже если материал бесцветный и прозрачный, если его показатель преломления отличается от показателя преломления окружающей среды, дифракция света будет происходить на границе. Фазово-контрастные микроскопы используют разность фаз между дифрагированным светом и светом, проходящим прямо через материал, для создания контраста между светом и темнотой, что позволяет наблюдать бесцветные прозрачные материалы.

Применение фазово-контрастных микроскопов

Фазово-контрастные микроскопы широко используются в биологии и медицине для наблюдения за культивируемыми клетками и клинического обследования. Бактериологическое обследование пародонта в стоматологических клиниках является привычным применением для общественности. Оно помогает мотивировать пациентов лучше заботиться о здоровье полости рта, давая им знать, как себя чувствуют их собственные бактерии полости рта.

Фазово-контрастные микроскопы позволяют наблюдать за живыми клетками без необходимости окрашивать образец. При наблюдении за бесцветными клетками с помощью обычного оптического микроскопа образец окрашивается для наблюдения, но этот метод имеет тот недостаток, что окрашивание занимает много времени и убивает живые клетки.

Кроме того, фазово-контрастные микроскопы также эффективны при анализе асбеста, токсичного вещества. Одним из методов является метод дисперсионного окрашивания, при котором кристаллы в иммерсионном растворе с определенным показателем преломления облучаются поляризованным светом под фазово-контрастным микроскопом, и полученный цвет используется для определения, является ли образец асбестом или нет.

Принцип работы фазово-контрастных микроскопов

Рисунок 1. Оптическая система фазово-контрастного микроскопа

В фазово-контрастном микроскопе фазовая пластина вставляется только в положение, где прямой свет проходит между объективом и плоскостью изображения, чтобы ускорить или замедлить фазу прямого света на 1/4λ. В то же время вставляется кольцевой ND-фильтр, чтобы уменьшить интенсивность прямого света, но не изменить фазу или яркость дифрагированного света.

Благодаря этим операциям разность фаз между прямым светом и дифрагированным светом становится 1/2λ или 0, а светлые и темные контрасты создаются путем интерференции.

Рисунок 2. Интерференция между согласованным по амплитуде прямым светом и дифрагированным светом

Другими словами, в месте резкого изменения показателя преломления, где генерируется дифрагированный свет, когда разность фаз составляет 1/2λ, прямой свет и дифрагированный свет интерферируют друг с другом ослабляющим образом, что приводит к темному виду. Это темный контраст. С другой стороны, когда разность фаз составляет 0, прямой свет и дифрагированный свет интерферируют друг с другом таким образом, что они усиливают друг друга, делая место резкого изменения показателя преломления ярким. Это яркий контраст.

Рисунок 3. Яркий контраст и темный контраст

Другая информация о фазово-контрастных микроскопах

1. Проблемы с оптическими микроскопами

В обычной оптической микроскопии вещество можно идентифицировать по различиям либо в интенсивности (амплитуде), либо в цвете (длине волны), либо в обоих световых характеристиках, проходящих через наблюдаемое вещество. Поэтому, например, нелегко распознать разницу или границу между бесцветным прозрачным веществом A и бесцветным прозрачным веществом B, которое находится в контакте с другим бесцветным прозрачным веществом A, даже если они наблюдаются с помощью обычного оптического микроскопа.

Это происходит потому, что нет разницы в интенсивности и цвете проходящего света и нет контраста между A и B. Однако, если показатели преломления веществ A и B различны, на границе между ними свет разделяется на прямой свет, который проходит прямо через образец, и дифрагированный свет, путь которого изменяется. Поскольку дифрагированный свет генерируется в точке, где показатель преломления резко изменяется, он содержит информацию о форме границы и внутренней структуре каждого материала в образце.

Важно отметить, что дифрагированный свет задерживается на четверть длины волны (λ) (1/4λ) относительно прямого света, проходящего прямо через образец. Такая задержка на долю длины волны называется разностью фаз. Даже если дифрагированный свет генерируется, разность фаз незначительна, поскольку она очень слаба по сравнению с прямым светом.

Таким образом, изображение, сформированное путем сложения прямого света и дифрагированного света, имеет форму волны, похожую на форму прямого света, и контраст между ярким и темным не создается с помощью обычного оптического микроскопа.

2. Разница между фазово-контрастными микроскопами и дифференциально-интерференционными микроскопами

В дополнение к фазово-контрастным микроскопам, дифференциально-интерференционный микроскоп — это еще один тип микроскопа, который использует интерференцию света для получения контраста. В дифференциально-интерференционной микроскопии свет, падающий на образец, разделяется на две поляризации с немного разными путями, и два света интерферируют друг с другом после прохождения через объект наблюдения для получения контраста.

Он похож на фазово-контрастный микроскоп тем, что может наблюдать бесцветные и прозрачные материалы, что невозможно с фазово-контрастным микроскопом. Однако фазово-контрастный микроскоп обеспечивает контраст в областях, где показатель преломления образца резко изменяется, тогда как дифференциально-интерференционный микроскоп обеспечивает контраст в областях, где есть градиент толщины или показателя преломления образца.