Kính hiển vi quang học và độ phóng đại

Kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng nhìn thấy và hệ thống thấu kính để tạo ra hình ảnh phóng đại của mẫu vật, đây là phương tiện lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất để kiểm tra tế bào và mô. Độ phóng đại làm tăng kích thước hình ảnh, nhưng chi tiết hữu ích được xác định bởi độ phân giải, mà bản chất sóng của ánh sáng giới hạn ở mức xấp xỉ bước sóng của ánh sáng được sử dụng.

Definition

Kính hiển vi quang học là kính hiển vi trong đó ánh sáng nhìn thấy đi qua hoặc phản xạ từ mẫu vật được các thấu kính hội tụ để tạo thành hình ảnh phóng đại; độ phóng đại là yếu tố mà hình ảnh được phóng to, trong khi độ phân giải là khoảng cách nhỏ nhất mà tại đó hai điểm vẫn có thể phân biệt được.

Scope

Mục này trình bày cách kính hiển vi phức hợp tạo ra hình ảnh phóng đại, sự khác biệt giữa độ phóng đại và độ phân giải, giới hạn nhiễu xạ giới hạn khả năng phân giải, và các chế độ tương phản phổ biến để quan sát các tế bào gần như trong suốt. Nó coi kính hiển vi quang học là một phương pháp hình ảnh nền tảng chứ không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Sự khác biệt giữa độ phóng đại và độ phân giải là gì?
• Tại sao bước sóng ánh sáng lại đặt ra giới hạn về khả năng phân giải?
• Làm thế nào để có được độ tương phản từ các tế bào sống gần như trong suốt?
• Khi nào việc tăng độ phóng đại không còn bổ sung chi tiết hữu ích?

Key concepts

• Độ phóng đại
• Độ phân giải và giới hạn nhiễu xạ
• Khẩu độ số
• Trường sáng, tương phản pha và tương phản giao thoa vi sai
• Độ phóng đại rỗng
• Nhuộm để tạo độ tương phản

Mechanisms

Kính hiển vi phức hợp sử dụng vật kính và thị kính để phóng to hình ảnh mẫu vật, nhưng chi tiết có thể phân giải được phụ thuộc vào nhiễu xạ: như được chính thức hóa trong lý thuyết tạo ảnh của Abbe vào thế kỷ XIX, khả năng phân giải cải thiện với bước sóng ngắn hơn và khẩu độ số lớn hơn, do đó kính hiển vi ánh sáng nhìn thấy không thể phân giải các đặc điểm nhỏ hơn vài trăm nanomet. Phóng đại vượt quá mức độ phân giải hỗ trợ sẽ tạo ra độ phóng đại rỗng — một hình ảnh lớn hơn nhưng không chi tiết hơn. Vì các tế bào phần lớn trong suốt, độ tương phản được tạo ra bằng cách nhuộm hoặc bằng các phương pháp quang học như tương phản pha và tương phản giao thoa vi sai chuyển đổi sự khác biệt về chiết suất thành sự khác biệt cường độ nhìn thấy được.

Clinical relevance

Kính hiển vi quang học là trung tâm của mô học, tế bào học, huyết học và vi sinh vật học, nơi các mẫu vật đã nhuộm được kiểm tra các đặc điểm chẩn đoán. Mục này giải thích các nguyên tắc quang học đằng sau những hình ảnh đó và mang tính giáo dục tham khảo, không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Kính hiển vi quang học phức hợp đã tiết lộ các tế bào từ thế kỷ XVII trở đi, nhưng sự hiểu biết định lượng về giới hạn của chúng xuất hiện cùng với lý thuyết nhiễu xạ của Abbe năm 1873, lý thuyết này đã liên kết khả năng phân giải với bước sóng và khẩu độ số, đồng thời giải thích tại sao kính hiển vi quang học không thể phân giải chi tiết nhỏ tùy ý. Rào cản nhiễu xạ đó đã định hình kính hiển vi trong hơn một thế kỷ và thúc đẩy cả kính hiển vi điện tử và sau này là các phương pháp huỳnh quang siêu phân giải.

Key figures

• Ernst Abbe
• Douglas Murphy

Seminal works

• abbe-1873
• murphy-2012

Frequently asked questions

Độ phóng đại cao hơn có phải luôn tốt hơn không?

Không. Độ phóng đại chỉ làm tăng kích thước hình ảnh; vượt quá giới hạn do độ phân giải đặt ra, nó tạo ra độ phóng đại rỗng, một hình ảnh lớn hơn nhưng không chi tiết hơn.

Tại sao kính hiển vi quang học không thể phân giải các cấu trúc rất nhỏ?

Do nhiễu xạ, khả năng phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi bước sóng của ánh sáng nhìn thấy và khẩu độ số của vật kính, giới hạn chi tiết ở mức xấp xỉ vài trăm nanomet.