Микроскопия

Одним из основных показателей состояния биологической системы является температура. Если у человека развивается какая-то инфекция, то температура его тела повышается (как правило, но не всегда), что является признаком ответной реакции иммунной системы на угрозу. Другими словами, по температуре можно определить примерное состояние организма. Проблема в том, что человек большой (буквально), а вот, например, нематоды в длину всего лишь около 1 мм. Измерить температуру столь малого организма было крайне сложно, однако ученые из университета Осаки (Япония) разработали методику, позволяющую решить эту проблему. Какие средства были использованы для реализации нанотермометра, что показали практические опыты, и где можно использовать данную разработку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Температура тела живого организма варьируется в зависимости от степени воздействия внутренних и внешних факторов. Мы привыкли, что температура окружающей среды напрямую влияет на температуру холоднокровных, посему ее значения меняются с завидной регулярностью. Однако даже у теплокровных при нормальных физиологических условиях наблюдаются температурные колебания, которые можно связать с гомеостатической терморегуляцией и энергетическим обменом.

Другими словами, тут отлично подходит шутка: я не бездельничаю, я очень занятой человек на клеточном уровне. Если точно измерить температуру и ее динамику в субмикронном масштабе, то можно получить много информации касательно клеточной и молекулярной активности. Проблема в том, что с уменьшением объекта измерения увеличивается сложность его проведения (сложно засунуть в нематоду обычный термометр из аптеки).

Авторы исследования отмечают, что обычные электрические термометры не имеют субмикронного разрешения, а термография в ближнем инфракрасном диапазоне обычно помогает определять температуру поверхности биологических образцов, но не внутреннюю температуру.

Конечно, сейчас уже есть светоизлучающие нанотермометры (например, термочувствительные молекулярные зонды), которые способны преодолеть это ограничение. Но у такой методики также есть недостатки. Основной это долговременная устойчивость, а точнее ее отсутствие. Подобные устройства не могут точно измерять изменения температуры, которые протекают длительное время (скажем пару часов). Не говоря уже о токсичном воздействии на образец со стороны такого термометра.

В данном труде ученые описывают концепцию наноалмазного (ND от nanodiamond) квантового термометра, который обладает высокой точностью, устойчивостью и низкой токсичностью. Принцип его работы таков: датчик считывает температуру как сдвиг частоты оптически детектируемого магнитного резонанса (ODMR от optically detected magnetic resonance) дефектных центров азотных вакансий (NV от nitrogen-vacancy), который в основном возникает из-за теплового расширения решетки. Сенсорное ядро NV глубоко встроено в решетку алмаза и невосприимчиво к различным биологическим факторам окружающей среды. Внедрение этого квантового датчика в более сложные организмы позволяет считывать их тепловую активность на конкретном участке в режиме реального времени. Но процесс реализации такой техники сопряжен с рядом сложностей.


Нематода (круглый червь) вида Caenorhabditis elegans.

Многоклеточные модельные организмы, такие как черви Caenorhabditis elegans, нуждаются в специальной камере, способной вместить тело миллиметрового размера, а сами образцы необходимо быстро анализировать, чтобы сохранить их физиологическое состояние. Квантовые ND термометры движутся намного быстрее, чем в культивируемых клетках, даже если тело обезвожено, что требует использования алгоритма быстрого отслеживания частиц. Кроме того, позиционное перемещение ND и сложная структура тела вызывают существенные колебания обнаруженной интенсивности флуоресценции, что, вероятно, вызовет артефакты измерения температуры. Решение этих проблем на данном этапе исследования сопряжено с подгонкой устройство под индивидуальные особенности анализируемого образца. Вопрос универсальности и легкости в настройке будущего нанотермометра планируется рассматривать в дальнейших работах, а пока внимание было уделено самой концепции и основным принципам работы.


Небольшой ролик, рассказывающий о нематодах.

Результаты исследования

Основой нанотермометра является конфокальный флуоресцентный микроскоп, оборудованный установкой для микроволнового облучения (1А).


Изображение 1

ODMR азотных вакансий можно измерить как уменьшение интенсивности лазерно-индуцированной флуоресценции при применении спин-резонансного микроволнового возбуждения, поскольку спиновое возбуждение активирует нефлуоресцентный путь релаксации из возбужденного состояния в основное состояние (1В).

Камера, куда помещаются образцы, представляет собой одноразовую чашу со стеклянным дном, интегрированную в антенну, которая обеспечивает оптический доступ большой площади (диаметр 12 мм) и простоту использования (1C), подходящую для деликатных образцов, таких как стволовые клетки. Время от захвата червя Caenorhabditis elegans до начала фактического измерения составляет всего 15 минут. Это помогает сохранить жизнеспособность червя и способствует получению большего объема данных о его состоянии.

Кроме того, данная система эффективно объединяет быстрое отслеживание частиц и высокоточную оценку температуры в реальном времени по ODMR смещению NV центров.

При отслеживании частиц система измеряет интенсивность флуоресценции ND вдоль осей xyz микроскопа и фокусируется на соответствующем максимуме флуоресценции каждые 4 секунды (возможен более короткий интервал отслеживания), в течение которых температура оценивается со временем выборки от 0.5 до 1.0 секунды. (2А).


Изображение 2

Методов квантовой термометрии существует несколько, однако в данном труде был использован метод четырехточечных измерений ODMR. Этот метод предполагает, что количество фотонов, зарегистрированных на всех четырех выбранных частотах, линейно масштабируется в соответствии с изменениями обнаруженной интенсивности флуоресценции.

Однако, было обнаружено, что каждый последующий фотон показывает разницу в светочувствительности около 0.5%, что фактически создает существенные артефакты в оценке частотного сдвига (т.е. 300 кГц, что соответствует нескольким градусам Цельсия), особенно при низко-фотонном режиме.

Эти артефакты, скорее всего, возникают из-за зависимой от оптической мощности асимметрии спектра ODMR. Для точного измерения температуры сложных оптических динамических систем (т.е. биологических систем) от подобных артефактов необходимо избавляться. Поэтому в метод четырехточечных измерений был добавлен фильтр коррекции ошибок.

Для оценки работы системы, сопряженной с коррекцией ошибок, в реальном времени были проведены измерения температуры ND во время ступенчатых тепловых событий. Резкие изменения температуры использовать нельзя было, так как внезапные изменения температуры вызывают большую расфокусировку фокальных пятен и связанные с ними флуктуации интенсивности флуоресценции.

На 2B показаны временные профили общего количества фотонов (I_tot) и температурная оценка ND (T_NV), когда температура образца (T_S) изменяется от 44.3 30.4 44.3 с шагом в 2.8. Система точно выдает T_NV, соответствующий T_S, при этом положение фокуса существенно перемещалось, особенно вдоль оси z на расстояние более 30 мкм (2C).

При шаге в 3 проявляется позиционный сдвиг по оси z на 6 мкм в течение 3-4 минут, но скорость слежения достаточно высока, чтобы следовать динамике 105 нм/с в течение 96 минут (2С).

Кроме того, T_NV четко демонстрирует антикорреляцию с I_tot. Статистическое исследование этого типа температурной зависимости определяет средние значения для SD: I_tot^-1dI_tot/dT = -3.9 0.7 %/С и dD/dT = 65.4 5.5 кГц/С (2D). При этом точность измерения температуры составляет 0.29 и < 0.6 C, соответственно, что дает чувствительность 1.8 C/Гц.

После достижения надежной и точной термометрии в реальном времени в рамках этапа разработки, был проведен тестовый локальный мониторинг температуры на живых червях.


Изображение 3

На снимке 3А показаны ND внутри анестезированных червей, помещенных рядом с микроволновыми антеннами. Эти ND хорошо диспергируются в воде за счет поверхностной функционализации полиглицерина (PG от polyglycerol) и вводятся путем микроинъекции в гонады (половые железы подопытного червя).

На графике 3В показан ODMR спектр одиночного ND (отмечен стрелкой на 3А). 3С демонстрирует временные профили I_tot и T_NV за период в 1 час при изменении температуры T_S.

Сначала проводилось измерение T_obj при 33.2 С, через 6 минут было выполнено уменьшение до 25.3 С. В результате Tobj достиг уровня 28.6 С на 35.2 минуте. T_NV показал точное изменение температуры между двумя стационарными состояниями: 33.2 и 28.6 С.

Отображение реальной динамики температуры внутри червей между этими двумя стационарными состояниями отображается за счет того, что T_NV всегда отстает от T_S и демонстрирует немного заниженный отклик из-за конечной теплоемкости объектива микроскопа и окружающей среды. I_tot также показывает постепенные изменения интенсивности флуоресценции, вызванные температурой.

Отслеживание частиц также выполнялось на удовлетворительном уровне (3С). В течение 0-15 минут в подсчитанных фотонах появляются частые всплески, возникающие из-за позиционных флуктуаций ND приблизительно на 400 нм в течение нескольких секунд.

