Физические основы медицинских приборов (стр. 2 из 2)

Если когерентные световые лучи падают на экран, они формируют стабильную комбинацию световых максимумов и минимумов (светлые и темные полосы). Световые максимумы формируются в местах, где когерентные лучи от обоих источников находятся в одинаковой фазе, минимумы - где они находятся в противофазе (противоположной фазе).

Дифракция света. Дифракция волн происходит при их прохождении через щель и вокруг препятствий. Эксперимент показывает, что волны могут обгибать объекты достаточно малого размера. Так, если длина волны меньше ширины щели или препятствия, то происходит отражение и поглощение света. А если длина волны света больше размера припятствия или щели, то происходит дифракция волн: проходя через узкую щель, световой луч разделяется, а, встречая на пути препятствия, огибает их.

Дифракционная решетка состоит из многих щелей, расположенных параллельно друг другу. При прохождении через щели дифракционной решетки световые волны интерферируют, формируя на экране дифракционную картину. Прохождение световых волн через щели решетки зависит от их длины. Излучение различных атомов и молекул, в свою очередь, характеризуется определенным соотношением световых волн разных длин волн. Таким образом, спектр излучения атомов и молекул, полученный разложением белого света с помощью дифракционной решетки, используется для спектрального анализа химического состава вещества.

Поляризация света. Свет, подобно любой другой поперечной волне, можно поляризовать. При распространении в среде поперечной волны плоскость колебания вектора напряжённости электрического поля может проходить через любую линию, перпендикулярную направлению распространения волны.

Электромагнитные волны представляют собой колебания напряженностей электрического и магнитного полей во взаимно перпендикулярных плоскостях, перпендикулярных также направлению движения волны. Если колебания вектора напряженности электрического поля осуществляются преимущественно в одной плоскости, то говорят, что волна линейно поляризована вдоль этого направления. Излучение одиночного атома или молекулы поляризовано. В образце вещества атомы и молекулы излучают произвольно, поэтому световой луч неполяризован.

Поляризованный свет может быть получен из неполяризованного несколькими способами. Наиболее распространённым является поглощение света поляроидами, представляющими собой пленку с нанесенными на нее кристаллическими веществами, способными пропускать свет преимущественно в одной конкретной плоскости.

Поляриметрия

Поляризация света широко используется в измерениях концентраций оптически активных веществ. Приборы, предназначенные для этой цели, называются поляриметрами. Оптически активные вещества могут вращать плоскость линейно поляризованного света, проходящего через их кристаллы или ионы. Некоторые из них вращают её по часовой стрелке. Они называются правовращающими веществами (D-изомерами вещества). Другие вещества вращают плоскость поляризации против часовой стрелки. Это левовращающие вещества, или (L-изомеры вещества).

Сахара и аминокислоты являются оптически активными веществами. Их молекулы могут находиться в двух формах, которые химически идентичны, но отличаются в пространственном расположении атомов. Они могут считаться зеркальными отражениями друг друга. Такие формы молекул называются стереоизомерами (D-изомеры и L-изомеры). Можно отметить, что в организмах вещества представлены только одной формой стереомеров. Например, все белки состоят из L-аминокислот.

Поляриметрия позволяет отличать D-изомеры от L-изомеров и измерять их концентрацию. Поляриметр состоит из двух поляроидных фильтров: поляризатора и анализатора. Поляризатор превращает луч естественного света в плоскополяризованный свет. Анализатор физически идентичен поляризатору. Если оба поляроидных фильтра сориентированы параллельно, анализатор пропускает через себя поляризованный поляризатором свет. Если поляризатор и анализатор расположены взаимоперпендикулярно, анализатор не пропускает свет, прошедший через поляризатор.

В поляриметре между поляризатором и анализатором устанавливают кювету с растовором сахара. Сахар поворачивает плоскость поляризации на некоторый угол, который зависит от концентрации сахара в растворе. Концентрацию сахара в растворе определяют по углу, на который необходимо повернуть анализатор, чтобы восстанавить прохождение через него поляризованного света.

Световой микроскоп

Микроскоп является одним из наиболее часто используемых в медицине физических приборов. Световой микроскоп есть в каждой клинической лаборатории. Для домашнего же использования Вы можете купить детский микроскоп.

Микроскоп применяется для увеличения рассматриваемых объектов. Для этого в микроскопе используют две линзы. Одна из них расположена возле изучаемого объекта и называется объективом. Другая линза – позволяет рассмотреть конечное изображение объекта и называется окуляром, или глазной линзой. Объектив и окуляр – собирающие линзы с небольшим фокусным расстоянием. В действительности обе линзы представляют собой совокупность нескольких линз, которые вместе способствуют уменьшению хроматической и сферической аббераций.

