Světelný mikroskop - základní pracovní nástroj Tři cíle mikroskopie: • zvětšit obraz • rozlišit detaily v obraze • popsat detaily viditelné okem nebo kamerou Jednoduchý mikroskop Složený mikroskop jedna čočka nebo jeden systém čoček více čoček nebo více systémů čoček Světelná mikroskopie a kontrastní metody Historie světelného mikroskopu Odjakživa chtěli lidé vidět věci mnohem menší, než mohli vnímat pouhým okem Hans a Zacharias Janssenovi tubus Zacharias Janssen {1530-1638} okular První složený mikroskop (kolem 1595) zvětšoval 3x při zatažení tubusu a více než 10x při max. roztažení, měřil 1,2 m 1625 - nejstarší známá kresba mikroskopu "M A AC ANA NATUR/Í Ak ANTU»llí van LlíutTíO-HIÍÉK. HFÍIM1H U[IT11||[M. v-lit-iiiLii.n'.iWSjpiTíiji ■ J I Cl . . . r lock mit Mikroskop ' .--aus Gloede. S. 51 Antony van Leeuwenhoek (1632-1723) Jednoduchý mikroskop(1660) Konvexní skleněná čočka byla připevněna do kovového držáku a byla zaostřována pomocí šroubu. Robert Hook 1665 složený mikroskop kniha Micrographia, sledování tenkých řezů korkem -pojem buňka n ■ří «■ Sííííí í í í **+«♦♦*««+**> Bj'ihe CouiVíil of the RüTH. Society of ic&ŕľiľ far Improving of Nitonl KtLOwkájŕ. lr¥]tiiin 'Imii m^.r,tijňmfíj J^wMiiij mf]?JW] WrifjL MÍCROGRAPÍHA: ni i a h i minute' bodies MADE IT HASHJfyiNG fi r. A ■ • ' Oi»itiiii>i at liuitjn áwfifa,. •-r r. iwČKt, Fm «h r . : ~----- Robert Ho o ke {163S-1703} zaostřovací šroub "objektiv držák pre Mikroskopy 17. století Galileo Galilei poroku 1600 nfefe Itálie Guiseppe Campani, 1662 Jednoduchý Italský mikroskop, 1686 Anglie John Yarwell, 1680 Mikroskopy 18. století 1700 1730 ■^1-JjfcŠi-^ Mikroskopy 19. století Mikroskopy 20.století Olympus 1998 Leitz1910 Lupa Skládá se z jedné čočky nebo z jediného systému C0Cek Olympus CX31 Okular [pevná zvSiisní tox) Stupnice vzdálenosti okulárii Složení mikroskopu Kroužek dioptrické korekce Revolverový nVuoj Objektiv Držák preparátu Přepravní pojistka* Páčka apertumt clony Centrovacf šrouby kondenzoru Kondenzor Upevňovací íroub tubusu jjte šroubovák ivaný s mikroskopem) Kolečko zarážky pro zaostřován ľ Stativ CX31BBSF umožňuje kroskopických — nf.v..v0ViT' pojistka" J něrré vady naho pole, ■-"lack" ' akz dle kolečko Intenzity svetla Stolek Kofečko mtkroposuvu Objímka pro filtry (o průměru 45 mm) Krouíek polní clony Kolečko makíoposuwi Kolečko posuvu v ose X KoSečko posuvu v ose V 1. Část mechanická: stativ, noha stativu, tubus, revolverový měnič objektivů, stolek, makrosroub, mikrosroub 2. Část osvětlovací: zdroj světla, zrcátko, polní clona, kondenzor, irisová clona, objímka filtru 3. Část optická: objektivy, okuláry 1. Část mechanická Stativ Noha statívu Tubus - spojuje okular a objektiv Mechanická (optická) délka tubusu - vzdálenost mezi horním a dolním koncem tubusu, mění se vzájemným posunem dvou na sebe nasunutých částí, dána výrobcem (160 - 170 mm) a je nutno ji dodržovat - objektivy a okuláry konstrukčně přizpůsobeny - nekonečná délka tubusu (vkládání modulů), oc - monokulárni přímý, šikmý, binokulární, trinokulární Revolverový měnič objektivů Stolek - pohyblivý; s křížovým vodičem preparátu, který se ovládá dvěma šrouby Makros roub - pro hrubé ostření Mikrošroub - pro jemné doostřování 2. Část osvětlovací Pozorujeme ve světle procházejícím (světlo prochází pozorovaným objektem) a méně často dopadajícím (světlo dopadá shora na povrch objektu) Zdroj světla - lampa v noze statívu s kolektorovou čočkou (fixně seřízená), kolektor spolu