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현미경

Microscope
이 기사는 일반적으로 현미경, 기구에 관한 것이다.광현미경은 광학현미경을 참조해 주세요.기타 용도는 현미경(동음이의)을 참조하십시오.
현미경
Scientists are working in the lab.9.jpg
태국 Wiki Science Competition 2017에 사용된 광학 현미경
사용하다소표본 관측치
주목할 만한 실험셀의 검출
관련 항목광학 현미경 전자 현미경

현미경(고대 그리스어 μμμμμμμμοs(mikros)의 '작은'과 '스코페오(skopéo)'의 '보는 것; 검사, 검사')는 육안으로 볼 수 없을 정도로 작은 물체를 검사하는 데 사용되는 실험실 기구이다.현미경은 현미경을 사용하여 작은 물체와 구조를 조사하는 과학이다.현미경은 현미경의 도움을 받지 않는 한 눈에 보이지 않는 것을 의미한다.

현미경에는 많은 종류가 있으며, 그것들은 다른 방식으로 분류될 수 있다.한 가지 방법은 기기가 샘플과 상호작용하여 이미지를 생성하기 위해 사용하는 방법을 기술하는 것으로, 광학 경로의 샘플을 통해 빔 또는 전자를 보내거나, 샘플로부터의 광자 방출을 검출하거나, 프로브를 사용하여 샘플의 표면으로부터 약간의 거리를 주사하는 것이다.가장 일반적인 현미경은 광학 현미경으로, 관찰 가능한 이미지를 만들기 위해 얇게 분할된 샘플을 통과한 가시광선을 굴절시키기 위해 렌즈를 사용합니다.다른 주요 유형의 현미경은 형광 현미경, 전자 현미경(투과 전자 현미경과 주사 전자 현미경 둘 다), 그리고 다양한 유형의 주사 프로브 [1]현미경입니다.

역사

상세 정보:현미경 기술과 광학 현미경 연대표 » 역사
파리 미술관의 18세기 현미경

비록 개체 다시 4,000년이 물의 광학적 성질(BC5세기)광학에 대한, 간단한 현미경의 가장 오래된 것으로 알려진 사용(돋보기)로 거슬러 갈 렌즈의 안경에서 13세기에 널리 이용하는 것의 수세기가 그리스의 계정은 렌즈 날짜이다.[2][3][4]실제 이미지를 보기 위해 표본 근처의 대물렌즈와 접안렌즈를 결합한 복합현미경의 가장 오래된 예는 [5]1620년경 유럽에 나타났다.비록 여러 해 동안 많은 주장이 제기되었지만, 발명가는 알려지지 않았다.네덜란드의 주장들이 1590년에 차 하리 아스 장센(주장 그의 아들에 의해 만들어진)또는 차 하리 아스의 아버지인 한스 마르텐스 또는 both,[6][7] 요구들이 이웃과 경쟁 안경 제조 업체인 한스 직경 약 6km.(누가 최초의 망원경 특허를 1608년에 적용된)[8]에 의해 발명되었다에 의해 발명되었다 등 spectacle-making 센터, 주변 여러 순환한다. 그리고 clai그것은 [9][10]1619년 런던에 버전이 있는 것으로 알려진 국외 거주자 Cornelis Drebbel에 의해 발명되었다.갈릴레오 갈릴레이(때로는 복합 현미경 발명가로도 언급됨)는 1610년 이후 망원경을 닫아 작은 물체를 볼 수 있다는 것을 발견했고, 1624년 드레벨이 로마에서 전시한 복합 현미경을 본 후, 자신만의 개선된 버전을 [11][12][13]만든 것으로 보인다.지오반니 파버는 1625년[14] 갈릴레오가 아카데미아 데이 린시에게 제출한 복합 현미경을 위해 현미경이라는 이름을 만들었다.

현대 광현미경의 등장

칼 차이스 쌍안경 복합 현미경, 1914년

현미경의 사용에 기초한 유기 조직의 현미경 해부학에 대한 최초의 자세한 설명은 1644년까지 Giambattista Odierna의 L'occhio della mosca, 또는 The Fly's [15]Eye에서 나타나지 않았다.

