Микроскопические методы исследования. Методы микроскопии

Главная

Водоснабжение

Микроскопические методы исследования - способы изучения различных объектов с помощью микроскопа. В биологии и медицине эти методы позволяют изучать строение микроскопических объектов, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза человека. Основусоставляет световая и электронная микроскопия. В практической и научной деятельности врачи различных специальностей - вирусологи, микробиологи, цитологи, морфологи, гематологи и др. помимо обычной световой микроскопии используют фазово-контрастную, интерференционную, люминесцентную, поляризационную, стереоскопическую, ультрафиолетовую, инфракрасную микроскопию. В основе этих методов лежат различные свойства света. При электронной микроскопии изображение объектов исследования возникает за счет направленного потока электронов.

Для световой микроскопии и основанных на ней других микроскопических методов исследования определяющее значение помимо разрешающей способности микроскопа имеет характер и направленность светового луча, а также особенности изучаемого объекта, который может быть прозрачным и непрозрачным. В зависимости от свойств объекта изменяются физические свойства света - его цвет и яркость, связанные с длиной и амплитудой волны, фаза, плоскость и направление распространения волны. На использовании этих свойств света и строятся различные микроскопические методы исследования . Для световой микроскопии биологические объекты обычно окрашивают с целью выявления тех или иных их свойств (рис. 1 ). При этом ткани должны быть фиксированы, т.к. окраска выявляет определенные структуры только убитых клеток. В живой клетке краситель обособляется в цитоплазме в виде вакуоли и не прокрашивает ее структуры. Однако в световом микроскопе можно изучать и живые биологические объекты с помощью метода витальной микроскопии. В этом случае применяют темнопольный конденсор, который встраивают в микроскоп.

Для исследования живых и неокрашенных биологических объектов используют также фазово-контрастную микроскопию. Она основана на дифракции луча света в зависимости от особенностей объекта излучения. При этом изменяется длина и фаза световой волны. Объектив специального фазово-контрастного микроскопа содержит полупрозрачную фазовую пластинку. Живые микроскопические объекты или фиксированные, но не окрашенные микроорганизмы и клетки из-за их прозрачности практически не изменяют амплитуду и цвет проходящего через них светового луча. вызывая лишь сдвиг фазы его волны. Однако, пройдя через изучаемый объект, лучи света отклоняются от полупрозрачной фазовой пластинки. В результате между лучами, прошедшими через объект, и лучами светового фона возникает разность длины волны. Если эта разность составляет не менее 1 / 4 длины волны, то появляется зрительный эффект, при котором темный объект отчетливо виден на светлом фоне или наоборот в зависимости от особенностей фазовой пластинки.

Интерференционная микроскопия решает те же задачи, что и фазово-контрастная. Но если последняя позволяет наблюдать лишь контуры объектов исследования, то с помощью интерференционной микроскопии можно изучать детали прозрачного объекта и проводить их количественный анализ. Это достигается благодаря раздвоению луча света в микроскопе: один из лучей проходит через частицу наблюдаемого объекта, а другой мимо нее. В окуляре микроскопа оба луча соединяются и интерферируют между собой. Возникающую разность фаз можно измерить, определив т. о. массу различных клеточных структур. Последовательное измерение разности фаз света с известными показателями преломления дает возможность определять толщину живых объектов и нефиксированных тканей, концентрацию в них воды и сухого вещества, содержание белков и т.д. На основании данных интерференционной микроскопии можно косвенно судить о проницаемости мембран, активности ферментов, клеточном метаболизме объектов исследования.

Поляризационная микроскопия позволяет изучать объекты исследования в свете, образованном двумя лучами, поляризованными во взаимноперпендикулярных плоскостях, т.е. в поляризованном свете. Для этого используют пленчатые поляроиды или призмы Николя, которые помещают в микроскопе между источником света и препаратом. Поляризация меняется при прохождении (или отражении) лучей света через различные структурные компоненты клеток и тканей, свойства которых неоднородны. В так называемых изотропных структурах скорость распространения поляризованного света не зависит от плоскости поляризации, в анизотропных структурах скорость его распространения меняется в зависимости от направления света по продольной или поперечной оси объекта. Если показатель преломления света вдоль структуры больше, чем в поперечном направлении, возникает положительное двойное лучепреломление, при обратных взаимоотношениях - отрицательное двойное лучепреломление. Многие биологические объекты имеют строгую молекулярную ориентацию, являются анизотропными и обладают положительным двойным преломлением света. Такими свойствами обладают миофибриллы, реснички мерцательного эпителия, нейрофибриллы, коллагеновые волокна и др. Сопоставление характера преломления лучей поляризованного света и величины анизотропии объекта позволяет судить о молекулярной организации его структуры (рис. 2 ). Поляризационная микроскопия является одним из гистологических методов исследования , способом микробиологической диагностики , находит применение в цитологических исследованиях и др. При этом в поляризованном свете можно исследовать как окрашенные, так и неокрашенные и нефиксированные, так называемые нативные препараты срезов тканей.

Широкое распространение имеет люминесцентная микроскопия. Она основана на свойстве некоторых веществ давать свечение - люминесценцию в УФ-лучах или в сине-фиолетовой части спектра. Многие биологические вещества, такие как простые белки, коферменты, некоторые витамины и лекарственные средства, обладают собственной (первичной) люминесценцией. Другие вещества начинают светиться только при добавлении к ним специальных красителей - флюорохромов (вторичная люминесценция). Флюорохромы могут распределяться в клетке диффузно либо избирательно окрашивают отдельные клеточные структуры или определенные химические соединения биологического объекта. На этом основано использование люминесцентной микроскопии при цитологических и гистохимических исследованиях (см. Гистохимические методы исследования ). С помощью иммунофлюоресценции в люминесцентном микроскопе выявляют вирусные антигены и их концентрацию в клетках, идентифицируют вирусы, определяют антигены и антитела, гормоны, различные продукты метаболизма и т.д. (рис. 3 ). В связи с этим люминесцентную микроскопию применяют в лабораторной диагностике таких инфекций, как герпес, эпидемический паротит, вирусный гепатит, грипп и др., используют в экспресс-диагностике респираторных вирусных инфекций, исследуя отпечатки со слизистой оболочки носа больных, и при дифференциальной диагностике различных инфекций. В патоморфологии с помощью люминесцентной микроскопии распознают злокачественные опухоли в гистологических и цитологических препаратах, определяют участки ишемии мышцы сердца при ранних сроках инфаркта миокарда, выявляют амилоид в биоптатах тканей и т.д.