se zrcátkem soustřeďuje světlo do kondenzoru Polní clona - používá se při malém zvětšení, viz práce s mikroskopem Kondenzor - skládá se ze 2-3 spojených čoček (spojek), nasazených do objímky pod stolkem mikroskopu; soustřeďuje paprsky pro dokonalé osvětlení zorného pole Numerická apertura kondenzoru má odpovídat numerické apertuře objektivu (70-80%). (Numerickou aperturu kondenzoru určuje irisová (aperturní) clona - viz práce s mikroskopem) Irisová clona - reguluje množství světla přicházejícího do mikroskopu; zasazena do spodního okraje pouzdra kondenzoru Objímka filtru - používá se matný nebo modrý filtr 3. Část optická - čočky Zabezpečuje vhodnou kombinací čoček (kromě vytváření obrazu) také v různé míře odstraňování hlavních optických vad čoček ČOČKY Průhledné těleso omezené vypuklými (konvexními) a vydutými (konkávními) plochami Z funkčního hlediska rozlišujeme: spojky a rozptylky Optická osa (prochází středem čočky - O) a 2 ohniska (obrazové F -vzniká v něm obraz; předmětové F'- na straně předmětu) Středem čočky proložíme hlavní rovinu a vzdálenost ohniska od hlavní roviny se nazývá ohniskovou vzdáleností (f) i L F' F 0 1 f 3. Část optická - čočky Geometrické zobrazování spojnou čočkou (viz obr.) - paprsek rovnoběžný s optickou osou se na povrchu čočky láme do F; paprsek procházející středem čočky se neláme; paprsek procházející F' se láme rovnoběžně s optickou osou Zobrazování předmětu mikroskopem: preparát umístěn mezi dvojnásobnou ohniskovou vzdálenost a ohnisko objektivu - skutečný, zvětšený, převrácený obraz Hlavní vady čoček: Vada barevná (chromatická) - způsobená různým lomem světla o různé vlnové délce odstranění pomocí soustavy dalších čoček (achromáty) Vada kulová (sférická) - vzniká tím, že paprsky rovnoběžné s osou se lámou různě podle jejich vzdálenosti od středu čočky Vada astigmatická - paprsky dopadající na čočku ze strany se neprotnou v jednom bodě Vyklenutí zorného pole - paprsky dopadající na čočku šikmo mají jiné ohnisko než rovnoběžné paprsky přímé; nelze zaostřit na celé zorné pole 3. Část optická - objektiv Vytváří zvětšený převrácený a skutečný obraz předmětu Čím je kratší ohnisková vzdálenost objektivu, tím je větší zvětšení. Zvětšení objektivu - je vyznačeno (10x, 20x, 30x); dá se vypočítat z ohniskové vzdálenosti podle vzorce Z = 250 / f 250mm je tzv. normální zraková délka Numerická apertura (A) - vyjadřuje vztah mezi otvorovým úhlem (úhel, který svírají dva nejkrajnější paprsky, které se ještě dostanou do otvoru objektivu) a lomivostí prostředí objektiv A = N * sin a/2 a - otvorový úhel \ a / N - index lomu prostředí mezi \^ ^S objektivem a preparátem preparát -------^---------------- 3. Část optická - objektiv Čím je větší numerická apertura, - tím je vyšší rozlišovací schopnost objektivu (schopnost rozlišit dva vedle sebe ležící body jako samostatné). - tím menší hloubková ostrost (schopnost současně ostře zobrazit větší nebo menší počet rovinných vrstev předmětu). Světelnost objektivu je přímo úměrná A2 Krycí sklíčko N=1,51, vzdušné prostředí N=1 —► 2 úhly (menší ve skle, větší ve vzduchu), pod nímž vstupují paprsky do objektivu —► do objektivu se dostane menší množství paprsků (použití imerzního oleje N=1,5) Pozorovací (pracovní) vzdálenost - vzdálenost čelní čočky objektivu od krycího skla preparátu Velikost zorného pole - větší, čím menší zvětšení objektiv má (čím větší f, tím větší zorné pole) Světelnost objektivu - intenzita osvětlení zorného