이탈리아, 네덜란드, 영국의 박물학자들이 생물학을 공부하기 위해 현미경을 사용하기 시작한 1660년대와 1670년대까지 현미경은 여전히 신기한 것이었다.몇몇 생물학 역사가들에 의해 조직학의 아버지로 불리는 이탈리아 과학자 마르첼로 말피기는 폐로 생물학적 구조를 분석하기 시작했다.1665년 로버트 훅의 마이크로그래피아의 출판은 인상적인 삽화 때문에 큰 영향을 미쳤다.간단한 단렌즈 현미경으로 최대 300배의 배율을 달성한 Antonie van Leeuwenhoek의 공헌이 컸다.그는 아주 작은 유리 볼 렌즈를 리벳으로 고정시킨 두 개의 금속판의 구멍 사이에 끼우고,[16] 시료를 장착하기 위해 나사 바늘로 조절 가능한 바늘을 부착했습니다.그리고 나서, Van Leeuwenhoek는 적혈구와 정자를 다시 발견했고, 생물학적 초미세 구조를 보기 위해 현미경을 사용하는 것을 대중화하는데 도움을 주었다.1676년 10월 9일, 반 리우웬훅은 미생물의 [15]발견을 보고했다.

광현미경의 성능은 빛을 시료에 집중시키는 콘덴서 렌즈 시스템의 품질과 올바른 사용에 따라 달라지며, 대물렌즈는 시료에서 빛을 포착하여 이미지를 [5]형성합니다.초기 기구는 이 원리가 완전히 인식되고 19세기 후반부터 20세기 초반까지 발전하기 전까지 그리고 전등이 광원으로 사용될 때까지 제한되었다.1893년 8월 쾰러는 샘플 조명의 핵심 원리인 쾰러 조명을 개발했는데, 이는 광학 현미경의 이론적 분해능 한계를 달성하는 데 핵심적인 역할을 했다.이 샘플 조명 방법은 균일한 조명을 생성하며 초기 샘플 조명 기법에 의해 부과된 제한된 대비와 분해능을 극복합니다.샘플 조명의 추가적인 발전은 1953년 Frits Zernike에 의한 위상 대비 발견과 1955년 Georges Nomarski에 의한 차등 간섭 대비 조명 발견으로 이루어졌다. 두 가지 모두 확인되지 않은 투명한 샘플의 이미징을 가능하게 한다.

전자 현미경

참고 항목: 전자 현미경
1933년 에른스트 루스카가 만든 전자 현미경

20세기 초에, 이미지를 생성하기 위해 빛이 아닌 전자 빔을 사용하는 기구인 광현미경에 대한 중요한 대안이 개발되었다.독일 물리학자 에른스트 루스카는 전기 엔지니어 맥스 놀과 함께 1931년 최초의 전자 현미경인 투과 전자 현미경을 개발했다.투과전자현미경은 광학현미경과 비슷한 원리로 작동하지만 빛 대신 전자석을 사용하고 유리렌즈 대신 전자석을 사용한다.빛 대신 전자를 사용하면 훨씬 더 높은 분해능을 얻을 수 있습니다.

투과전자현미경의 개발은 1935년 맥스 [17]놀에 의해 주사전자현미경의 개발로 빠르게 이어졌다.TEM은 제2차 세계대전 이전부터 연구에 사용되었고, 이후 인기를 끌었지만, SEM은 1965년까지 상업적으로 이용되지 않았다.

투과 전자 현미경은 제2차 세계대전 이후 대중화 되었다.Siemens에서 일하는 Ernst Ruska는 최초의 상업용 투과 전자 현미경을 개발하였고, 1950년대에 전자 현미경에 관한 주요 과학 컨퍼런스가 개최되기 시작했습니다.1965년 찰스 오틀리 교수와 그의 대학원생 게리 스튜어트에 의해 최초의 상업용 주사 전자 현미경이 개발되었고 캠브리지 Instrument Company에 의해 "Steoroscan"으로 판매되었습니다.

전자 현미경을 사용하는 것에 대해 최근에 발견된 것 중 하나는 [18]바이러스를 식별하는 능력이다.이 현미경은 작은 세포들의 가시적이고 선명한 이미지를 만들기 때문에, 전자 현미경에서는 바이러스나 해로운 세포를 시약이 볼 필요가 없기 때문에, 병원균을 더 효율적으로 검출할 수 있습니다.

스캔 프로브 현미경

참고 항목: 스캔 프로브 현미경

1981년부터 1983년까지 Gerd Binnig와 Heinrich Rohrer는 양자 터널링 현상을 연구하기 위해 스위스 취리히에 있는 IBM에서 일했다.그들은 양자 터널링 이론에서 나온 스캐닝 프로브 현미경인 실용적인 기구를 만들어 탐침과 샘플 표면 사이에서 교환되는 아주 작은 힘을 읽어냈다.탐침은 표면에 매우 가까이 접근하여 전자가 탐침과 시료 사이에서 지속적으로 흐를 수 있으며 표면에서 탐침으로 전류를 생성합니다.기본적인 이론적 설명의 복잡성 때문에 현미경은 처음에는 좋은 반응을 얻지 못했다.1984년 제리 터소프와 D.R.Hamann은 뉴저지주 Murray Hill에 있는 AT&T의 Bell Laboratorys에 있는 동안 이 기구에 의해 얻어진 실험 결과와 이론을 연결하는 기사를 발표하기 시작했습니다.이것은 1985년에 기능하는 상업 기구와 1986년에 게르트 비니그, 퀘이트, 거버의 원자력 현미경 발명, 그리고 비니그와 로러의 SPM [19]노벨 물리학상 수상과 함께 밀접하게 뒤따랐다.