Результаты теста отчетливо свидетельствуют о высокой точности измерения температуры внутри наноразмерной биологической системы в реальном времени. Далее было решено провести дополнительные тесты, перед которыми подопытные черви прошли фармакологическую обработку с помощью C₁₀H₅F₃N₄O (FCCP от карбонил цианид-4- (трифторметокси) фенилгидразон), вызывающую неподвижный термогенез (грубо говоря, повышение температуры ввиду увеличения метаболизма и без дополнительной мышечной активности).


Изображение 4

На снимке 4А показаны ND у червей, стимулированных FCCP. А на графике 4В показан временной профиль T_NV ND, отмеченного стрелкой на снимках.

На седьмой минуте после начала измерения был использован раствор FCCP. На 32-ой минуте T_NV начинает постепенно увеличиваться, а на 48-ой наблюдается еще большее дополнительное увеличение, когда уровень изменения температуры повышается от 4 до 7 С. Состояние повышенной температуры длилось около 80 минут.

Во время стимуляции ND медленно перемещаются на несколько микрометров в течение часа, что подтверждает результаты отдельных экспериментов, в которых ND непрерывно наблюдались под микроскопом.

Контрольная группа червей (4С и 4D), которым не вводили FCCP, показала равномерный отклик T_NV во время всего теста без каких-либо явных изменений температуры.

Для дополнительного подтверждения того, что FCCP реально вызывает повышение температуры тела червей, была проведена количественная оценка червей с помеченными ND как в контрольной, так и в подопытной группе (4Е). График явно говорит о повышении температуры у червей из подопытной группы по сравнению с контрольной.

Другой контрольный эксперимент, в котором буферный раствор не добавлялся, а T_NV отслеживался статически, показывает, что добавление допанта вызывает колебания T_NV на определенном уровне либо из-за изменения температуры, либо из-за артефактов сдвига ODMR. Однако наблюдение подобного сдвига невозможно при добавлении FCCP, что дополнительно подтверждает повышение температуры за счет FCCP у подопытной группы червей (4F).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном исследовании ученым удалось разработать методику, позволяющую точно измерить температуру внутри наноразмерной биологической системы в реальном времени. Утрировано говоря, им удалось измерить температуру тела червя Caenorhabditis elegans, длина которого составляет примерно 1 мм.

Важно понимать, что измерить что-либо в большом образце гораздо проще, чем в малом. Тем не менее использование наноалмазов, вводимых в тело червей, позволило узнать температуру тела червя в обычных условиях. Эти наноалмазы, попадая внутрь тела, начинают быстро перемещаться. Специально разработанный алгоритм и конфокальный флуоресцентный микроскоп позволили отследить и проанализировать их движение. Полученные данные позволили точно определить температуру тела червя и ее динамику, даже после введения специального вещества, вызвавшего повышение температуры.

Данный труд не только показывает, что квантовые технологии могут и должны применяться в биологии, но и расширяет спектр возможностей в аспекте диагностики различных процессов на макроуровне. Очень часто состояние биологической системы напрямую или косвенно зависит от процессов, протекающих внутри клеток, измерить которые в реальном времени ранее было крайне сложно. Получив больше информации касательно составных элементов системы, можно лучше понять саму систему, что, естественно, позволит эффективнее влиять на ее работу.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Каждую секунду вокруг нас протекает множество физических и химических процессов, которые крайне сложно зафиксировать. Сложность заключается не только в габаритах участвующих объектов, но и в скорости самих процессов. В современных исследованиях большую роль играет скоростная съемка, позволяющая запечатлеть сверхбыстрые динамические явления. Но даже у такой технологии есть свой предел, который утрировано можно обозначить кадрами в секунду. Ученые из университета Шэньчжэня (Китай) смогли создать исключительно оптическую систему, способную достичь 15 триллионов кадров в секунду. Какие техники и явления были использованы в данной разработке, что показали практические опыты, и где данное творение может найти свое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Высокоскоростная визуализация является неотъемлемым инструментом изучения таких шустрых динамических процессов как фемтосекундная лазерная абляция, распространение лазерных филаментов, молекулярная динамика, взаимодействие ударных волн в живых клетках и т.д.

Вполне ожидаемо, что сверхбыстрая оптическая визуализация, которая может обеспечить визуализацию переходных процессов без размытия, является желанным инструментом для ученых из самых разных областей науки (химия, физика, оптическая инженерия, материаловедение, биомедицина и т.д.).

На данный момент уже существует ряд методик, позволяющих достичь вполне неплохих результатов в области оптической визуализации. К примеру, визуализация с временным разрешением, основанная на методах накачки и зондирования, отлично справляется с воспроизводимой переходной динамики с высокой частотой повторения. Однако данная методика теряет свои преимущества при работе с процессами, которые имеют низкую частоту повторения или не повторяются вовсе.

Заменить метод накачки-зондирования можно однократной оптической визуализацией. В некоторых работах удавалось даже достичь 25 миллионов кадров в секунду (Mfps). А вот сжатая сверхбыстрая фотография (CUP от compressed ultrafast photography) может работать с частотой кадров 0.1 триллиона кадров в секунду (Tfps) с временным разрешением ~ 50 пс за счет применения алгоритма на основе алгоритма компрессионного зондирования* (compressive sensing).

Компрессионное зондирование (compressive sensing)* методика получения и восстановления сигнала за счет знания о его предыдущих значениях, которые разрежены или сжаты.

Пространственное разрешение такого метода может быть масштабировано до 7 lp/mm (пар линий на миллиметр, далее пл/мм). Если же добавить 20х объектив, то получится фазочувствительная сжатая сверхбыстрая фотография (pCUP), способная выдать пространственное разрешение в несколько микрометров и скорость визуализации в 1 Tfps.

В такой методики можно достичь хороших показателей пространственного разрешения, чего нельзя сказать о временном разрешении. Следовательно, необходим метод, который сможет объединить сильные стороны вышеописанных методов воедино.

По заверению ученых, отличным кандидатом на эту роль подходит оптическое параметрическое усиление (OPA от optical parametric amplification). Применяя OPA к оптическому изображению, информацию, содержащуюся в сигнале, можно скопировать на холостое изображение. Данная особенность вдохновила ученых на создание нового метода однократной сверхбыстрой оптической визуализации, названного формированием изображения посредством неколлинеарного оптического параметрического усиления (FINCOPA от framing imaging based on noncollinear optical parametric amplification; NCOPA от noncollinear optical parametric amplification).

Неколлинеарное устройство позволяет преобразовывать информацию в последовательных кадрах в пространственно разделенные холостые изображения с помощью многокаскадных оптических параметрических усилителей, накачиваемых последовательной серией лазерных импульсов.

Данный полностью оптический метод также лишен каких-либо узких мест, связанных с активными механическими и электронными компонентами для быстрого сканирования, что критично для высокой частоты кадров.

Принцип работы системы FINCOPA

Изображение 1

Схема выше является иллюстрацией работы системы FINCOPA. Был использован импульс выборки с достаточно большой временной шириной, чтобы охватить всю информацию в целевом переходном процессе. Кроме того, последовательность ультракоротких импульсов (обозначенных как trigger-1, 2, 3 и 4) была использована для запуска и переключения информации изображения с разных временных срезов импульса выборки на другую последовательность ультракоротких импульсов (помеченных как recorded-1, 2, 3 и 4) с использованием каскадных преобразователей оптических изображений. Поскольку записанные изображения пространственно разделены друг от друга, их можно принимать разными CCD (ПЗС от прибор с зарядовой связью) камерами.

Кадровые интервалы определяются относительными задержками между импульсом выборки и импульсами запуска, тогда как время экспозиции изображений можно оценить, используя длительность импульсов запуска. Таким образом, время экспозиции, эффективная частота кадров и номер кадра не зависят друг от друга.

Для реализации этой идеи необходима фемтосекундная лазерная система с фемтосекундным временным разрешением. Как отмечают ученые, тут крайне важна точная временная синхронизация между импульсами запуска и импульсом выборки. Достичь этого удалось за счет получения как импульса выборки, так и импульсов запуска от одного и того же лазерного источника, что снижает временные колебания между синхронизированными импульсами до нескольких фемтосекунд. Номер кадра (N) определяется отношением полной доступной мощности импульса запуска к мощности, необходимой для запуска каждого преобразователя оптического изображения.

OPA может отображать информацию о сигнале в холостом изображении, поэтому оптические параметрические усилители могут служить преобразователями изображения. Кроме того, использование ультракоротких импульсов в качестве накачки для OPA означает короткое время экспозиции при визуализации OPA, то есть высокое временное разрешение.

В оптическом параметрическом усилителе OPA возникает только во время взаимодействия между накачкой и сигналом, а это означает, что информация об изображении отображается в холостом только под действием накачки. Накачка имеет гораздо меньшую длительность импульса, чем сигнал, поэтому она может действовать как оптический затвор. Выдержку можно оценить по длительности импульса накачки, а временное разрешение в основном определяется длительностью холостого импульса. Обе длительности будут равны друг другу, если толщина кристаллов OPA будет достаточно тонкой для подавления временного отклонения между сигналом и импульсами накачки.

