Оптический микроскоп создает изображение с помощью света и стеклянных линз, тогда как электронный микроскоп создает изображение с помощью пучка электронов, сфокусированного электромагнитными линзами в вакууме. Это позволяет электронному микроскопу обладать несравненно большей разрешающей способностью и выявлять структуры на нанометровом уровне, но он не позволяет наблюдать живые клетки. Оптический микроскоп проще, дешевле и может показывать образцы в цвете, даже живые.
Суммируя
- Источник изображения: оптический – видимый свет, электронный – электронный пучок.
- Разрешение: оптическое — приблизительно 0,2 мкм (200 нм), электронное — нанометры, а в лучших камерах — доли нанометра.
- Образцы: в оптическом методе можно наблюдать живые клетки, в электронном методе образец помещается в вакуум и должен быть специально подготовлен.
- Наличие: оптические приборы есть в каждой школьной лаборатории, электронные — в специализированных лабораториях.
Принцип действия: свет и электроны.
В оптическом (световом) микроскопе свет проходит через образец или отражается от него, а система линз — объектив и окуляр — увеличивает изображение. Мы видим его непосредственно глазами или через камеру. Изображение цветное, и образцы часто дополнительно окрашиваются для выделения таких деталей, как ядра клеток.
В электронном микроскопе вместо света используется пучок электронов, а вместо стекла — электромагнитные линзы. Электроны легко рассеиваются на молекулах воздуха, поэтому внутри колонны микроскопа должен находиться вакуум. Изображение нельзя увидеть невооруженным глазом через окуляр — оно создается на экране или детекторе и является черно-белым; цветные изображения, полученные с помощью электронных микроскопов, окрашиваются с помощью компьютера.
Первый электронный микроскоп был создан в начале 1930-х годов Эрнстом Руской и Максом Кноллем. За эту работу Руска получил Нобелевскую премию по физике в 1986 году.
Увеличение и разрешение – самое важное различие.
Более важным, чем само увеличение, является разрешающая способность , которая представляет собой наименьшее расстояние между двумя точками, которые все еще можно различить. В оптическом микроскопе это ограничение обусловлено длиной волны видимого света — примерно 0,2 мкм (200 нм) . Поэтому полезное увеличение классического светового микроскопа обычно составляет около 1000–1500 раз; большее увеличение приведет лишь к большему, но размытому изображению.
Электроны имеют гораздо меньшую длину волны, чем свет, поэтому электронный микроскоп может различать детали порядка нанометров , в то время как лучшие трансмиссионные микроскопы могут различать детали с точностью до долей нанометра, то есть отдельные столбцы атомов. Это позволяет получать увеличения в сотни тысяч или даже более миллиона раз.
На практике оптический микроскоп позволяет нам видеть клетки, клеточные ядра, бактерии и более крупные органеллы. Электронный микроскоп позволяет обнаружить вирусы, рибосомы, а также детальную структуру мембран и митохондрий. Существуют также флуоресцентные методы (так называемая микроскопия сверхвысокого разрешения), которые позволяют обойти классический предел разрешения света, но требуют специального оборудования.
Типы электронных микроскопов: ТЭМ и СЭМ
- Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) – электроны проходят через очень тонкий образец. Она позволяет получать изображения внутренней структуры клеток и материалов с высочайшим разрешением.
- Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) – луч перемещается по поверхности образца, а детекторы регистрируют электроны, выбитые или отраженные от него. Это позволяет получить характерные «трехмерные» изображения поверхностей, например, глаз насекомых или пыльцы.
Разновидностью трансмиссионной электронной микроскопии является криоэлектронная микроскопия , при которой образцы быстро замораживаются, а не фиксируются химическим путем. Эта методика позволяет изучать структуры белков и вирусов в состоянии, близком к естественному; ее изобретатели были удостоены Нобелевской премии по химии в 2017 году.