Ультрафиолетовая микроскопия основана на способности некоторых веществ, входящих в состав живых клеток, микроорганизмов или фиксированных, но не окрашенных, прозрачных в видимом свете тканей, поглощать УФ-излучение с определенной длиной волн (400-250 нм ). Этим свойством обладают высокомолекулярные соединения, такие как нуклеиновые кислоты, белки, ароматические кислоты (тирозин, триптофан, метилалании), пуриновые и пирамидиновые основания и др. С помощью ультрафиолетовой микроскопии уточняют локализацию и количество указанных веществ, а в случае исследования живых объектов - их изменения в процессе жизнедеятельности.

Инфракрасная микроскопия позволяет исследовать непрозрачные для видимого света и УФ-излучения объекты путем поглощения их структурами света с длиной волны 750-1200 нм . Для инфракрасной микроскопии не требуется предварительной химической обработки препаратов. Этот вид микроскопических методов исследования наиболее часто используют в зоологии, антропологии, других отраслях биологии. В медицине инфракрасную микроскопию применяют в основном в нейроморфологии и офтальмологии.

Для исследования объемных объектов используют стереоскопическую микроскопию. Конструкция стереоскопических микроскопов позволяет видеть объект исследования правым и левым глазом под разными углами. Исследуют непрозрачные объекты при относительно небольшом увеличении (до 120 раз). Стереоскопическая микроскопия находит применение в микрохирургии , в патоморфологии при специальном изучении биопсийного, операционного и секционного материала, в судебно-медицинских лабораторных исследованиях.

Для изучения на субклеточном и макромолекулярном уровнях структуры клеток, тканей микроорганизмов и вирусов используют электронную микроскопию. Этот М.м.и. позволил перейти на качественно новый уровень изучения материи. Он нашел широкое применение в морфологии, микробиологии, вирусологии, биохимии, онкологии, генетике, иммунологии, Резкое повышение разрешающей способности электронного микроскопа обеспечивается потоком электронов, проходящих в вакууме через электромагнитные поля, создаваемые электромагнитными линзами. Электроны могут проходить через структуры исследуемого объекта (трансмиссионная электронная микроскопия) или отражаться отних (сканирующая электронная микроскопия), отклоняясь под разными углами, в результате чего возникает изображение на люминесцентном экране микроскопа. При трансмиссионной (просвечивающей) электронной микроскопии получают плоскостное изображение структур (рис. 4 ), при сканирующей - объемное (рис. 5 ). Сочетание электронной микроскопии с другими методами, например с радиоавтографией, гистохимическими, иммунологическими методами исследования , позволяет проводить электронно-радиоавтографические, электронно-гистохимические, электронно-иммунологические исследования.

Электронная микроскопия требует специальной подготовки объектов исследования, в частности химической или физической фиксации тканей и микроорганизмов. Биопсийный материал и секционный материал после фиксации обезвоживают, заливают в эпоксидные смолы, режут стеклянными или алмазными ножами на специальных ультратомах, позволяющих получать ультратонкие срезы тканей толщиной 30-50 нм . Их контрастируют и затем изучают в электронном микроскопе. В сканирующем (растровом) электронном микроскопе изучают поверхность различных объектов, напыляя на них в вакуумной камере электронно-плотные вещества, и исследуют так называемые реплики, повторяющие контуры образца. См. также

Основным методом изучения биологических микрообъектов являются световая и электронная микроскопия, которые широко используются в экспериментальной и клинической практике.

Микроскопирование - главный метод изучения микрообъектов, используемый в биологии более 300 лет. Для изучения гистологических препаратов применяют разнообразные виды световых микроскопов и электронные микроскопы. С момента создания и применения первых микроскопов они постоянно совершенствовались. Современные микроскопы представляют собой сложные оптические системы, обладающие высокой разрешающей способностью. Размер самой маленькой структуры, которую можно видеть с помощью микроскопа, определяется наименьшим разрешаемым расстоянием (d), которое в основном зависит от длины волны света (λ) и длины волн электромагнитных колебаний потока электронов и др. Эта зависимость приближенно определяется формулой d = λ/2. Таким образом, чем меньше длина волны, тем меньше разрешаемое расстояние, и тем меньшие по размерам микроструктуры можно видеть в препарате.

Световая микроскопия. Для изучения гистологических микрообъектов применяют обычные световые микроскопы и их разновидности, в которых используются источники света с волнами различной длины. В обычных световых микроскопах источником освещения служит естественный или искусственный свет (рис. 2.1). Минимальная длина волны видимой части спектра примерно 0,4 мкм. Следовательно, для обычного светового микроскопа наименьшее разрешаемое расстояние приблизительно составляет 0,2 мкм, а общее увеличение (произведение увеличения объектива на увеличение окуляра) может быть 1500-2500.

Таким образом, с помощью светового микроскопа можно увидеть не только отдельные клетки размером от 4 до 150 мкм, но и их внутриклеточные структуры - органеллы, включения. Для усиления контрастности микрообъектов применяют их окрашивание.