Кроме того, сверхкороткая длительность импульса накачки способствует высокой интенсивности накачки (например, > 100 ГВт/см²), что также положительно влияет на усиление OPA и позволят достичь большой пространственно-временной полосы пропускания.

Другими словами, интенсивность накачки для OPA определяется требуемым усилением OPA и полосой пропускания, но также ограничивается требуемыми размерами изображения и доступной мощностью накачки для OPA.

Для конкретных интенсивности накачки и размеров изображения или площади накачки каждого усилителя количество усилителей или количество кадров можно оценить, поделив общую мощность накачки на мощность накачки каждого усилителя. Кроме того, время задержки между импульсом накачки и сигнальным импульсом определяет экспонированные временные срезы сигнала в каждом усилителе ().

Из различий между каждым значением можно определить интервалы кадров. В системе FINCOPA значение ограничивается только минимально доступными размерами шага линий временной задержки (DL от delay lines) и флуктуациями траекторий луча лазера. Как правило, интервал кадров больше, чем продолжительность импульса накачки.

На изображении 1b показана экспериментальная установка FINCOPA.

Используемый фемтосекундный титан-сапфировый лазер имеет следующие параметры: 1 кГц; 800 нм; 3.5 мДж; длительностью импульса ~ 40 фс. Выход лазера сначала проходит через генератор второй гармоники (ГВГ): 0.2 мм -BBO кристалл. Временное разрешение экспериментальной установки составляет около 50 фс.

Примерно 30% лазерного импульса преобразуется во вторую гармонику (т.е. импульс 400 нм) с длительностью импульса ~ 40 фс. После прохождения через разделитель длин волн (WS от wavelength separator) импульс 400 нм разделяется на четыре дочерних импульса группой делителей луча (BSG от beam splitter group), включая три 50:50 делителя, для накачки четырех оптических параметрических усилителей (NCOPA-1NCOPA-4). Количество усилителей или количество кадров равно четырем, что в основном ограничено выходной мощностью импульса фемтосекундной лазерной системы (~ 3.5 Вт на частоте 1 кГц). Если энергия фемтосекундного лазера достигает 7 Вт, количество кадров можно оценить в 4 х 7/ 3.5 = 8.

Непреобразованный основной импульс 800 нм отражается WS. Около 1% лазерного импульса с длиной волны 800 нм направляется в расширитель импульсов (PS от pulse stretcher) распределитель импульсов, который увеличивает длительность импульса до 50 пс. Затем расширенный импульс работает как выборка для освещения целевого сверхбыстрого события, а также как сигнал последующих оптических параметрических усилителей.

В описанной выше установке между целевым объектом и оптическими параметрическими усилителями используются четыре оптических системы формирования изображений (от OIS-1 до OIS-4), так что плоскости цели и плоскости усилителей сопряжены друг с другом. OIS-1 отображает цель на NCOPA-1 с помощью оптического увеличения, чтобы соответствовать пространственной полосе пропускания усилителя, таким образом оптимизируя качество изображения. OIS-2, OIS-3 и OIS-4 используются для 1х релейной визуализации. Четыре части кристаллов -BBO толщиной 0.5 мм и сечением 29.2 градуса работают для OPA при фазовом согласовании типа I.

В каждом усилителе накачка и сигнал расположены с небольшим углом пересечения (~ 2 градуса) внутри кристаллов -BBO, так что генерируемое холостое изображение пространственно отклоняется от них обоих. Время задержки между ними можно независимо регулировать с помощью DL (от DL-1 до DL-4).

На каждом пути холостого изображения используется линза для отображения -BBO кристалла на CCD камере для оптимизации качества изображения.

Характеристики системы FINCOPA

Использование фемтосекундного лазерного импульса в качестве накачки для получения изображений с помощью OPA имеет несколько преимуществ. Во-первых, более сильный импульс накачки может обеспечить более высокий прирост оптического параметрического усиления. Во-вторых, такой импульс позволяет получить большую пространственную полосу пропускания.

Доступная интенсивность накачки в основном ограничена повреждением OPA кристалла от лазерного воздействия, которое также зависит от длительности импульса накачки: чем короче длительность накачки, тем выше доступная интенсивность. Для фемтосекундных импульсов интенсивность накачки может достигать сотен ГВт/см². А вот наносекундные импульсы обычно имеют интенсивность ниже 10 ГВт/см². В проводимых экспериментах накачка была установлена на уровне 15 ГВт/см², а коэффициент усиления OPA составлял около 30.

Перед проведением фактических испытаний необходимо было произвести пространственную и временную калибровку.

Для начала необходимо было откалибровать поперечное положение четырех CCD (ПЗС) и увеличение оптической системы формирования изображения. Это было сделано путем одновременного захвата тестовых изображений с CCD.

Далее определялось начальное время, т.е. нулевой момент времени, когда сигнал взаимодействует с системой накачки NCOPA-1 (накачка-1). Этот параметр можно менять, настраивая задержку первого импульса накачки через DL-1. Соответственно, нулевые позиции NCOPA-2, NCOPA-3 и NCOPA-4 могут быть зафиксированы путем настройки временных задержек их систем накачки так, чтобы сигнал, усиленный NCOPA-1, также был максимизирован за счет NCOPA-2, NCOPA-3, и NCOPA-4 одновременно.

Кадровое изображение, которое было перенесено с помощью холостого импульса (idler-1) и снято камерой CCD-1, является первым изображением. Последующие три холостых изображения с CCD-2, CCD-3 и CCD-4 стали вторым, третьим и четвертым изображениями соответственно. Их моменты относительно нулевого времени были отрегулированы с помощью DL-2, DL-3 и DL-4, чтобы изменить временные задержки лучей накачки.

Сверхбыстрая визуализация плазменной решетки

Чтобы проверить производительность FINCOPA, была сконструирована плазменная решетка в качестве первого образца. Это связано с тем, что такая решетка имеет регулируемые структуры с пространственным периодом до 10 мкм и сроком службы, измеримом в пикосекундах. Следовательно, для визуализации такого образца необходимо субпикосекундное временное разрешение и пространственное разрешение на уровне микрометров.

Решетка возбуждалась двумя неколлинеарными ультракороткими импульсами с длиной волны 800 нм с помощью неколлинеарного интерферометра (NCI от noncollinear interferometer). Полная энергия возбуждающего импульса составляла 2.4 мДж, а фокусное расстояние линзы (L) 250 мм. Период решетки регулируется за счет изменения угла пересечения двух лучей (2).


Изображение 2

На 2а представлена структура решетки для 2 = 3.8 градуса, а 2b показывает одномерный профиль интенсивности, записанный вдоль вертикальной белой линии на 2а.

Было установлено, что период модуляции решетки составляет 12 мкм, что соответствует плотности штрихов около 83 пл/мм в вертикальном направлении. Согласно концепции устройства, NCOPA могут разрешать пространственные структуры с пространственной частотой до 36 пл/мм, посему в OIS-1 было настроено 3х увеличение для визуализации образца на NCOPA для 83 плмм решетки.

Два импульса возбуждения для образца поступали от лазерной системы Ti:S с частотой 1 кГц вместе с селектором одиночных импульсов. В отсутствие селектора одиночных импульсов событие повторялось с частотой 1 кГц, поэтому оно было зарегистрировано методом накачки-зондирования.

Накачка-зондирование использовалось для регистрации эволюции плазменной решетки с NCOPA-1 и CCD-1, которая, как видно на 2с, включает 16 фрагментов изображения.

Каждый из фрагментов имеет вертикальную белую линию для калибровки пространственного положения в горизонтальном направлении. На каждом фрагменте изображения плазменная решетка распространяется слева направо. А нулевой момент времени был определен как момент, когда плазма пересекает белую линию на первом фрагменте изображения (2с).

График 2d демонстрирует изменение модуляции в зависимости от задержки. Анализ этих данных позволяет предположить, что после прохождения импульса накачки через белую линию плазменная решетка становится монотонно сильнее, но начинает исчезать через 4 пс.

Для покадровой визуализации был установлен селектор одиночных импульсов на выходе системы Ti:S для создания однокадровой плазменной решетки.


Изображение 3

На изображении выше представлены четыре группы снимков, каждая из которых включает четыре кадра видеозаписи решетки, полученной с помощью системы FINCOPA (видео 1).


Видео 1

На 3а интервалы времени между соседними холостыми изображениями составляют 100 фс. Это означает, что FINCOPA работает с частотой кадров 10 Tfps (видео 2).


Видео 2

На 3а также видно, что полосы плазменной решетки слева направо постепенно становятся видимыми с течением времени, что означает, что плотность электронной плазмы монотонно увеличивается от 0 до 300 фс.

На 3b представлены кадры в период времени 0, 200, 400 и 600 фс, т.е. с интервалом между кадрами 200 фс (видео 3).


Видео 3

Полосы на плазменной решетке становятся все более четкими, что можно проверить по изменению модуляции вдоль белых линий (3f).