pole, závislá na numerické apertuře (viz výše) 3. Část optická - objektiv Typy objektivů Achromaty - jednoduché, složené ze 2 až 6 čoček; je u nich korigovaná chromatická vada, a to pro žlutou až zelenou oblast spektra Apochromaty - korekce barevné vady pro tři základní barvy spektra, vyšší numerická apertura a lepší rozlišení detailů Planachromaty - barevně korigovány jako achromaty a korigováno i vyklenutí zorného pole (mikrofotografie) Planapochromáty - zcela odstraněno vyklenutí zorného pole i chromatická vada, patří k nejlepším a nejdražším objektivům Fluoritové objektivy - z fluoritového skla (vynikající optické vlastnosti), dobře propouští UV záření, vhodné pro fluorescenci ale i pro pozorování ve světlém poli 3. Část optická - objektiv Suché objektivy- mezi objektivem a krycím sklem vzduch Imerzní objektivy - imerzní olej - vodní imerze Objektivy pro práci bez krycího skla - NCG (no cover glass)-hematologie Objektivy s korekcí na tloušťku krycího skla - korekční prstenec Objektivy s irisovou clonou - omezení světelného toku objektivem, vliv na hloubku ostrosti Odpružené objektivy - zamezení mechanickému doteku čočky Objektivy pro í "" ' ^—^ .....>ntrast, DIC Ivůtáenl Objaktiv s korekcí na nekoficůna Sarovnr pruh OzfiaÍBnííJbjakUuu Numerická apartara Houftťha krycrtio šidítka Barevné označení objektivu - červená,žlutá, zelená,světle modrá, tmavě modrá, černá 3. Část optická - okular Zvětšuje obraz vytvořený objektivem. Zvětšení okuláru je prázdné - nezobrazuje více detailů, než bylo zobrazeno objektivem Typy okulárů Huygensův okular H - skládá se ze 2 čoček, v kombinaci se slabými objektivy (achromáty) Ortoskopické okulary O - nezkreslují zorné pole, v kombinaci s objektivy achromatickými a planachromatickými Kompenzační okulary K - kompenzují chromatickou vadu objektivů, jsou určeny pro práci s apochromáty Periplanatické okulary P - kompenzují chromatické vady a částečně i vyklenutí zorného pole, v kombinaci s planachromatickými objektivy Brill okulary - umožňují pozorování a kompenzaci pro dioptrické oko, dioptrická korekce, manžety Širokoúhlé okulary - průměr zorného pole až 25 mm Projektivy - okular používaný při mikrofotografii Postup práce s mikroskopem 1 1. Mikroskop přenášíme oběma rukama (kapotáž), manipulujeme pouze pomocí vroubkovaných částí 2. Zapneme mikroskop, vložíme preparát 3. Nastavíme vzdálenost okulárů a provedeme dioptrickou korekci (okular bez dioptru zaostříme na objekt mikrosroubem, zavřeme oko; okular s dioptrem doostříme podle svého oka). Použití manžet: při pozorování s brýlemi ponechte manžety ohrnuté, nikdy manžety neodstraňovat z hygienických důvodů !!!!!!!! 4. Nastavíme slabší objektiv a makrosroubem přiblížíme k preparátu. Doostříme mikrosroubem. Postup práce s mikroskopem 2 5. Centrování polní clony dle Köhlera: mějte objektiv o zvětšení 10x a zaostřete na preparát. - uzavřete téměř polní clonu - otáčejte kolečkem nastavení výšky kondenzoru, dokud v zorném poli zřetelně neuvidíte obraz polní clony - otáčením centrovacích šroubů kondenzoru přesuňte obraz otvoru polní clony doprostřed zorného pole - správné vycentrování clony ověříte otevřením clony tak, aby se okraje obrazu jejího otvoru dotýkaly okrajů zorného pole - pře dalším pozorováním otevřete polní clonu tak, aby obraz jejího obvodu byl opsán zornému poli 6. Zaostřený obraz prohlížíme nejprve při malém zvětšení, detaily při vets i m zvětšeni. 