Ультрафиолетовая микроскопия. Это разновидность световой микроскопии. В ультрафиолетовом микроскопе используют более короткие ультрафиолетовые лучи с длиной волны около 0,2 мкм. Разрешаемое расстояние здесь в 2 раза меньше, чем в обычных световых микроскопах, и составляет приблизительно 0,1 мкм. Полученное в ультрафиолетовых лучах невидимое глазом изображение преобразуется в видимое с помощью регистрации на фотопластинке или путем применения специальных устройств (люминесцентный экран, электронно-оптический преобразователь).

Флюоресцентная (люминесцентная) микроскопия. Явления флюоресценции заключаются в том, что атомы и молекулы ряда веществ, поглощая коротко-

Рис. 2.1. Микроскопы для биологических исследований:

а - световой биологический микроскоп «Биолам-С»: 1 - основание; 2 - ту-бусодержатель; 3 - наклонный тубус; 4 - окуляр; 5 - револьвер; 6 - объективы; 7 - столик; 8 - конденсор с ирисовой диафрагмой; 9 - винт конденсора; 10 - зеркало; 11 - микрометрический винт; 12 - макрометрический винт; б - электронный микроскоп ЭМВ-100АК с автоматизированной системой обработки изображений: 1 - колонка микроскопа (с электронно-оптической системой и камерой для образцов); 2 - пульт управления; 3 - камера с люминесцентным экраном; 4 - блок анализа изображений; 5 - датчик видеосигнала; в - конфокальный микроскоп: 1 - световой микроскоп; 2 - регистратор изображения (фотоэлектронный умножитель);

3 - сканирующее устройство для перемещения светового луча по оси X, Y, Z;

4 - блок питания и стойка управления лазерами; 5 - компьютер для обработки изображений

волновые лучи, переходят в возбужденное состояние. Обратный переход из возбужденного состояния в нормальное происходит с испусканием света, но с большей длиной волны. В флюоресцентном микроскопе в качестве источников света для возбуждения флюоресценции применяют ртутные или ксе-ноновые лампы сверхвысокого давления, обладающие высокой яркостью в области спектра 0,25-0,4 мкм (ближние ультрафиолетовые лучи) и 0,4-0,5 мкм (сине-фиолетовые лучи). Длина световой волны флюоресценции всегда больше длины волны возбуждающего света, поэтому их разделяют с помощью светофильтров и изучают изображение объекта только в свете флюоресценции. Различают собственную, или первичную, и наведенную, или вторичную, флюоресценцию. Любая клетка живого организма обладает собственной флюоресценцией, однако она часто бывает чрезвычайно слабой.

Первичной флюоресценцией обладают серотонин, катехоламины (адреналин, норадреналин), содержащиеся в нервных, тучных и других клетках, после фиксации тканей в парах формальдегида при 60-80 °С (метод Фалька).

Вторичная флюоресценция возникает при обработке препаратов специальными красителями - флюорохромами.

Существуют различные флюорохромы, которые специфически связываются с определенными макромолекулами (акридиновый оранжевый, родамин, флюоресцеин и др.). Например, при обработке препаратов акридиновым оранжевым ДНК и ее соединения в клетках имеют ярко-зеленое, а РНК и ее производные - ярко-красное свечение. Существует много красителей, с помощью которых можно выявить белки, липиды, внутриклеточные ионы кальция, магния, натрия и др. Таким образом, спектральный состав излучения несет информацию о внутреннем строении объекта и его химическом составе. Вариант метода флюоресцентной микроскопии, при котором и возбуждение, и излучение флюоресценции происходят в ультрафиолетовой области спектра, получил название метода ультрафиолетовой флюоресцентной микроскопии.

Для повышения контрастности флюорохромированных объектов применяется конфокальный вариант оптического микроскопа (см. рис. 2.1, в). В качестве освещения используется пучок монохроматического света малого диаметра, который создает лазерный источник. В каждый момент времени в фокусе микроскопа находится небольшой участок (объем) клетки. Пучок света перемещается по объекту (сканирует объект по осям X, Y, Z). При каждом перемещении пучка света по одной из линий сканирования получается информация об исследуемой структуре, находящейся в данной точке (объеме) по линии сканирования (оптическом срезе клетки), например о локализации белков в составе микротрубочек в клетке. Вся полученная информация от каждой точки сканирования клетки передается на компьютер, объединяется с помощью специальной программы и выдается на экран монитора в виде контрастного изображения. С помощью данного метода микроскопии получается информация о форме клеток, цитоскеле-те, структуре ядра, хромосом и др. С помощью программы компьютер на основе полученной информации по каждой линии сканирования создает объемное изображение клетки, что позволяет рассматривать клетку под разными углами зрения.

Фазово-контрастная микроскопия. Этот метод служит для получения контрастных изображений прозрачных и бесцветных живых объектов, невидимых при обычных методах микроскопирования. Метод основан на том, что свет, проходя структуры с различным коэффициентом преломления, изменяет свою скорость. Используемая конструкция оптики микроскопа дает возможность преобразовать не воспринимаемые глазом фазовые изменения прошедшего через неокрашенный препарат света в изменения его амплитуды, т. е. яркости получаемого изображения. Метод фазового контраста обеспечивает контрастность изучаемых неокрашенных структур за счет специальной кольцевой диафрагмы, помещаемой в конденсоре, и так называемой фазовой пластинки, находящейся в объективе. Разновидностью метода фазового контраста является метод фазово-темнопольного контраста, дающий негативное по сравнению с позитивным фазовым контрастом изображение.

Микроскопия в темном поле. В темнопольном микроскопе только свет, который дает дифракцию (огибание волнами) структур в препарате, достигает объектива. Происходит это благодаря наличию в микроскопе специального конденсора, который освещает препарат строго косым светом; лучи от осветителя направляются сбоку. Таким образом, поле выглядит темным, а мелкие частицы в препарате отражают свет, который далее попадает в объектив. В клинике этот метод применяют для изучения кристаллов в моче (мочевая кислота, оксалаты), для демонстрации спирохет, в частности Treponema pallidum, вызывающей сифилис, и др.