Основываясь на данных из 3е и 3f, интервал между кадрами был увеличен до 1 пс, а зафиксированный момент NCOPA-1 был перенесен из нулевого временного момента на 1 пс (видео 4).


Видео 4

На 3с и 3g показаны изображения и кривая модуляции, отражающие тенденцию к увеличению плазменной решетки (3а и 3b).

На 3d показаны кадры при 5, 8, 20 и 30 пс (видео 5). Видимость полос со временем уменьшается, а это означает, что плазменная решетка начинает постепенно исчезать начиная с 5 до 30 пс. В результате в отличие от 3e3g, модуляция на 3h со временем уменьшается.


Видео 5

Для сбора полной информации со снимков 3е-3h были получены временные характеристики нормализованной модуляции решетки по белым линиям каждого изображения (синие метки на 4а; красные метки соответствуют 2d, полученному накачкой-зондированием).


Изображение 4

Сравнение результатов работы обоих методов (т.е. сравнение красных и синих меток) показало, что результаты обоих методов совпадают, т.е. система FINCOPA работает исправно.

В случае, когда 2 = 2.5 градусов, период плазменной решетки становится около 18 мкм (т.е. плотность штриховки составляет 56 пл/мм).

Были проведены такие же эксперименты, как и на изображении 3, но уже с 2 = 2.5, а не 3.8 градусов. Результаты (4b) показывают хорошее совпадение нормированных модуляций между методом накачки-зондирования и методом FINCOPA.

Далее была рассмотрена эволюция решетки вдоль направления ее распространения. Из 4х4 кадров был получен коэффициент модуляции в зависимости от пространственной координаты вдоль направления распространения при различных значениях , например 0.8, 1, 2 и 4 пс (5а).


Изображение 5

Пик модуляции смещается вправо с увеличением , что объясняется тем, что пара импульсов накачки распространялась слева направо. Поскольку плазменная решетка представляет собой объект с низкой модуляцией интенсивности, измеренный контраст изображения относительно низкий. Используя пространственную фильтрацию, удалось удалить фон и увеличить контраст изображения.

Другое наблюдаемое явление заключалось в том, что пиковые значения модуляций уменьшались с удалением от центра вдоль направления x. На 5b представлена эволюция модуляции решетки в зависимости от времени от 0 до 30 пс в четырех положениях вдоль направления x (т.е. х = 15, 60, 90 и 500 мкм). Все положения показывают аналогичную эволюцию модуляции, но максимумы уменьшаются при сдвиге положения от центра влево. Таким образом, 5b подразумевает зависимость модуляции решетки от x, которая может быть результатом зависимости интенсивности возбуждающего импульса от x.

Сверхбыстрая визуализация вращающегося оптического поля

Изображение 6

Для дополнительной проверки временного разрешения FINCOPA было выполнена визуализация (схема установки на 7b) сверхбыстрого вращающегося оптического поля с частотой 20 Гц и скоростью вращения более 10 триллионов радиан в секунду (Tрад/с).


Изображение 7

Низкая частота повторения (20 Гц) означает, что этот вид оптического поля может быть усилен до чрезвычайно высокой мощности (например, до десятков тераватт и даже выше). Однако для лазерной системы низкая частота повторения обычно сопровождается большой скачкообразной флуктуацией ее выходных импульсов, так что метод накачки-зондирования может привести к значительной неточности измерения.

Изучаемое поле было создано путем двух чирпированных вихревых импульсов с разными топологическими зарядами (l) и временной задержкой (t). Если настроить временную задержку пары чирпированных импульсов на 1 пс, оптическое поле поворачивается с разностью угловых частот = 27 Трад/с (т.е. цикл вращение равен 466 фс).

Система FINCOPA визуализировала это событие с интервалом кадров t = 66.7 фс, т.е. с частотой в 15 триллионов кадров в секунду (видео 6). На изображении 6 показано поле, поворачивающееся на угол 0.9 рад за 200 фс.


Видео 6

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Часто говорят, что мастер ничто без своих инструментов. Возможно это и преувеличение, ведь талант, навыки и знания никто не отменял. Однако в аспекте исследования каких-либо процессов инструменты играют далеко не последнюю роль.

В данном труде ученые продемонстрировали работоспособную систему скоростной визуализации, которая способна запечатлеть что-либо с частотой кадров до 15 триллионов. Подобных показателей доныне не было, потому смело можно говорить про установление нового рекорда.

Сами авторы уверены, что их детище позволит познать очень много нового как в явлениях и процессах, которые уже изучены, так и в тех, что пока не могли быть рассмотрены из-за отсутствия необходимой аппаратуры.

Конечно, авторы исследования не намерены поддаваться бахвальству, ибо их система требует улучшений и доработок, которые в будущем смогут привести к тому, что метод FINCOPA станет столь же обыденным и распространенным, как и обычная микроскопия. По крайней мере, это мечта ученых. Станет ли она реальностью, покажет время.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Некто когда-то сказал, что прогресс науки это результат бесконечного спора между учеными, которые регулярно пытаются опровергнуть или перепроверить теории друг друга. Безусловно, в этом есть смысл, ибо теория одного человека, какой бы идеальной она ни была на первый взгляд, остается умозаключением лишь одного человека. Следовательно, в споре рождается истина. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором ученые из университета Арканзаса предложили собирать энергию из Броуновского движения атомов графена. Загвоздка в том, что небезызвестный физик Ричард Фейнман уже давно говорил, что подобное невозможно. Как ученым удалось оспорить это высказывание, что для этого потребовалось, и насколько эффективен разработанный графеновый генератор энергии? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Отдельно стоящие двумерные (2D) кристаллические мембраны демонстрируют уникальное внеплоскостное движение. В расслабленном состоянии листы отдельно стоящего графена имеют волнистую морфологию, в которой соседние области чередуются между вогнутой и выпуклой кривизной. Происхождение этой ряби нанометрового размера остается неизвестным.

Теоретические исследования утверждают, что источником этого является электрон-фононная связь, поскольку она подавляет жесткость длинноволнового изгиба и усиливает внеплоскостные флуктуации. Для состояния теплового равновесия была выведена система уравнений высоты графеновой мембраны, включая вспомогательные поля напряжений и кривизны. В рамках этой пертурбативной формулировки квантовой статистической механики круглые графеновые мембраны спонтанно изгибаются ниже критической температуры и выше критического радиуса. В этом же русле были проведены и численные исследования статической ряби в мембране, связанной с фермионами Дирака*. Они показали наличие фазового перехода от плоской к волнистой морфологии.

Фермион Дирака* фермион (частица с полуцелым спином), который не является античастицей.

Однако, как заявляют ученые, ранее не проводилось никаких исследований динамических флуктуаций с использованием гамильтониана*, включающего электроны Дирака, упругость и электрон-фононное взаимодействие.

Гамильтониан* оператор* полной энергии системы, куда входит и кинетическая, и потенциальная энергии.

Оператор* линейное отображение, действующее на волновую функцию, которая является комплекснозначной функцией, наиболее полно описывающей состояния системы.

Ранние феноменологические исследования моделировали электрон-фононное взаимодействие путем связывания точечных частиц в узлах гексагональной решетки со спинами Изинга*, которые претерпевают глауберовскую динамику*.

Модель Изинга*: каждая из вершин кристаллической решетки обозначается числом (спином), равным либо +1, либо -1. У спина имеется 2^N (N число атомов решетки) возможных вариантов расположения, каждому из которых приписывается энергия, получаемая из попарного взаимодействия спинов соседних атомов.

Глауберовская динамика* метод моделирования модели Изинга на компьютере. Является разновидностью алгоритма Монте-Карло с марковскими цепями.

Спины обмениваются энергией с тепловым резервуаром*, их динамика демонстрирует рябь, а их взаимодействие с мембраной приводит всю систему в состояние равновесия.

Тепловой резервуар* термодинамическая система с достаточно большой теплоемкостью, позволяющей сохранять свою температуру на стабильном уровне даже при контакте с другими системами и/или окружающей средой.

Относительно недавнее исследование (Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes) позволило измерить движение атомов вне плоскости в отдельно стоящем графене с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Результаты этих измерений показали, что отдельные атомы в мембране испытывают броуновское движение* со спорадическими (редкими / одиночными) большими скачками.

Броуновское движение* беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Редкие скачки высоты атомов графена соответствуют когерентным инверсиям кривизны ряби, на которой сидят атомы. Это согласуется как с молекулярной динамикой, так и с глауберовской динамикой спиновых мембран.

Для рассматриваемого нами сегодня исследования графен был выращен на Ni и перенесен на сверхтонкую медную сетку с решеткой из квадратных отверстий (ширина 7.5 мкм) и стержневых опор (ширина 5 мкм). РЭМ (растровая электронная микроскопия) исследование подтвердило, что 90% сетки было успешно покрыто графеном.

В работе использовался сканирующий туннельный микроскоп в условиях сверхвысокого вакуума (базовое давление 10^-10 мбар) при комнатной температуре. Графеновая пленка была прикреплена к пластине для образцов на специальных стойках, позволяя наконечнику СТМ проходить через отверстия сетки. Также использовалась система шумоподавления и виброизоляции. Питание системы осуществлялось посредством аккумуляторной батареи с изолированным заземлением для достижения исключительно низкого механического и электрического шума.