Оптические и электронные микроскопы – сравнительная таблица
| Характерный | Оптический микроскоп | Электронный микроскоп |
|---|---|---|
| Источник изображения | Видимый свет | Электронный пучок |
| Линзы | Стекло | Электромагнитный |
| Разрешающая способность | Приблизительно 0,2 мкм (200 нм) | Нанометры и доли нанометра |
| Полезное увеличение | Примерно в 1000–1500 раз | Сотни тысяч и более |
| Рабочая среда | Воздух | Вакуум |
| Живые клетки | Да | НЕТ |
| Картина | Красочный, рассматриваемый глазами или камерой. | Черно-белое изображение на экране (цвет добавлен компьютером) |
| Подготовка образцов | Простой (стекло, иногда витражный) | Комплексные процессы (фиксация, обезвоживание, нарезка, опрыскивание или замораживание) |
Подготовка образцов и ограничения
При использовании оптического микроскопа часто достаточно капли воды с образцом на покровном стекле. Можно наблюдать движение простейших, деление клеток или цитоплазматические токи. Ограничениями являются разрешение и низкий контраст прозрачных структур, которые можно улучшить с помощью окрашивания или фазово-контрастной микроскопии.
В электронном микроскопе образец помещают в вакуум и бомбардируют электронами, поэтому живые клетки не могут выжить в этом процессе. Биологические образцы для ТЭМ необходимо фиксировать, обезвоживать и разрезать на очень тонкие срезы; для СЭМ непроводящие образцы обычно покрывают тонким слоем металла. Каждый из этих этапов может привести к появлению артефактов — изменений, которых не было в естественном объекте.
Для чего предназначен каждый микроскоп? Области применения.
- Оптический микроскоп – уроки биологии, лабораторная диагностика (например, исследование мазков крови, гистопатологические исследования), наблюдение за живыми клетками и микроорганизмами, контроль качества в промышленности.
- Электронный микроскоп – изучение структуры вирусов и органелл, структуры белков, материаловедения, нанотехнологий, полупроводниковой промышленности, анализа трещин и металлических поверхностей.
Оптические микроскопы являются предпочтительным выбором для домашнего и школьного использования. Электронные микроскопы — это большие и дорогостоящие приборы, требующие отдельного помещения, вакуума и квалифицированного персонала. Они используются в университетах, научно-исследовательских институтах и промышленных лабораториях.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Во сколько раз оптический микроскоп увеличивает изображение, и во сколько раз электронный микроскоп увеличивает изображение?
Классический оптический микроскоп обеспечивает полезное увеличение примерно в 1000–1500 раз. Электронный микроскоп увеличивает изображение в сотни тысяч, а то и более миллиона раз. Однако важнее увеличения является разрешение: около 200 нм в оптических микроскопах и нанометры или меньше в электронных микроскопах.
Почему живые клетки нельзя рассмотреть в электронном микроскопе?
Образец помещают в вакуум и бомбардируют электронным пучком. Обычно перед исследованием его фиксируют и обезвоживают. Живые клетки не могут выжить в таких условиях.
Можно ли увидеть вирус под оптическим микроскопом?
Подавляющее большинство вирусов имеют размеры меньше предела разрешения светового микроскопа (около 200 нм), поэтому их структуру невозможно увидеть с помощью стандартного оптического микроскопа. Для этой цели используется электронный микроскоп.
В чём разница между просвечивающим электронным микроскопом и сканирующим электронным микроскопом?
В просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) электроны проходят через тонкий образец, обнажая его внутреннюю структуру. В сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) пучок электронов перемещается по поверхности образца, создавая изображение его формы, часто с трехмерным эффектом.
Почему фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, цветные?
Электронный микроскоп записывает изображения в оттенках серого. Цвета, которые мы видим в публикациях и СМИ, добавляются компьютером для выделения отдельных структур.
См. также
- В чём разница между телескопом и обычным телескопом?
- В чём разница между академией и университетом?
- В чём разница между полной и базовой морфологией?
- В чём разница между спектром излучения и спектром поглощения?