Интерференционная микроскопия. Разновидностями фазово-контрастного микроскопа являются интерференционный микроскоп, который предназначен для количественного определения массы ткани. Дифференциальный интерференционный микроскоп (с оптикой Номарского) используют для изучения рельефа поверхности клеток и других биологических объектов.

В интерференционном микроскопе пучок света от осветителя разделяется на два потока: один проходит через объект и изменяется по фазе колебания, второй идет, минуя объект. В призмах объектива оба пучка накладываются друг на друга. В результате строится изображение, в котором участки микрообъекта разной толщины и плотности различаются по степени контрастности. Проведя количественную оценку изменений, определяют концентрацию и массу сухого вещества.

Фазово-контрастный и интерференционный микроскопы позволяют изучать живые клетки. В них используется интерференция, возникающая при комбинации двух наборов волн и создающая изображение микроструктур. Преимуществом фазово-контрастной, интерференционной и темно-польной микроскопии является возможность наблюдать клетки в процессе движения и митоза. При этом регистрация движения клеток может производиться с помощью цейтраферной (покадровой) микровидеосъемки.

Поляризационная микроскопия. Поляризационный микроскоп является модификацией светового микроскопа, в котором установлены два поляризационных фильтра: первый (поляризатор) - между пучком света и объектом, а второй (анализатор) - между линзой объектива и глазом. Через первый фильтр свет проходит только в одном направлении, второй фильтр имеет главную ось,

которая располагается перпендикулярно первому фильтру, и он не пропускает свет. Получается эффект темного поля. Структуры, содержащие продольно ориентированные молекулы (коллаген, микротрубочки, микрофиламенты), и кристаллические структуры, обладают свойством вращать ось световых лучей, исходящих из поляризатора. При изменении оси вращения данные структуры проявляются как светящиеся на темном фоне. Способность кристаллов или паракристаллических образований к раздвоению световой волны на обыкновенную и перпендикулярную к ней называется двойным лучепреломлением. Такой способностью обладают фибриллы поперечнополосатых мышц.

Электронная микроскопия. Большим шагом вперед в развитии техники микроскопии было создание и применение электронного микроскопа (см. рис. 2.1). В электронном микроскопе используется поток электронов с волнами более короткими, чем в световом микроскопе. При напряжении 50 000 В длина волны электромагнитных колебаний, возникающих при движении потока электронов в вакууме, равна 0,0056 нм. Теоретически рассчитано, что разрешаемое расстояние в этих условиях может быть около 0,002 нм, или 0,000002 мкм, т. е. в 100 000 раз меньше, чем в световом микроскопе. Практически в современных электронных микроскопах разрешаемое расстояние составляет около 0,1-0,7 нм.

В гистологии используются трансмиссионные (просвечивающие) электронные микроскопы (ТЭМ), сканирующие (растровые) электронные микроскопы (СЭМ) и их модификации. С помощью ТЭМ можно получить лишь плоскостное изображение изучаемого микрообъекта. Для получения пространственного представления о структурах применяют СЭМ, способные создавать трехмерное изображение. Растровый электронный микроскоп работает по принципу сканирования электронным микрозондом исследуемого объекта, т. е. последовательно «ощупывает» остро сфокусированным электронным пучком отдельные точки поверхности. Такое исследование объекта называется сканированием (считыванием), а рисунок, по которому движется микрозонд, - растром. Полученное изображение выводится на телевизионный экран, электронный луч которого движется синхронно с микрозондом.

Главными достоинствами растровой электронной микроскопии являются большая глубина резкости, широкий диапазон непрерывного изменения увеличения (от десятков до десятков тысяч раз) и высокая разрешающая способность. Современными вариантами приборов для изучения поверхности объекта является атомно-силовой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп.

Электронная микроскопия с использованием метода замораживания - скалывания применяется для изучения деталей строения мембран и межклеточных соединений. Для изготовления сколов клетки замораживают при низкой температуре (-160 °С). При исследовании мембраны плоскость скола проходит через середину бислоя липидов. Далее на внутренние поверхности полученных половинок мембран напыляют металлы (платина, палладий, уран), изучают их с помощью ТЭМ и микрофотографии.

Метод криоэлектронной микроскопии. Быстро замороженный тонкий слой (около 100 нм) образца ткани помещают на микроскопическую решетку и исследуют в вакууме микроскопа при -160 °С.

Метод электронной микроскопии «замораживание - травление» применяют для изучения внешней поверхности мембран клеток. После быстрого замораживания клеток при очень низкой температуре блок раскалывают лезвием ножа. Образующиеся кристаллы льда удаляют путем возгонки воды в вакууме. Затем участки клеток оттеняют, напыляя тонкую пленку тяжелого металла (например, платины). Метод позволяет выявлять трехмерную организацию структур.

Таким образом, методы замораживания - скалывания и замораживания - травления позволяют изучать нефиксированные клетки без образования в них артефактов, вызываемых фиксацией.

Методы контрастирования солями тяжелых металлов позволяют исследовать в электронном микроскопе отдельные макромолекулы - ДНК, крупных белков (например, миозин). При негативном контрастировании изучают агрегаты макромолекул (рибосомы, вирусы) либо белковые филаменты (актиновые нити).

Электронная микроскопия ультратонких срезов, полученных методом криоультрамикро-томии. При этом методе кусочки тканей без фиксации и заливки в твердые среды быстро охлаждают в жидком азоте при температуре -196 °С. Это обеспечивает торможение метаболических процессов клеток и переход воды из жидкой фазы в твердую. Далее блоки режут на ультрамикротоме при низкой температуре. Такой метод приготовления срезов обычно используют для определения активности ферментов, а также для проведения иммунохимических реакций. Для выявления антигенов применяют антитела, связанные с частицами коллоидного золота, локализацию которого легко выявить на препаратах.