Изображение 1

Точка контакта СТМ-иглы (зонда) и образца была включена в электрическую цепь (1а). Образец был изолирован от земли и подключен к двум диодам. Точка контакта в цепи выполняет роль переменного конденсатора. Туннельный ток, ток диода 1 (D1C) и ток диода 2 (D2C) контролировались одновременно. Такая диодная схема используется для сбора энергии, но в данном случае она использовалась, чтобы изолировать индуцированный графеном ток от тока батареи. При расстоянии между зондом и образцом менее 2 нм туннельные электроны преобладают в токе, а в случае больших расстояний преобладает ток смещения.

На 1b показан волнистый графен и изменения формы, вызванные напряжением. Когда напряжение смещения увеличивается, графен растягивается, и СТМ-игла перемещается вместе с графеном. На 1с показано типичное измерение высоты мембраны во времени в точечном режиме с постоянным током. Важно отметить, что в ходе данного эксперимента игла микроскопа передвигалась исключительно вертикально.

График 1d показывает туннельный ток в зависимости от времени как для неподвижного графена (т.е. графена на меди), так и для отдельно стоящего графена. Для отдельно стоящего образца средний ток такой же, как у неподвижного образца, но колебания в 100 раз больше (10 пА против 0.1 пА). Важно и то, что результаты, показанные на 1d, не зависит от приложенного напряжения смещения (до 3 В) и настройки усиления обратной связи.

По мере увеличения уставки* тока (SPC от setpoint current) стандартное отклонение также увеличивается (1e), что может быть связано с нагревом образца.

Уставка* желаемое или целевое значение важной переменной или процесса в системе.

При экстраполяции к нулевому туннельному току флуктуации по-прежнему вносят вклад в ток смещения в размере 20 пА.

Чтобы измерить ток смещения при нулевом туннельном токе, иглу СТМ постепенно отклоняли от образца, пока расстояние не стало слишком большим для туннелирования электронов через вакуумный барьер. В этом положении SPC находится на уровне 50 нА, тем самым используя цепь обратной связи, чтобы игла СТМ оставалась неподвижной.

После этого было приложено напряжение смещения постоянного тока и отслеживание D2C во времени (2а).


Изображение 2

При одном вольте ток не индуцируется, но при 15 В и 45 В систематически наблюдались резкие и зависящие от времени пики D2C.

На 2b показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) диода при низком значении тока. Далее были проведены расчеты мощности, рассеиваемой в диоде 2 (2c), которая достигает 40 пВт.

На 2d собраны данные по средней мощности для большого количества отдельно стоящих и неподвижных образцов. Отсутствие тока для неподвижного образца подтверждает, что загрязнение и эмиссия электронного поля не являются источниками D2C.

Эти данные предполагают, что электрическая работа* совершается на D2 движением графена, даже если он поддерживается при одной температуре (т.е. при комнатной температуре).

Электрическая работа* работа, совершаемая над заряженной частицей электрическим полем.

Ученые уверены, что работа может выполняться, находясь в термодинамическом равновесии, и более глубокое понимание этого прольет свет на потенциальные методы получения неравновесной энергии. Для этого была создана модель (3а).


Изображение 3

Атом углерода, ближайший к игле СТМ, находится над волнистостью, которая колеблется между выпуклой и вогнутой кривизной. Данная ситуация моделируется как броуновская частица в двухъямном потенциале, контактирующая с тепловым резервуаром при температуре T.

Игла СТМ и образец действуют как конденсатор переменной емкости C(x) = C₀ / (1 + x/d), где d + x(t) мгновенное расстояние между иглой СТМ и образцом, x(t) (x d) вертикальное положение атома углерода, измеренное по отношению к плоской конфигурации графеновой мембраны.

Если мгновенный заряд и падение напряжения конденсатора игла-образец равны q(t) и u(t), то электростатическая сила, действующая на частицу будет равна qu / [2(d + x)] = q² / (2C₀d).

Формула заряда q(t) следует из правил Кирхгофа (соотношение между токами и напряжениями на участках электрической цепи). Следовательно, связанные системы частиц и цепи удовлетворяют уравнениям Ланжевена-Ито (описывает броуновское движение):



где U(x) = x⁴ 2x² это двухъямный потенциал;
C₀V²/2d это постоянное напряжение из-за растяжения графена;
R = R + R_E это полное сопротивление;
1/R_E = 2I₀/u_D sinh u_D/T_e это эквивалентное сопротивление диодов;
uD падение напряжения на диодах, T_e = T/e;
/q(T/R) это коррекция дрейфа, вызванного шумом;
v и q это независимый и одинаково распределенный белый шум с дельта-корреляциями _i(t)_j(t) = _ij(t t) i,j = v, p.

Уравнение цепи имеет шум Найквиста (тепловой шум*) при температуре T, которая установлена на том же уровне, что и пульсация графена.

Тепловой шум* равновесный шум, вызванный тепловым движением носителей заряда в проводнике, в результате чего на концах проводника возникает флуктуирующая разность потенциалов.

Член /q(T/R) гарантирует детальное равновесие* и факт того, что вся система достигает теплового равновесия при температуре T.

Принцип детального равновесия* заключается в равенстве вероятностей прямого (n m) и обратного (m n) переходов между дискретными состояниями системы m и n.

Чтобы убедиться в правдивости данного утверждения, необходимо было сформулировать уравнение для плотности вероятности электронов со скоростями переходов, подчиняющимися детальному равновесию. Вероятность перехода была представлена как T(i_D1 + i_D2)/(e²u_D) = T/(e²R), что согласуется с правилом Кирхгофа для токов.

Гамильтониан системы (3а) был равен:



А равновесная плотность вероятности равна e-H/T/Z, где Z константа нормализации.

С точки зрения графеновой ряби, представленной частицей в формуле 1 цепь представляет собой внешнюю систему, которая воздействует на рябь. В таком случае тепло, создаваемое силами трения и шума, будет равно:


где q = q(t) внешний параметр, а dQ > 0, если частица поглощает тепло.

Используя равновесную плотность вероятности для вычисления среднего и интегрирования по частям, средняя мощность, поглощаемая частицей, оказывается равной нулю. Падение напряжения такое же, как падение на эквивалентном резисторе R. Усредненная по времени мощность, рассеиваемая на резисторе, равна усредненной по времени мощности, поставляемой тепловым резервуаром.

Таким образом, с точки зрения резистора, движение графеновой ряби создает постоянный источник средней тепловой мощности (3b).

Данные выводы были подтверждены посредством численного моделирования уравнения 1, в котором использовались T = 0.5; = 1; d = 10; I₀ = 0.0002 и T_e = 0.1. Чтобы учесть изменение формы графена, было включено падение C0 с 5 до 1 при увеличении V от 1 до 10. Положение частицы x и заряд на конденсаторе q колеблются со временем (3с и 3d).

Отдельно были определены два члена средней мощности для полупериода q > 0, в котором ток через диод 2 проходит против часовой стрелки. Даже в полупериоде два члена равны. На 3е показана средняя мощность (генерируемая и рассеиваемая) и прогноз Найквиста.


Демонстрация принципа работы разработанной цепи.

Было обнаружено, что мощность увеличивается с увеличением напряжения смещения, что наблюдалось и в ходе экспериментов. Данные по сопротивлению и мощности из экспериментов (изображение 2) позволили оценить электрическую емкость точки контакта иглы микроскопа и графена, которая равна 1 фФ (фемтофарад).

Ученые отмечают, что точная формула тепловой мощности отличается от варианта Найквиста: мощность включает в себя вклады от броуновского движения ряби графена, а не только от электронов. В результате двухъямный потенциал вводит новую шкалу времени скорость пересечения барьера. Это приводит к возникновению колебаний очень низкой частоты. Для иллюстрации этого на 3f показана средняя спектральная плотность мощности, рассеиваемая в резисторе, построенная с использованием двух разных времен релаксации скорости 1 и 10. Общая рассеиваемая мощность такая же, а уменьшение скорости пересечения барьера перераспределяет мощность на более низкие частоты.

Для более детального рассмотрения результатов исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые провели исследование термического воздействия в отдельно стоящих графеновых мембранах с помощью точечной сканирующей туннельной микроскопии. Пульсация графена, наблюдаемая рядом с иглой микроскопа, была смоделирована как броуновская частица в двухъямном потенциале. Когда графен движется, заряд должен проходить по цепи и выполнять электрические работы.

Данная модель показывает, что непрерывная тепловая энергия может генерироваться броуновской частицей при одной температуре, находясь в термодинамическом равновесии, при условии, что такое же количество энергии постоянно рассеивается в резисторе. В таком случае подключение к цепи позволяет выполнять электрические работы на нагрузочном резисторе без нарушения второго закона термодинамики.