7. U mikroskopu Olympus CX31 není nutné při výměně objektivů upravovat intenzitu spodního osvětlení posunem kondenzoru.Nastavíme správnou aperturní clonu (podle čísla na objektivu, hodnota na stupnici by měla odpovídat 80% numerické apertury objektivu). Potřeby pro mikroskopování Krycí skla -různá tloušťka (0,08; 0,11; 0,13;0,17;0,20 mm) - velikost (mm) a tvar Podložní skla - různá tloušťka (1; 1,2 mm) velikost (26 x 70 mm) - zabroušené hrany, matované Preparační soustavy- pinzeta, skalpel, nůžky, preparační jehly, štětec, pipeta Laboratorní sklo - Petriho miska, hodinové sklo, kádinka atd. Krabice na preparáty Slohy na preparáty Kontrastní metody kvalita zobrazení biologických objektů závisí na 1. dostatečném zvětšení obrazu (maximální užitečné zvětšení = numerická apertura objektivu x 1000) 2. rozlišovací schopnosti mikroskopu (numerická apertura objektivu a kondenzoru, kvalita osvětlení preparátu - Koehlerovo osvětlení) 3. kontrastu obrazu (cytologická a histologická barviva, optické metody) • Fázový kontrast • Nomarskeho diferenciální interferenční kontrast (DIC) • Hoffmanův modulační kontrast (HMC) • Dodtův infračervený gradientovy kontrast (DGC) • Fluorescence • Konfokální laserová skanovací mikroskopie Metoda fázového kontrastu Frits Zernike, 1934 Nobelova cena Zeiss, Jena amplituda - intenzita světla vlnová délka - barva 400 nm .500 nm- 600 nm 7.00 nm' fázový posun - neviditelný pro lidské oko Nebarvené objekty různá optická hustota změna fáze ZAŘÍZENI pro fazovy kontrast změna fáze vlnění na změnu amplitudy viditelné pro člověka Objektivy pro fázový kontrast - fázový prstenec (převádí neviditelné fázové rozdíly na rozdíly amplitudové) Kondenzor - aperturní kroužek pro různé zvětšení Centrovací dalekohled - seřízení fázových prstenců Zelený filtr- 540 nm fázová destička procházející světlo x fázový kontrast křídlo motýla Problem halace apodizovaný fázový kontrast Malformovaný střední háček diplozoona Nomarského diferenciální interferenční kontrast (DIC) - povrchová topologie objektu kolem 1950, Georges Nomarski mikroskop -1959 Carl Zeiss zvětšený obraz vzorku se jeví jako šikmo osvětlený trojrozměrný objekt n analyzátor interference dvou laterálně posunutých obrazů a srovnání | Wollastonův hranoly fázových rozdílů v celé ploše obrazu objektiv preparát kondenzor Wollastonův hranol polarizátor vzniknou dva identické obrazy objektu, které jsou vůči sobě laterálně posunuty různá tloušťka preparátu = fázové rozdíly rozdělení polarizovaného světla na dvě složky lineární polarizace světla Ancylostoma duodenale červené krvinky Clonorchis sinensis pylové zrno borovice ■ w. i- ■ I £ řez ledvinou myši příchytné svorky diplozoona Fluorescence, fluorescenční mikroskopie Koehler 1910 První fluorescenční mikroskop s UV excitací -1913 na jeho zkonstruování se podíleli Koehler, Reichert a Lehman epifluorescence - pozorování v odraženém světle diafluorescence - pozorování v procházejícím světle, která se v současné době téměř nepoužívá Oblasti použití fluorescenčních mikroskopů Biologie (zoologie, botanika, mikrobiologie) Medicína (předepsané zkoušky, patologie, anatomie, neurologie, fyziologie, imunologie atd.) Farmacie, chemický průmysl, biochemický průmysl Výzkum a kontrola průmyslových aplikací Fluorescence je jev, kdy látka absorbuje ultrafialové záření nebo viditelné světlo s krátkou vlnovou délkou a emituje viditelné světlo s delší vlnovou délkou než má světlo absorbované Třístupňový proces : 1. fáze - excitace (buzení viditelného záření) 