Методы сверхвысоковольтной микроскопии. Используют электронные микроскопы с ускоряющим напряжением до 3 000 000 В. Преимущество этих микроскопов в том, что они позволяют исследовать объекты большой толщины (1-10 мкм), так как при высокой энергии электронов они меньше поглощаются объектом. Стереоскопическая съемка позволяет получать информацию о трехмерной организации внутриклеточных структур с высоким разрешением (около 0,5 нм).

Важность науки в жизни всего общества отрицать очень сложно. Учёные и их разработки дали обществу всё то, чем оно теперь пользуется с радостью и наслаждается. Разработки учёных в разных областях позволяют побеждать смертельные болезни, бороться с психическими расстройствами, создавать уникальную «умную» технику и даже роботов. Возможности науки поистине безграничны. Новые лица всегда приносят с собой новые идеи, которые становятся основой для будущих разработок. Однако множество разработок базируется на простых и проверенных методах.

Многие мудрецы прошлого говорили о том, что существует макро-, микромир. На том этапе развития люди не могли осознать всю глубину этих слов. Ведь макро- и микромир действительно существуют и очень тесно взаимодействуют. Крохотные изменения в структуре клетки могут быть вызваны глобальными изменениями в Солнечной системе. На сегодняшний день доказать или опровергнуть такую взаимосвязь очень сложно, но исследования мира бактерий и клеток говорят о том, что клетка - это маленькая Вселенная.

Микроскопия

Микроскопия - это научное при помощи микроскопа. В переводе с греческого это слово означает «маленький, небольшой». Микроскопия может подразделяться на несколько подвидов: оптическую, многофотонную, рентгеновскую, лазерную и электронную. Цель этого способа исследования заключается в увеличенном наблюдении за объектом и регистрацией замеченных изменений.

История микроскопа

В начале своего исторического развития микроскопы представляли собой которые использовали лучи видимого света. Такие приборы были очень слабы для наблюдения и подходили только для простейших операций. Идея возникновения электронного микроскопа возникла в тот момент, когда учёные задумались о замене электромагнитного излучения на электронный пучок. Это событие стало для развития электронного микроскопа, который значительно расширил возможности наблюдения за объектом.

Методы микроскопии

Для того чтобы правильно и тщательно обследовать какой-либо объект, необходимо работать по определённому алгоритму. Подобные алгоритмы вырабатываются один раз и применяются годами. Для того чтобы изучать окружающий мир при помощи специальной техники, необходимо владеть особыми методами. Методы микроскопии - это совокупность различных алгоритмов, следуя которым, можно основательно и системно изучить конкретный объект микромира. Прохождение пучка света через микроскоп сопровождается некоторыми изменениями первоначальных характеристик, которые могут быть вызваны структурным строением предмета. Этот процесс может сопровождаться рядов оптических эффектов, таких как отражение, поглощение, преломление, дисперсия и т.д.

Методы световой микроскопии

Световая микроскопия - это система методов, которые используют различные оптические эффекты для достоверного отображения результатов. Видимые элементы и характер полученного изображения будут во многом зависеть от освещения. Всего насчитывается большое количество методов микроскопии: светлого поля, косого освещения, интерференционного контраста, тёмного поля, поляризационный метод, фазово-контрастная, ультрафиолетовая, люминесцентная, инфракрасная микроскопия, конфокальный микроскоп.

Все эти методы имеют определённые достоинства и недостатки. При работе с образцом выбирать тот или иной метод следует исходя из его адекватности в данной ситуации. Сильные и слабые стороны каждого метода не важны в целом, главное, чтобы метод был применим в заданных условиях.

Микроскопия и медицина

Применение микроскопии в медицине имеет огромный потенциал. На сегодняшний день благодаря микроскопам можно исследовать различные клетки организма человека для того, чтобы точно определять состояние здоровья. Клетки организма дают наиболее точный и достоверный результат, который до недавнего времени было невозможно получить, так как микроскопы не могли дать исчерпывающей информации.

Использование таких приборов очень перспективно, ведь методы лечения и диагностики могут разительно преобразиться и вовсе перейти на новый уровень. Исследование с помощью микроскопов известно и применяется длительное время, однако наука стоит на пороге того, чтобы лечить человека клетками. Это уникальная возможность, которая позволит отойти от привычных методов лечения и забыть о лекарствах. Клетка - самый мощный элемент организма. Говорить о том, какую пользу может принести пересадка больному человеку здоровых клеток, просто бессмысленно, ведь это очевидно.

Исследование мочи

Общий анализ мочи - это комплекс мероприятий, которые направлены на исследование свойств мочи и её физико-химического состава. Важными показателями при этом являются цвет, запах, реакция, прозрачность, плотность, а также содержание в моче различных веществ. Микроскопия осадка мочи позволяет определить наличие солей, клеточных элементов и цилиндров. Следует понимать, что моча - это конечный продукт деятельности почек, который может очень точно отображать состояние обменных процессов и крови в организме.

Анализ осадка мочи

Микроскопия мочи позволяет создать более полную картину при полном обследовании организма. Также мазок часто используют для обычной и дифференциальной диагностики болезней мочевыводящих путей и почек. Во время лечения микроскопию мочи могут назначать для того, чтобы получить оценку эффективности докторского вмешательства. Исследование мочи позволяет выявить конкретные или потенциальные проблемы в водно-электролитном балансе организма, также в процессе обмена веществ. Анализ мочи весьма эффективен при диагностике на болезни желудочно-кишечного тракта, а также при инфекционных и воспалительных процессах в организме. Иногда микроскопию мочи используются для того, чтобы следить за состоянием пациента в период терапевтического или хирургического лечения.