В условиях созданной системы графен и электрическая цепь поддерживают работу друг друга. Несмотря на то, что тепловая среда выполняет работу с нагрузочным резистором, температура графена и цепи остается одинаковой, а тепло между ними не протекает. Таким образом нет противоречий по отношению к второму закону термодинамики.

Важно и то, что относительно медленное движение графена индуцирует ток в цепи на низких частотах. Эта находка может стать очень полезной в будущем, поскольку электроника работает более эффективно именно на низких частотах.

В будущем ученые намерены продолжить свое исследование. Они хотят выяснить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования. Для реализации этой задумки необходимо провести миниатюризацию схемы и нанесение ее на кремниевую пластину или микросхему. По словам ученых, если успешно построить кластер из миллиона таких схем размером 1х1 мм, то он смог бы заменить маломощные батарейки.

Возможно, подобные планы звучат не особо грандиозно, но любые исследования, любые свершения, изменившие мир, начинались с малого. Для достижения конечного результата нужно лишь упорство, время и терпение.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Помнится, в далеком детстве мне подарили микроскоп Натуралист игрушечный, но таки дающий фиксированное увеличение аж в шестьдесят раз. Состоял он из одной трубки, закрепляемой на пластмассовом футляре, одновременно играющим роль основания. Сколько интересных вещей тогда было пересмотрено через окуляр, подсвеченный тусклым зеркальцем от листьев водорослей до целого таракана



Рис. 1. Детский микроскоп Натуралист (за неимением лучшего фото с торговой площадки)

С тех пор прошло более тридцати лет, но о детском увлечении я не забыл. И вот однажды под влиянием приступа ностальгии я решил купить себе такую же игрушку, только чуть посовременнее. Но первый же взгляд на соответствующий раздел Интернет-площадки показал: чего-то я в этой жизни не понимаю. От обилия самый разных устройств, описываемых одним и тем же словом микроскоп, просто рябило в глазах. И вот вместо пары быстрых щелчков мышкой пришлось плотно сесть и разобраться хотя бы в самых азах современной микроскопии. Результаты ниже.

Предупреждение: обзор не претендует на исчерпывающее описание и рассчитан на энтузиастов-любителей, интересующихся предметом для себя или для детей. Статья не содержит никакой теории, связанной с оптикой, ее в избытке хватает в других материалах.

Типы микроскопов

Существует довольно много самых разных задач, в которых необходимо детально рассмотреть мельчайшие детали объектов от драгоценных камней и монет до внутренностей живой клетки. От того, что и как нам нужно увидеть, сильно зависят и применяемые методы. Оставим сейчас за кадром самые мелкие объекты типа вирусов или молекулярной структуры вещества и сосредоточимся на более крупных предметах размерами от бактерии и выше. Оптические устройства, применяемые для таких задач, делятся на два больших класса: биологические (компаундные) и стереомикроскопы.

Подробно останавливаться на стереомикроскопах не станем. Замечу только, что, вопреки подсознательным ожиданиям от названия, данный класс устройств предназначен не для создания стереокартинок. Стереомикроскопы используются для обследования сравнительно крупных непрозрачных предметов в отраженном свете: микросхем, камней, насекомых и т.п. Они отличаются сравнительно небольшим оптическим увеличением (40-60-80х, хотя наиболее продвинутые могут иметь даже 200х) и часто снабжены встроенными мониторами либо цифровыми интерфейсами. Источник света находится над образцом. Размеры от карманных устройств до солидных стационарных установок.

Некоторые стереомикроскопы для промышленных целей даже лишены оптического окуляра и предназначены исключительно для подключения к компьютеру/смартфону через USB/WiFi (цифровые микроскопы). Такие микроскопы сравнительно дешевы. Если надо как следует рассмотреть таракана, бриллиант или распайку элементов на плате, этот тип устройств для вас. Только помните, что супер-увеличения типа 1600х, которые часто можно встретить в описаниях даже самых дешевых устройств, относятся к цифровому увеличению и даже близко не отражают реальное оптическое. Каково оно? А кто его знает, производители до таких деталей не снисходят.


Рис. 2. Aomekie stereo microscope с увеличением 20х/40х (фото производителя)

Биологические микроскопы

Основной класс устройств, на котором мы сконцентрируемся то, что называется биологическим микроскопом, в английской терминологии компаундным (составным, от compound). Он предназначен для рассматривания тонких прозрачных образцов (срезы тканей, бактерии, микроорганизмы и т.п.) в проходящем свете. Образец подготавливается на предметном стекле, умещаемом на рабочей платформе, источник света внизу, под образцом.

Следует понимать, что под биологический микроскоп того же таракана засунуть сложно: для мощной оптики, где расстояние между линзой и препаратом составляет буквально десятую долю миллиметра, препарат должен быть очень тонким, плоским и прозрачным, специально подготовленным и, возможно, окрашенным. Обычно это капля или тонкая пленка, размещенная между предметным и покровным стеклом. Под маломощный объектив таракан влезет (фокусное расстояние у них от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). Однако следует озаботиться хорошим внешним источником света и не стоит рассчитывать на высокую глубину резкости: в каждый момент времени вы сможете отчетливо видеть только определенный слой изображения.

Типовой биологический микроскоп состоит из трех частей: механическая платформа (база, предметный столик, устройства наведения и фокусировки), подсветка и оптическая система.


Рис. 3. Микроскоп Celestron (фото производителя)

Механическая платформа

Механическая часть состоит из основания, на которой монтируются все прочие компоненты, и предметного столика, на котором умещается образец. Очень важной частью механики является система, отвечающая за перемещение предметного столика в трех измерениях именно так образец подводится в точку фокуса неподвижного объектива. Существуют модели, в которых перемещается объектив, но это редкая экзотика. В устройствах начального уровня механика самая примитивная. Подстройка по высоте (фокусировка) есть только грубая (coarse), перемещение образца в плоскости пальцами.

В более сложных моделях в дополнение к грубой фокусировке появляется тонкая (fine), а также зажим, перемещающий предметное стекло в горизонтальной плоскости (его подвижная сторона имеет характерный вид полумесяца, ее хорошо видно на изображениях устройств). В наиболее простых микроскопах вертикальное перемещение регулируется разными винтами/рукоятками, в более продвинутых они совмещены на одной оси. В микроскопах без тонкой фокусировки есть реальная опасность раздавить как предметное стекло, так и линзу объектива из-за неловкого движения руки.

Материал корпуса пластик либо металл. Пластик легче, но и хрупче. Обычно он применяется в мобильных моделях, предназначенных для детей либо полевых лабораторий там, где важно минимизировать вес. Для стационарных микроскопов используется металл: он не только прочнее, но и менее подвержен вибрациям, которые на высоких увеличениях становятся критичными. Вес металлического микроскопа 3-4 килограмма.

Исторически база микроскопа состояла из неподвижного основания и подвижного кронштейна, позволяющего менять ориентацию микроскопа относительно вертикали. Это было необходимо не только для комфорта работы, но и для получения качественной подсветки. Однако современные микроскопы имеют монолитное основание с фиксированным углом наклона глазных тубусов, что не всегда удобно. Учтите, что от этого угла прямо зависит комфорт вашей шеи во время работы, так что подбирайте устройство с углом, подходящим именно вам.


Рис. 4. AmScope M500 с простейшим предметным столиком без перемещения в плоскости (фото производителя)

Электрические компоненты

Мало подвести образец в точку фокуса, его надо еще и правильно подсветить. Плохая подсветка приведет к слишком темному или, наоборот, пересвеченному неразборчивому изображению, а также к неоднородному освещению поля.

Исторически для подсветки использовалось вогнутое зеркало, расположенное под отверстием в столике. Однако с его помощью сложно добиться качественного равномерного освещения поля зрения, что критично на высоких увеличениях. Также оно накладывает очень серьезные ограничения по размещению микроскопа относительно источника света, а также на сам источник. Такое зеркало сегодня осталось только в самых примитивных устройствах, обычно в полевых либо детских микроскопах, как в показанном в начале статьи Натуралисте. Иногда, впрочем, оно может поставляться как дополнительная опция, замещающая основной источник света.

Сегодня для подсветки используются разные виды встроенных в основание ламп. До относительно недавнего времени применялись лампы галогенные или накаливания, но они имели свои проблемы. В первую очередь из-за того, что свет генерировался тонкой нитью, а проецировать его приходилось на круглое поле, что, опять же, создает проблемы с равномерностью. Однако в современных условиях индустрия широко использует LED-источники света, что проблему сняло.

Запитывается подсветка либо от батареек (такие микроскопы особенно хороши для детей, поскольку их можно повсюду таскать с собой), либо проводом от розетки. Если заказываете проводное устройство за рубежом, помните о переходниках для вилки.

Регулировка подсветки выполняется как интенсивностью лампы, так и световым конденсором под рабочим столиком, имеющим диафрагму и линзу для фокусировки света на образце. В недорогих моделях наиболее распространен конденсор Аббе (Abbe condenser) или его модификации, это название можно часто увидеть в описании микроскопа. Для любительских занятий обычно применяется подсветка вида светлое поле (в смысле, прозрачные объекты рассматриваются на ярком белом фоне), хотя есть и другие типы: темное поле, дающее инвертированное изображение, флуоресцентная подсветка и т.п. Конденсор может быть сменным, позволяя получать в одном и том же микроскопе разные типы подсветки.