초미세 탐침과 팁 가공 능력이 향상되면서 새로운 형태의 주사 탐침 현미경이 계속 개발되고 있다.

형광 현미경

참고 항목: 형광 현미경, 면역 형광 및 공초점 현미경
필터 큐브 터렛이 대물렌즈 위에 있는 형광 현미경으로 카메라와 결합되어 있습니다.

빛 현미경의 가장 최근의 발전은 [20]주로 생물학에서의 형광 현미경의 발전에 초점이 맞춰져 있다.20세기의 마지막 수십 년 동안, 특히 포스트 게놈 시대에, 세포 구조의 형광 염색에 대한 많은 기술들이 [20]개발되었습니다.주요 기술 그룹은 특정 세포 구조의 표적 화학 염색, 예를 들어 DNA를 표시하기 위한 화학 화합물 DAPI, 형광 리포터에 결합된 항체 사용, 면역 형광 참조, 녹색 형광 [21]단백질과 같은 형광 단백질을 포함합니다.이러한 기술은 살아있는 샘플과 고정된 샘플 모두에서 분자 수준에서 세포 구조를 분석하기 위해 이러한 서로 다른 형광체를 사용합니다.

형광 현미경의 발달은 주요한 현대 현미경 디자인인 공초점 현미경의 발전을 이끌었다.이 원리는 1957년 Marvin Minsky에 의해 특허 취득되었지만 레이저 기술로는 이 기술의 실제 적용에 한계가 있었습니다.1978년에야 토마스와 크리스토프 크레머가 최초의 실용적인 공초점 레이저 주사 현미경을 개발했고 이 기술은 1980년대에 급속히 인기를 얻었다.

초해상도 현미경

주요 기사:초분해능 현미경 및 현미경 § 서브회절 기술

광학 현미경 기술에 대한 많은 최신 연구(21세기 초)는 형광 라벨 샘플의 초해상도 분석 개발에 초점을 맞추고 있다.구조화된 조명은 분해능을 약 2배에서 4배 향상시킬 수 있으며, 자극 방출 감소(STED) 현미경 같은 기술은 전자 현미경의 [22]분해능에 근접하고 있다.이는 회절 한계가 빛이나 여진에서 발생하므로 분해능이 2배로 증가해야 초포화 상태가 됩니다.스테판 헬은 단분자 [23]시각화를 위해 형광 현미경을 채택한 에릭 베치그, 윌리엄 모어너와 함께 STED 기술을 개발한 공로로 2014년 노벨 화학상을 수상했다.

X선 현미경

주요 기사 : X선 현미경

X선 현미경은 일반적으로 부드러운 X선 대역의 전자파를 사용하여 물체를 촬영하는 장비입니다.1970년대 초 X선 렌즈 광학 기술의 진보로 인해 이 기기는 이미징을 위한 [24]선택지가 되었습니다.이들은 종종 단층촬영(마이크로 계산 단층촬영 참조)에서 화학적으로 고정되지 않은 생물학적 물질을 포함한 물체의 3차원 이미지를 생성하는 데 사용됩니다.투과력이 [24]뛰어난 하드 X선 광학 개선 연구가 진행 중이다.

종류들

빔 경로의 원리로 설명되는 현미경 유형
광학, 투과(TEM) 및 수차 보정 전자 현미경(ACTEM)[25]을 통해 달성된 공간 분해능의 진화.

현미경은 몇 가지 다른 종류로 나눌 수 있다.하나의 그룹은 샘플과 상호 작용하여 이미지를 생성하는 것, 즉 빛 또는 광자(광학 현미경), 전자(전자 현미경) 또는 프로브(스캔 프로브 현미경)를 기반으로 한다.또는 주사점(공초점광학현미경, 주사전자현미경, 주사프로브현미경)을 통해 시료를 분석하는지(광장광학현미경, 투과전자현미경)에 따라 시료를 분류할 수 있다.

광시야 광학현미경과 투과전자현미경은 둘 다 렌즈 이론(광현미경용 광학 및 전자현미경용 전자석 렌즈)을 사용하여 시료를 투과하거나 시료에 반사된 파형의 통과에 의해 생성된 이미지를 확대한다.사용되는 파형은 전자파(광학 현미경) 또는 전자파(전자 현미경)입니다.이러한 현미경의 분해능은 샘플 촬영에 사용되는 방사선의 파장에 의해 제한되며, 파장이 짧을수록 [20]분해능이 높아집니다.