Исследование крови под микроскопом

Кровяные тельца формируются в красном костном мозге, а затем выбрасываются в кровоток. Каждая выполняет свою определённую функцию. Лейкоциты нужны для борьбы с инфекционными клетками, эритроциты способствуют обогащению клеток кислородов и удалению из них углекислого газа, тромбоциты очень важны для гемостаза. В нормальных условиях тело человека вырабатывает нормативное значение всех клеток, которое не выходит за определённые рамки. При возникновении каких-либо осложнений или при болезни клетки крови могут менять свои размеры, форму, цвет и количество. Только благодаря точному микроскопическому исследованию можно определить состояние клеток и сделать соответствующие выводы.

Кровь - это живительная жидкость организма, которая обеспечивает обмен полезными веществами между всеми клетками. Микроскопия мазка крови - это исследование, которое производится под микроскопом. Исследуется препарат, приготовленный из одной капли крови. Эта процедура входит в общий анализ крови или лейкоцитарную формулу и отдельно не совершается.

Микроскопия мазка

Для чего нужен Микроскопия мазка крови даёт специалисту очень важные знания о состоянии здоровья человека. При помощи этого анализа можно определить количественное соотношение эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов, а также их формы и размер. Кроме того, позволяет определять количественное выражение незрелых лейкоцитов, что является очень важным моментом в ряде заболеваний. Также мазок крови позволяет качественно диагностировать заболевания, которые могут быть связаны с нарушениями функций крови, её образования, свёртываемостью, а также разрушением Очень важной задачей микроскопического мазка на кровь является регулярное отслеживание состояния клеток крови, их зрелость после лучевой и химиотерапии, при проблемах с гемоглобином, а также при лейкозах.

Назначается мазок на кровь в том случае, если общий анализ крови показал, что увеличено количественное выражение лейкоцитов, незрелых или атипичных клеток. Для мазка можно использовать биоматериал из крови или капилляров.

Биология и микроскопы

Биология значительно расширяет возможности использования микроскопов. Как уже говорилось раньше, цитология во многом опирается на современные и мощные микроскопы. Микроскопия в биологии открывает для учёных невиданные просторы для опытов и исследований. Современные разработки позволяют уже сейчас говорить о том, какое будущее нас ждёт.

Микроскопия в биологии имеет очень широкое применение. Приборы позволяют исследовать организмы, которые недоступны глазу человека, но очень важны для научных экспериментов. В биологии чаще всего используют метод электронной микроскопии, который даёт изображение за счёт направленного потока электронов. При этом даже световой микроскоп позволяет исследовать живые биологические объекты.

Метод микроскопии в биологии применяется очень активно, так как практически все разновидности применимы для биологических исследований. Интерференционная микроскопия позволяет исследовать прозрачные жидкости и объекты, а также давать их качественный анализ. Это возможно благодаря тому, что луч света, проходя через прибор, раздваивается: одна его часть проходит через объект, а другая - мимо. Таким образом, два луча интерферируют и соединяются, давая полноценное изображение.

Микроскопия в разных областях применения

Область применения микроскопии очень широка. Несмотря на то что изначально микроскопы были предназначены для исследований в области биологии, на сегодняшний день сфера их влияния значительно расширилась. Микроскопия - это комплекс методов, который нашёл своё применение при анализе твёрдых и кристаллических тел, структуре и строений поверхностей. Также микроскопы активно используются в медицине не только для диагностики, но и при выполнении микрохирургических операций. Более того, известно, что учёными был разработан подводный лазерный микроскоп, цель которого состоит в поиске внеземной жизни на Европе.

Также не следует забывать о бурном развитии нанотехнологий, которые немыслимы без микроскопов. Развитие этой отрасли приводит к тому, что разновидности микроприборов постоянно совершенствуются. Более того, появляются новые которые предназначены для исследования определённой среды.

Подводя некоторые итоги, следует сказать о том, что микроскопия - это перспективная область, которая с каждым годом развивается всё более активно. Интерес к стволовым клеткам человека, а также развитие нанотехнологий ведёт к тому, что микроскопы становятся неотъемлемой частью любой исследовательской работы.

В зависимости от свойств объекта свет изменяет свои физические свойства - цвет (длину волны), яркость (амплитуду волны), фазу, используются в современных микроскопах для создания контраста.

Рис. 1. Микроскоп МБИ-3: 1 - ножка, или башмак; 2 - барашки грубого движения тубуса; 3 - тубусодержатель; 4 - окуляры; 5 - бинокулярная насадка; 6 - головка для крепления револьвера с посадочным гнездом для смены тубусов; 7 - винт крепления бинокулярной насадки; 8 - револьвер на салазках; 9 - объективы; 10 - предметный столик; 11 - барашек продольного движения препаратодержателя; 12 - барашек поперечного движения препаратодержателя; 13 - апланатический конденсор прямого и косого освещения; 14 - центрировочные винты столика; 15 - головка винта, фиксирующего верхнюю часть предметного столика; 16 - кронштейн конденсора; 17 - барашек микромеханизма; 18 - зеркало; 19 - коробка с микромеханизмом.

Наиболее легко поддаются окрашиванию фиксированные, убитые препараты. Такие неподвижные препараты могут быть с высокой точностью рассмотрены и сфотографированы через микроскоп, но они не дают возможности оценить различные формы жизнедеятельности микроскопируемого объекта (движение, слияние, фагоцитоз и пр.). Известны красители, которые связываются с живыми клетками, не нарушая их жизнедеятельности.

Витальная (прижизненная) микроскопия показывает, что многие структуры живой клетки сравнительно мало изменяются при умелой фиксации и последующем окрашивании. Этим подтверждается высокая научная ценность информации, получаемой при помощи микроскопии окрашенных объектов. Витальная микроскопия возможна и без окрашивания, если в обычный микроскоп ввести так называемый темнопольный конденсор. Он освещает объект так, что в глаз наблюдателя попадают только те лучи, которые рассеялись на частицах объекта и тем самым изменили направление своего распространения. Лучи, прошедшие через фон без рассеяния, в глаз не попадают. Поэтому частицы объекта светятся и ярко выделяются на темном фоне (темном поле). Частицы объекта хорошо видны, даже если их размеры меньше разрешаемого расстояния.