Попадаются также модели с дополнительной верхней подсветкой, как на картинке ниже (этакий гибрид биологического и стереомикроскопа), но обычно это удел любительских устройств и малых увеличений: мощные объективы, практически втыкающиеся в покровное стекло, попросту заслоняют верхний свет. На практике уже сорокакратный объектив даже при хорошей внешней подсветке почти ничего не видит, а стократный показывает полный мрак.

Обратите, кстати, внимание: микроскоп на картинке не обладает полноценным конденсором, вместо него только источник света и диафрагма. На столике присутствуют только самые примитивные зажимы-клипсы для предметного стекла, перемещение препарата в плоскости пальцами.


Рис. 5. Любительский микроскоп Swift SW150 входного уровня с дополнительной верхней подсветкой (фото производителя)

Оптическая система объективы

Оптическая система состоит из объективов (смотрят непосредственно на образец) и окуляров (eyepiece, прилегают к глазу).

Объективы, непосредственно рассматривающие образец, монтируются на револьверном диске для быстрой их смены. По нынешним временам они имеют четыре типовых диапазона увеличения: 4-5х (сканирующий объектив, обычно служит для грубой наводки на цель), 10-15х (маломощные линзы), 40-60х (высокомощные) и 90-100х и выше (сверхмощные). Объективы с увеличением выше 100х встречается редко и уж точно не в любительских микроскопах.

Первые три типа (сухие) обычно стандартны для всех моделей, даже для детских. Последний тип объективов встречается в более продвинутых моделях и для получения качественного изображения требует специальной техники использования иммерсионной. Суть в том, что коэффициенты преломления воздуха и стекла разные для разных длин волн (именно на этом основано разложение белого цвета в спектр). Если между образцом и объективом есть воздух, на стократном увеличении проявляется сильная хроматическая аберрация, снижающая резкость вплоть до полной неразборчивости.

Поэтому для сильных (девяностократных и выше) объективов обычно используется техника погружения (иммерсии) передней линзы объектива в специальное масло, имеющее тот же коэффициент преломления, что и стекло. На покровное стекло наносят каплю масла, в которое непосредственно опускается объектив. После исследования масло с линзы смывается. Такие объективы обычно помечаются словом oil. Могут они использоваться и насухо, но добиться высокой резкости в этом случае невозможно. Масло входит в начальный комплект микроскопа с такими объективами, а также может быть куплено отдельно (из натуральных масел идеально подходит кедровое). Масляную иммерсию нельзя использовать с менее мощными объективами, для которых она не упомянута явно.

Что интересно, еще в середине прошлого века иммерсионными были даже объективы 50х, но с тех пор техника заметно продвинулась вперед. Исторически первой иммерсионной жидкостью являлась обычная вода (техника изобретена еще в начале 19 в.), подходящее масло впервые подобрали ближе к концу того же столетия.

Также стократные объективы могут напрямую упираться в покровное стекло препарата. Защита фронтальной линзы обычно выполняется с помощью специальной пружинящей оправы (слово spring в описании объектива). Несколько раз в описаниях также попадалось слово feather вместо spring, хотя найти определение мне так и не удалось. Для любительских исследований такие объективы избыточны как с точки зрения дополнительной немалой цены, так и с точки зрения затрачиваемых усилий. Особой дополнительной ценности в домашних условиях они не представляют.


Рис. 6. Набор ахроматических объективов фирмы OMAX с типичными мощностями 4х, 10х, 40х и 100х (фото производителя). На стократном объективе хорошо видна пружинящая оправа

Оптическая система окуляры

Сменные окуляры вставляются в тубусы в верхней части микроскопа и имеют свое собственное фиксированное увеличение, например 10х, 16х, 25х. Чем выше увеличение, тем короче окуляр. Очкарикам типа меня надо держать в уме, что, в отличие от фотоаппарата, работа с окуляром микроскопа в очках крайне затруднена: окуляр должен практически прижиматься к глазу. Вынос зрачка (eye relief) у обычных окуляров составляет 7-13 мм, с очками нужны специальные окуляры с высоким выносом (15-20 мм). Однако это особой проблемы не составляет. В любом случае резкость в микроскопе подстраивается под глаз индивидуально. Даже с самой высокой близорукостью в микроскопе можно видеть резкое изображение. Неудобство только в том, что очки все время приходится снимать и надевать.

Окуляры могут быть широкофокусными (помечаются буквами WF, wide focus). Такой окуляр имеет большую ширину поля зрения, что заметно облегчает работу с широкими препаратами.
Также следует упомянуть линзу Барлоу (Barlow lens). Это дополнительная трехслойная линза, помещаемая в тубус оптического прибора перед окуляром и дающая небольшое дополнительное увеличение. Как правило, в комплекте поставки микроскопа можно встретить линзы Барлоу 2х. Это банальный маркетинговый трюк. Дешевые ахроматические стеклянные (или даже, упаси боже, пластиковые) линзы заметно ухудшают качество изображения, а потому при мощном увеличении бессмысленны. При низких же и средних сочетания объектива и окуляра вполне достаточно.

По количеству окуляров микроскопы делятся на классические монокулярные (один окуляр), бинокулярные (два окуляра, чтобы смотреть обеими глазами) и тринокулярные (третий тубус/порт обычно монтируется вертикально и служит для подсоединения фото- или видеокамеры).

Наиболее прост в использовании монокуляр. К нему очень легко привыкнуть, а проблему он создает единственную сильную нагрузку на один глаз при расслабленном другом. При долгом использовании это может кончиться неприятными последствиями для зрения.

Бинокулярные микроскопы используются для обоих глаз сразу и создают стереоизображение. Они позволяют регулировать расстояние между окулярами для подгонки под свои зрачки. Также один из тубусов бинокуляра содержит регулировку, позволяющую компенсировать разницу в диоптриях между глазами. Следует держать в уме, однако, что создание цельного изображения при использовании бинокуляра гораздо сложнее, чем с монокуляром, к нему следует привыкать. Кроме того, регулировка имеет свои ограничения по расстоянию между зрачками, так что подстройка под ребенка может оказаться невозможна. Детский микроскоп следует брать монокулярный, да и для эпизодических любительских упражнений бинокуляр особо не пригодится.

Тринокулярные устройства выглядят эффектно и удобно, если речь идет о трансляции изображения наружу одновременно с работой. Однако следует учитывать, что не всегда все три порта могут использоваться одновременно. Встречаются решения, в которых, например, приходится выбирать между одним из глазных тубусов и третьим портом.


Рис. 7. Тринокуляр Omax M837ZL с вертикальным портом для камеры (фото производителя)

Оптическая система заключение

Суммарная мощность биологического микроскопа вычисляется как произведение увеличений окуляра и объектива. Например, с объективом 40х и окуляром 10х общее увеличение составит 400х. Однако следует учитывать, что для стандартных ахроматических линз добиться четкого изображения на сверхмощном увеличении из-за законов оптики практически невозможно. Начиная с определенного момента, линзы будут только увеличивать уже видимые детали, но не добавлять новые. Максимальное эффективное оптическое увеличение составляет примерно 1500х, а то и меньше, в домашних условиях 1000х практический потолок. Для более высоких разрешений применяются дорогие апохроматические линзы либо электронные микроскопы, что уже совсем другая песня.

Вообще 1000х много это или мало? Размер золотистого стафилококка около 1 мкм (1/1000 мм), амебы 200-600 мкм, одноклеточной водоросли около 40 мкм. Тысячекратного увеличения вполне хватит, чтобы разглядеть все это с подробностями. Так что не обращайте особого внимания на маркетинговые цифры максимального увеличения 2500-3000х, получаемого тупым перемножением максимальных мощностей объективов и окуляров. Установить вы его установите, только в результате получится как в песне Сиреневый туман под линзой проплывает

При работе с препаратами также важна правильная установка диафрагмы конденсора. Узкая диафрагма повышает контрастность и резкость, но затемняет изображение. Широкая диафрагма пропускает больше света, но может сделать изображение пересвеченным и малоконтрастным, скрывая детали и даже целые объекты. Подбор диафрагмы для каждого препарата выполняется индивидуально.

На картинке ниже обратите внимание на вращающуюся головку микроскопа, позволяющую ориентировать окуляры в нужном направлении. Такая конструкция удобна при работе нескольких человек. Однако подстраивать резкость под свои глаза каждому все равно придется индивидуально.


Рис 8. Бинокулярный микроскоп Motic BA80 (фото производителя). Под столиком в центре хорошо виден конденсор, на столике месяцевидный зажим для предметного стекла

Оптическая система сопряжение микроскопа с компьютером

Подключение микроскопа к внешним устройствам, таким как монитор или компьютер, выполняется за счет установки специальной видеокамеры *вместо* окуляра или в выделенный порт тринокуляра. Следует держать в уме, что в этом случае теряется увеличение, даваемое окуляром, остается только увеличение объектива и нерегулируемых линз камеры. В параметрах камер обычно указывается только емкость ее матрицы (3, 5, 10 и более мегапикселей), оптическое увеличение остается тайной за семью печатями. Кроме того, поле зрения камеры существенно уже, чем у человеческого глаза.