2. fáze - vlastní doba excitovaného stavu (nevratná přeměna části energie v jiné druhy) 3. fáze - emise (vyzáření světla určité vlnové délky) Energie excitovaného světla je větší než emitovaného (Eex> Eem) Vlnová délka excitovaného světla je menší než emitovaného (X < Xem) Spektrum tzv. bílého světla viditelné světlo Neviditelné Neviditelné ultrafialové infračervené UV IR 350 400 ínm)______ 450 500 550 600 650 700 750 800 Schéma prvků fluorescenčního mikroskopu dichroickéi zrcátko bariérový filtr o Djektiv preparát rtuťová výbpjka 1. Rtuťová výbojka 2. Excitační filtr 3. Dichroické zrcátko 4. Objektiv 5. Preparát 6. Bariérový filtr I°l Modří Meabsorbovanä modrú TT uv -^ iK Fluor&scenců (žlutá) C ) J li m •> JJ, 1 1 " IR _ jS, , , . Ľ =* - '^u Fluorescenční „ ., ,_„ Suetelny zdroj EKcrtacni filtr ,. Banerouy filtr preparát Pozorouání nebo mikrofotografie 1. Světelný zdroj: světlo s různými vlnovými délkami od UV po IR 2. Excitační filtr: propouští pouze světlo, které je potřebné k fluorescenci vzorku, především s kratší vlnovou délkou, ostatní světlo pohlcuje 3. Fluorescenční preparát: Vzorky, které reagují na dopadající světlo fluorescencí (většinou po přidání barviva -fluorochromu) 4. Dichroické zrcátko: 5. Bariérový filtr: Odráží excitační světlo o určité vlnové délce směrem do vzorku a propouští ostatní vlnové délky, směrem od vzorku odráží nespotřebované excitační světlo a propouští fluorescenci Blokuje všechno excitační světlo, které nebylo použito a propouští pouze fluorescenční světlo. Navíc je možné z fluorescenčního spektra nechat projít pouze jeho část (černé pozadí obrazu) Funkce dichroickeho zrcátka Excitační filtr Dichroické zrcadlo 1' V Objektiv Preparát Excitační světlo i * * Fluorescence I I i i \ ' 'T Bariérový filtr Separace excitačního světla a fluorescence optická kostka bariérový filtr excitační filtr 1. autofluorescence (bez použití barviva) Celá řada látek fluoreskuje po ozáření UV světlem (některé tkáně, buňky a jejich integrální složky - pigmenty, chlorofyl). chlorofyl Příchytné svorky (skleroproteinové) žaberního parazita kaprovitých ryb Paradiplozoon homoion (Monogenea) 2. sekundární fluorescence (metoda chemického barvení) Pozorování fluorescenčního světla generovaného fluorochromem (fluoreskující barvivo), kterým se obarví látka bez vlastní fluorescence (proteiny, uhlohydráty). Pokud se obarví pouze objekty, které chcete pozorovat, lze je pozorovat odděleně od tkáně a ostatních buněk. Aplikace: vizualizace buněčných jader, chromozómů, cytoskeletu, buněčných stěn atd. Chromozomy fluoreskující díky propidium jodidu Barvení DAPI -jádra kvasinky Saccharomyces cerevisiae 3. Fluorescenční barvení protilátek (imunofluorescence) Molekuly protilátky, označené navázaným fluorochromem, se váží s molekulami specifických buněčných antigénu za vzniku komplexů (antigen+ protilátka + fluorochrom) Vizualizace specifických antigénu, provázejících určité choroby, jejichž množství respektive přítomnost se studuje po reakci antigen/protilátka Nové technologie • mikroskop s videokamerou • spojení počítače s mikroskopem • digitalizace a analýza obrazu DIGITÁLNÍ MIKROSKOP Olympus MIC-D Místo klasického pozorování pomocí okulárů zobrazuje MIC-D na monitoru osobního počítače, který je s mikroskopem spojen USB kabelem. Protože se jedná o digitální obraz, jeho zpracování je velmi rychlé a snadné: uživatel jej může uložit, vymazat, upravit, vytisknout, umístit na web nebo poslat e-mailem.