Темнопольная микроскопия обеспечивает наибольший возможный контраст изображения, но четкость его и полезное увеличение заметно ниже, чем при обычной микроскопии. Темнопольная микроскопия успешно применялась для изучения спирохет, лептоспир и других слабо окрашиваемых микроорганизмов. При работе с гистологическими препаратами она неприменима.

Технически самостоятельным вариантом темнопольной микроскопии является ультрамикроскопия , при которой мельчайшие изучаемые частицы освещаются мощным боковым пучком света и видны точками на черном фоне. Ультрамикроскопия позволяет подсчитывать частицы, оценивать их размеры и другие свойства. Применяется для изучения коллоидных растворов, аэрозолей, суспензий.

В последние годы темнопольная микроскопия применяется все реже, так как появились два новых типа контрастирующих приборов со значительно лучшими характеристиками - фазово-контрастный (рис. 2, а и б) и амплитудно-контрастный микроскопы. Технически они сходны, но в них используют различные изменения светового луча в объекте. Луч, прошедший через фон образца, в идеальном случае не претерпевает никаких изменений. Он проходит через точно определенные участки объектива. Луч, прошедший через объект, подвергается дифракции, т. е. распадается на пучки убывающей интенсивности, которые выходят из объекта под разными углами. Другие свойства луча (амплитуда, длина волны, фаза) изменяются в различных степенях в зависимости от особенностей объекта.

Рис. 2. Микроскоп МБИ-3 (а) с фазово-контрастным устройством КФ-1 (б): 1 - конденсор револьверной системы; г - набор объективов и кольцевых диафрагм; 3 - вспомогательный микроскоп.

Почти все живые микроскопические объекты выглядят в обычном микроскопе едва заметными, прозрачными, потому что они почти не изменяют ни амплитуды, ни цвета прошедшего через них луча.

Они изменяют только фазу его волны, но это изменение не улавливается ни глазом, ни фотопластинкой. Пучок лучей, дифрагированных объектом и сдвинутых им по фазе, проходит через те участки объектива, где не могут пройти прямые, недифрагированные лучи фона. Практически нетрудно определить, где именно пройдут эти лучи. Если накрыть этот участок одной из линз объектива полупрозрачной пластинкой, способной изменить фазу, интенсивность, цвет или все эти три свойства вместе, то изображение фона изменит свою фазу, уменьшится его яркость или преобразится цвет. Лучи, прошедшие через объект и отклоненные (дифрагированные) им, обойдут вложенную в объектив пластинку и, следовательно, не приобретут тех свойств, которые приобрели, пройдя через пластинку, лучи фона. В результате разница между лучами фона и объекта возрастет. Если разница фаз между лучами фона и объекта достигает 1/4 длины волны, то в конечном изображении возникает заметный для глаза и фотопластинки контраст: темный объект на светлом фоне или, наоборот, в зависимости от структуры пластинки, которую в этом случае называют «фазовой». Если же пластинка изменяет главным образом яркость и цвет фона, то такой микроскоп следует назвать амплитудно-контрастным (большое распространение получило более короткое, хотя и не совсем правильное название «аноптральный»). Таким образом, разница между фазово-контрастным и амплитудно-контрастным микроскопом определяется свойствами пластинки в объективе, изменяющей свойства недифрагированных лучей фона. Изображения, построенные этими микроскопами, значительно ярче и богаче деталями (рис. 3 и 4), чем темнопольные картины.

Рис. 3. Культура многоклеточной бактерии Caryophanon latum Peshkoff. Амплитудно-контрастная микроскопия.
Рис. 4. Микроколонии Вас. megatherium, зараженной фагом. Амплитудно-контрастная микроскопия.

С появлением фазово- и амплитудно-контрастных микроскопов витальная микроскопия получила прекрасную технико-методическую базу, возможности которой близки к предельным для световой оптики. Никакой фиксации или окраски объекта эти приборы не требуют. Современная витальная микроскопия чрезвычайно расширила наши знания о поведении и динамике живых микрообъектов в естественных и лабораторных условиях обитания и эксперимента. Ускоренная (рапид) и замедленная (цейтрафферная) микрокиносъемка сделали доступными для исследования процессы, скорость течения которых слишком велика или слишком мала для визуального наблюдения.

Выпускаемые промышленностью фазово-контрастные и амплитудно-контрастные (аноптральные) устройства недороги, легко монтируются на серийных микроскопах; использование их не представляет затруднений. Эти приборы, несомненно, будут находить все новые области применения как в научных исследованиях, так и в медицинской практике.

Ультрафиолетовая микроскопия основана на способности некоторых веществ избирательно поглощать ультрафиолетовые лучи с определенной длиной волны. Это позволяет наглядно демонстрировать и изучать, в том числе количественно, распределение веществ в живых клетках или фиксированных препаратах. Так, например, белки и нуклеиновые кислоты одинаково прозрачны для видимого света; рассматривая неокрашенную клетку в видимом свете, нельзя определить, где расположен белок или нуклеиновая кислота. Но ультрафиолетовые лучи определенной длины нуклеиновая кислота поглощает значительно сильнее, чем белок. Поэтому в ультрафиолетовом микроскопе участок, содержащий нуклеиновую кислоту, выглядит значительно темнее. Так как ультрафиолетовые лучи непосредственно глазом не воспринимаются, приходится применять специальные преобразователи света. Ультрафиолетовая микроскопия технически значительно сложнее обычной световой, ее аппаратура дороже и методика тоньше. Несмотря на это, применение ее оправдано, так как научная значимость быстрого топографического описания химического состава живой клетки весьма велика.