Сама по себе камера может не распознаваться стандартными средствами Windows и приложений (и не надо без микроскопа она полностью слепа), так что производители прилагают к ней специализированный софт. Он позволяет как делать фотографии, так и записывать видео. На рынке есть разные виды камер от стареньких с разрешением 640х480 до современных с разрешением аж до 20 мегапикселей. Отличаются они также интерфейсами, что влияет на возможности записи видео в первую очередь (получение видеопотока с высоким FPS и разрешением через USB 2.0 будет затруднительно). Также камеры могут подключаться напрямую к монитору или иному устройству через HDMI, иметь WiFi-интерфейс и т.п.

Многие производители предлагают для своих микроскопов также и камеры, но никто не мешает купить камеру от другого вендора. Следует только учитывать, что диаметр тубуса у разных микроскопов может отличаться, так что следует удостовериться, что данная камера подходит для данного тубуса. Ну, или использовать переходники, которые тоже продаются. Стандартный диаметр для окуляра биологического микроскопа 23,2 мм, стереомикроскопа 30 и 30,5 мм.

Существуют также относительно дешевые насадки, позволяющие перенаправлять оптический поток из окуляра в объектив камеры смартфона. Плюс такого устройства сохранение оригинального увеличения, поскольку монтируются они поверх окуляра. Минус возможности получения и сохранения изображения ограничиваются невеликими возможностями смартфона. Ну, и поле зрения у такой камеры все равно уже, чем у глаза.


Рис. 9. Цифровая камера для микроскопа Puls Life Science DCM-310 (фото производителя)

Цены и производители

Цены на биомикроскопы можно найти самые разные. Те, что позиционируются для детей, попадаются и за 30-40 евро, однако следует помнить о возможных ограничениях типа фиксированного окуляра 10х, не поддерживающего установку камеры, отсутствия конденсора, а то и вообще подсветки, примитивном предметном столике и т.п. В Европе можно купить монокулярные микроскопы с тремя объективами, рассчитанные на энтузиастов и студентов, их ценовая категория от 100 евро. Камера для микроскопа от 50 евро (и далее в космос: двадцатимегапиксельная может стоит и семь сотен). Более профессиональные микроскопы би- и тринокуляры со стократными объективами стоят от 250 евро. Наконец, многие вендоры предлагают комплекты, специально рассчитанные на детей, студентов и энтузиастов. В них могут входить монокуляр входного уровня, простенькая видеокамера, базовый набор инструментов и предметных стекол и т.п. Цены на такие комплекты начинаются от полутора сотен евро.

К покупке следует обязательно добавить минимум один набор из предметных и покровных стекол (от 8-10 евро учтите, это расходный материал), а также, по желанию, набор заранее подготовленных препаратов (крылья, ноги, хвосты, листики и подобные нехитрые препараты для вхождения в тему). Ну, а дальше скальпели, пинцеты, микротомы, чашки Петри, пробирки, препараторские иглы и так далее, и тому подобное в зависимости от ваших увлечений. Также обязательно купите изопропиловый спирт (чем выше концентрация, тем лучше), кисточки, продувки, салфетки из микрофибры и т.п. оптика имеет свойство пачкаться и пылиться, а даже отдельные пылинки на линзах микроскопа отобьются пятнами на изображении.

Учитывайте также, что цены на одни и те же товары на американском, английском и немецком Амазонах, не говоря уже про eBay, могут очень существенно различаться, так что после выбора модели стоит порыться на разных площадках в поисках цены пониже. Также можно искать микроскопы на Алиэкспрессе. Однако хотя там цены заметно ниже, чем в Европе, цена на доставку оказывается сопоставима с ценой самого микроскопа, что полностью лишает затею смысла.

Какой бренд выбрать? Поскольку оптика для микроскопов критично важна, на этом рынке отметились крупные мировые производители, связанные с оптикой Олимпус, Цейс, Лейка, Никон и так далее. Однако цены на их устройства даже входного уровня, мягко говоря, не радуют, да и в розницу они могут просто не работать. Так что любителю стоит приглядеться к более демократичным вендорам, таким как Swift, Bresser, Omax или AmScope. Также можно приобрести отдельные объективы и окуляры, в том числе китайского производства (есть неплохие, судя по отзывам), но в этом случае нужно удостовериться что они совместимы с микроскопом. Европейский стандарт, определяющий резьбу и прочие механические и оптические параметры, называется DIN.

Немного практики. Игрушка в реальности

После месяца мучительных раздумий, в которых детское хочу! отчаянно боролось с взрослой скупостью и рационализмом, я остановился на бинокуляре Swift 350B. Почему? Ничего особенного: микроскопы Swift при умеренных ценах имеют качество, подходящее даже для лабораторных условий. Плюс на осенней распродаже на английском Амазоне эта модель продавалась всего за 160 фунтов. Чтобы два раза не вставать, вторым компонентом покупки стала трехмегапиксельная камера Swift стоимостью 80 фунтов.

Выглядит комплект поставки микроскопа примерно так:



Четыре объектива (4х, 10х, 40х и 100х) уже установлены в револьверное кольцо, наборы окуляров (10х и 25х) вложены отдельно. Обратите внимание на пустую вертикальную выемку над головкой и два пустых гнезда упаковка универсальна и рассчитана в том числе на тринокуляры. Шнур/гнездо питания C13/C14, блок питания встроен в основание. В комплект входит простенький пластиковый чехол а-ля мешок мусорный обыкновенный.

В сборе и с подключением к ПК выглядит так (на мониторе транслируемое с микроскопа изображение пчелиной ноги):



Теперь посмотрим, как выглядят образцы с разным увеличением при трансляции с камеры. Начнем с препарата листа флокса (поперечный срез) из продаваемого набора образцов. Использованы объективы 4х, 10х, 40х и 100х (без масла).


(4х)


(10х)


(40х)


(100х)

Как видно, без иммерсии стократный объектив ничего внятного не показывает. Сорокакратный показывает, но из-за малой глубины резкости приходится выбирать, какой слой препарата рассматривать. Поскольку вместо окуляра использована оптика камеры, финальное оптическое увеличение я определить затрудняюсь. Для сравнения: на снимке ниже то, что видит камера сотового телефона через окуляр 25х и объектив 4х (итоговое увеличение 100х). Снималось с рук, поскольку держатель для телефона я не купил, отсюда обрезанность по бокам.



Можно предположить, что камера дает увеличение 20-25х, но какова его часть оптическая, а какова цифровая, определить сложно.

Второй препарат сделанный самостоятельно. Просто капля воды из кухонной раковины под покровным стеклом без какой-либо подготовки. Объективы те же: 4х, 10х, 40х.


(4х)


(10х)


(40х)

Обратите внимание на радужную кайму по границе капли (дугообразная черная линия на втором и третьем снимках). Если на 4х аберраций не видно никаких, то на 10х уже появляется слабое искажение цветов на границах объектов. На 40х радуга становится настолько заметной, что отчетливо видна даже на снимке камеры и заметно ухудшает резкость. Именно для ликвидации такого эффекта стократные объективы погружают в масло.

Для сравнения: что видит камера смартфона через окуляр при с комбинацией 4х * 25х:



Напоследок пара слов о стеклах. Препарат, помимо наблюдаемого объекта, состоит из толстого предметного стекла и тонкого покровного. Предметное стекло кладется на столик, покровное обращено к окуляру. Следует быть чрезвычайно осторожным при работе с покровными стеклами: при толщине 0,13-0,17 мм они имеют весьма острые грани, несмотря даже на специальную их обработку. При неаккуратном обращении они могут запросто распластать вам палец, а то и сломаться в ране. Ни в коем случае не позволяйте работать с ними малым детям, да и подростков тоже следует проконтролировать на начальном этапе.

По окончании работы с препаратом следует либо как следует очистить и обезжирить стекла. Остатки жира и масла приведут к тому, что капля будет не растекаться по стеклу, а разбиваться на еще более мелкие капли, затрудняя рассмотрение. В лабораториях применяются разные методы обезжиривания, но они небезопасны и требуют специальных химикатов, зачастую ядовитых, и оборудования типа вытяжек. В домашних условиях наиболее простой способ изопропиловый спирт либо получасовое кипячение на медленном огне в растворе 2-5% растворе пищевой соды (примерно чайная ложна на 100 мл). Грязное покровное стекло, скорее, проще выбросить оно слишком хрупкое и легко ломается. Да и за предметные стекла тоже особо держаться не стоит это дешевый расходный материал. Иммерсионные объективы от масла чистятся так же, как и любая другая оптика: изопропиловым спиртом на микрофибре.

На этом введение в основы оптической микроскопии закончены. Успехов в самостоятельном плавании.