При использовании микроскопа объект (АВ) устанавливают на немного большем расстоянии от объектива, чем его фокусное расстояние F1 от центра линзы объектива (Рис. 6). Он формирует действительное, перевернутое и увеличенное изображение объекта (А1В1) в тубусе микроскопа. Изображение, полученное с помощью объектива, становится объектом для окуляра, который расположен так, чтобы изображение объектива находилось впереди фокуса F2 линзы окуляра. Окуляр функционирует как простое увеличительное стекло, используемое для просмотра изображения, полученного спомощью объектива. В результате формируется мнимое, перевернутое и увеличенное изображение первоначального объекта (или мнимое, прямое, увеличенное изображение изображения, полученного с помошью объектива) – А2В2.

Общее увеличение микроскопа находят, умножив увеличение объектива на увеличение окуляра. Величину увеличения каждой из линз определяют отношением расстояния от рассматриваемого объекта к фокусному расстоянию объектива и окуляра.

Рис. 6. Построение изображения в световом микроскопе.

Разрешение и полезное увеличение в микроскопах

Качество изображения, полученного с помощью микроскопа, зависит от разрешения микроскопа. Разрешение микроскопа – величина, обратная минимальному расстоянию между двумя точками в образце, при котором эти точки видны отдельно. Когда это расстояние сравнимое с длиной волны света, происходит дифрация света, и изображение становится тусклым. Минимальное расстояние d, которое может быть решено микроскопом: d = λ/(2·n·sin θ) , где λ - длина волны света в воздухе, n - показатель преломления среды между объективой линзы и изучаемым объектом и θ - так называемый апертурный угол (рис. 7).

Апертурный угол – угол между двумя крайними лучами конического светового пучка, выходящего из точки рассматриваемого предмета и попадающего в объектив. Апертура объектива, равная A = n·sin θ/2 , обозначена на инструменте. Если две точки в образце разделены менее чем на d, их дифракционные картины накладываются друг на друга, в результате чего они не могут быть различены отдельно.

Рис. 7. Апертурный угол

Вычислено, что предел разрешения светового микроскопа составляет около 250 нанометров, что позволяет получить полезное увеличение (при котором глаз различаетвсе элементы структуры объекта, разрешимые микроскопом) равное 400. Эта величина является пределом полезного увеличения обычного светового микроскопа. Большее увеличение не будет способствовать рассмотрению никаких дополнительных деталей объекта.

Есть два пути улучшить разрешение микроскопа: использовать наиболее короткие длины световых волн и заполнять пространство между рассматриваемым объектом и объективом жидкостью с большими показателями преломления. Так, погружение объекта в масло кедра, которое иеет показатель преломления n = 1, 4, позволяет улучшить изображение объекта. Ультрафиолетовые лучи имеют меньшую длину волны, чем видимый свет, и позволяет увеличить разрешение микромкопа. Кроме того, ультрафиолетовые микроскопы используются для изучение струтутуры биологических макромолекул (например, нуклеиновых кислот и белков), которые сильно поглощают ультрафиолетовый свет, что позволяет получать хороший контраст.

Поляризационный и интерференционный микроскопы. Электронный микроскоп

В поляризиционных и интерференционных микроскопах используют волновые свойства света для улучшения контраста рассматриваемых прозрачных структур.

В поляризационных микроскопах объект, имеющий произвольную и нерегулярную структуру, освещают поляризованным светом. После прохождения через объект свет поступает в анализатор, установленный под углом 900 к начальной плоскости поляризации. В таком положении в отсутствие объекта или если объект однородный поляризованый свет не проходит через анализатор.

Часто объект содержит структуры, показатели преломления которых зависят от направления светового луча и направления напряженности электрического поля. Например, A-диски в саркомерах поперечно-полосатых мышц. При попадании на них поляризованного света плоскость его поляризации поворачивается, и свет частично проходит через анализатор.

В интерференционном микроскопе освещающий объект свет разделяется на два луча. Один луч проходит через объект, имеющий структуры с различными показателями преломления. Второй луч не проходит через объект, направляясь в объектив. После прохождения первого луча через объект, возникает разность фаз между двумя лучами. При соединении лучей в окулярной части прибора между ними происходит интерференция, и формируется интерференционная картина, представляющая собой области различных интенсивностей света. Таким образом, многие структуры прозрачного объекта, обладающие различными показателями преломления, становятся видимыми.

Как было упомянуто выше, разрешение светового микроскопа ограничено величиной длины волны света. Значительно большее разрешение можно достигнуть заменой света на поток электронов. Хотя электроны являются частицами, они также обладают волновыми свойствами. В электронных микроскопах электроны, полученные термоэмиссией, направляются и ускоряются разностью электрических потенциалов и фокусируются магнитными линзами. Длина волны, полученная с помощью электронов, ускоренных разностью потенциалов 50кВ, в 5-10 меньше длин волн видимого света. На практике разрешение электронного микроскопа почти в 1000 раз превышает предельное разрешение светового микроскопа.