Гораздо более доступна и перспективна люминесцентная микроскопия (см.), широко применяемая ныне в научно-исследовательских и клинико-диагностических лабораториях. При этом живой объект обрабатывают специальными красителями, которые, будучи освещены синим, фиолетовым или ультрафиолетовым светом, начинают светиться, излучая более длинные волны (зеленые, желтые). Цвет возбужденного вторичного свечения зависит от химических свойств объекта и введенного в него красителя.

Поляризационная микроскопия основана на изменении плоскости колебаний световой волны после прохождения через кристаллы. В практической медицине не применяется.

Современная микроскопия требует применения разнообразной вспомогательной аппаратуры. Нагревательные столики и термостаты позволяют выдерживать и наблюдать объект длительное время при заданной температуре. Для длительного выращивания микробов или тканевых культур в поле зрения сильного объектива служат разнообразные микрокамеры. Окулярные и объективные микрометры делают возможными точные измерения микрообъектов. Промышленность выпускает микроманипуляторы (см.) для операций на микрообъектах. Для получения стереоскопического изображения при увеличениях до 100 раз предназначены бинокулярные лупы (см.) и стереомикроскопы (рис. 5). Широко производится и используется аппаратура для микрофотографии и микрокиносъемки (рис. 6). См. также Микроскопическая техника.

Рис. 5. Стереоскопический микроскоп МБС-1.

Рис. 6. Микрокиноустановка МКУ-1.

Микроскопические методы исследования - способы изучения различных объектов с помощью микроскопа. В биологии и медицине эти методы позволяют изучать строение микроскопических объектов, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза человека. Основу М.м.и. составляет световая и электронная микроскопия. В практической и научной деятельности врачи различных специальностей - вирусологи, микробиологи, цитологи, морфологи, гематологи и др. помимо обычной световой микроскопии используют фазово-контрастную, интерференционную, люминесцентную, поляризационную, стереоскопическую, ультрафиолетовую, инфракрасную микроскопию. В основе этих методов лежат различные свойства света. При электронной микроскопии изображение объектов исследования возникает за счет направленного потока электронов.

Для световой микроскопии и основанных на ней других М.м.и. определяющее значение помимо разрешающей способности микроскопа имеет характер и направленность светового луча, а также особенности изучаемого объекта, который может быть прозрачным и непрозрачным. В зависимости от свойств объекта изменяются физические свойства света - его цвет и яркость, связанные с длиной и амплитудой волны, фаза, плоскость и направление распространения волны. На использовании этих свойств света и строятся различные М.м.и. Для световой микроскопии биологические объекты обычно окрашивают с целью выявления тех или иных их свойств (рис. 1 ). При этом ткани должны быть фиксированы, т.к. окраска выявляет определенные структуры только убитых клеток. В живой клетке краситель обособляется в цитоплазме в виде вакуоли и не прокрашивает ее структуры. Однако в световом микроскопе можно изучать и живые биологические объекты с помощью метода витальной микроскопии. В этом случае применяют темнопольный конденсор, который встраивают в микроскоп.

чем в поперечном направлении, возникает положительное двойное лучепреломление, при обратных взаимоотношениях - отрицательное двойное лучепреломление. Многие биологические объекты имеют строгую молекулярную ориентацию, являются анизотропными и обладают положительным двойным преломлением света. Такими свойствами обладают миофибриллы, реснички мерцательного эпителия, нейрофибриллы, коллагеновые волокна и др. Сопоставление характера преломления лучей поляризованного света и величины анизотропии объекта позволяет судить о молекулярной организации его структуры (рис. 2 ). Поляризационная микроскопия является одним из гистологических методов исследования , способом микробиологической диагностики , находит применение в цитологических исследованиях и др. При этом в поляризованном свете можно исследовать как окрашенные, так и неокрашенные и нефиксированные, так называемые нативные препараты срезов тканей.

Широкое распространение имеет люминесцентная микроскопия. Она основана на свойстве некоторых веществ давать свечение - люминесценцию в УФ-лучах или в сине-фиолетовой части спектра. Многие биологические вещества, такие как простые белки, коферменты, некоторые витамины и лекарственные средства, обладают собственной (первичной) люминесценцией. Другие вещества начинают светиться только при добавлении к ним специальных красителей - флюорохромов (вторичная люминесценция). Флюорохромы могут распределяться в клетке диффузно либо избирательно окрашивают отдельные клеточные структуры или определенные химические соединения биологического объекта. На этом основано использование люминесцентной микроскопии при цитологических и гистохимических исследованиях (см. Гистохимические методы исследования ). С помощью иммунофлюоресценции в люминесцентном микроскопе выявляют вирусные антигены и их концентрацию в клетках, идентифицируют вирусы, определяют антигены и антитела, гормоны, различные продукты метаболизма и т.д. (рис. 3 ). В связи с этим люминесцентную микроскопию применяют в лабораторной диагностике таких инфекций, как , вирусный , и др., используют в экспресс-диагностике респираторных вирусных инфекций, исследуя отпечатки со слизистой оболочки носа больных, и при дифференциальной диагностике различных инфекций. В патоморфологии с помощью люминесцентной микроскопии распознают злокачественные опухоли в гистологических и цитологических препаратах,

определяют участки ишемии мышцы сердца при ранних сроках инфаркта миокарда, выявляют амилоид в биоптатах тканей и т.д.

Инфракрасная микроскопия позволяет исследовать непрозрачные для видимого света и УФ-излучения объекты путем поглощения их структурами света с длиной волны 750-1200 нм . Для инфракрасной микроскопии не требуется предварительной химической обработки препаратов. Этот вид М.м.и. наиболее часто используют в зоологии, антропологии, других отраслях биологии. В медицине инфракрасную микроскопию применяют в основном в нейроморфологии и офтальмологии.

Разделы