공초점 현미경이나 주사 전자 현미경과 같은 주사 광학 및 전자 현미경은 렌즈를 사용하여 빛 또는 전자의 한 지점을 샘플에 집중시킨 다음 샘플과 상호작용하는 빔에 의해 생성된 신호를 분석합니다.그런 다음 점을 샘플 위로 스캔하여 직사각형 영역을 분석합니다.비교적 큰 화면에 물리적으로 작은 샘플 영역을 스캔한 데이터를 표시함으로써 화상의 배율을 실현한다.이 현미경들은 광시야 광학, 프로브, 전자 현미경과 같은 분해능 한계를 가지고 있다.

스캔 프로브 현미경은 또한 샘플의 단일 점을 분석한 다음 직사각형 샘플 영역에 걸쳐 프로브를 스캔하여 이미지를 형성합니다.이러한 현미경은 이미징에 전자파 또는 전자 방사선을 사용하지 않기 때문에 위에서 설명한 광학 및 전자 현미경과 동일한 해상도 제한을 받지 않습니다.

광학 현미경

주요 기사:광학 현미경, 디지털 현미경 및 USB 현미경

가장 일반적인 현미경은 광학 현미경이다.초점 평면에 배치된 샘플의 확대 이미지를 생성하는 하나 이상의 렌즈를 포함하는 광학 기기입니다.광학 현미경에는 굴절 유리(가끔 플라스틱 또는 석영)가 있어 빛을 눈 또는 다른 광검출기에 초점을 맞춥니다.미러 기반의 광학 현미경도 같은 방식으로 작동합니다.가시거리 빛을 가정한 광현미경의 일반적인 배율은 약 0.250마이크로미터 또는 250나노미터의 이론적 분해능 한계와 함께 최대 1,250×입니다.[20]따라서 실제 배율은 최대 1,500×로 제한됩니다.특수 기술(예: 스캔 공초점 현미경 검사, Verico SMI)은 이 배율을 초과할 수 있지만 분해능은 제한적입니다.자외선과 같은 짧은 파장의 빛은 근거리 주사 광학 현미경과 같은 장치와 마찬가지로 광학 현미경의 공간 분해능을 향상시키는 한 가지 방법입니다.

사르푸스는 나노미터 필름(0.3나노미터 이하)과 분리된 나노 물체(직경 2nm 이하)를 직접 시각화할 수 있을 정도로 표준 광학 현미경의 감도를 높인 최신 광학 기술이다.이 기술은 교차 편광 반사광 현미경 검사에 비반사 기판의 사용에 기초하고 있습니다.

자외선은 눈에 투명한 샘플의 영상 촬영뿐만 아니라 현미경적 특징의 해상도를 가능하게 합니다.실리콘은 이 파장 영역에서 투명하기 때문에 결합 실리콘 장치에 내장된 회로를 시각화하는 데 근적외선을 사용할 수 있습니다.

형광 현미경 검사에서는 자외선부터 가시광선까지 다양한 파장의 빛을 사용하여 샘플이 형광을 띠게 할 수 있으며, 이를 통해 눈으로 보거나 특별히 민감한 카메라로 볼 수 있습니다.

위상 대비 현미경 검사(오른쪽)와 비교하여 일반적인 밝기 필드(왼쪽)에서 볼 수 있는 비조절 세포.

위상 대비 현미경은 투명한 시료를 통과하는 빛의 작은 위상 변화를 영상의 진폭이나 [20]대비 변화로 변환하는 광학 현미경 조명 기법이다.위상 대비는 슬라이드를 보기 위해 염색할 필요가 없습니다.이 현미경 기술은 살아있는 세포의 세포 주기를 연구하는 것을 가능하게 했다.

전통적인 광학 현미경은 더 최근에 디지털 현미경으로 발전했다.접안경을 통해 물체를 직접 보는 것 외에 디지털카메라에 사용되는 것과 유사한 종류의 센서를 사용하여 이미지를 얻고 컴퓨터 모니터에 표시된다.이러한 센서는 애플리케이션에 따라 CMOS 또는 충전 결합 장치(CCD) 기술을 사용할 수 있습니다.

민감한 광자 계수 디지털 카메라를 사용하여 취약한 생물학적 샘플의 손상을 방지하기 위해 매우 낮은 광도의 디지털 현미경을 사용할 수 있다.얽힌 광자 쌍을 제공하는 광원이 가장 빛에 민감한 샘플의 손상 위험을 최소화할 수 있다는 것이 입증되었다.광자 희박 현미경에 대한 이 고스트 이미징 적용에서 샘플은 적외선 광자로 조명되며, 각각은 광자 계수 카메라에 [26]의한 효율적인 이미징을 위해 가시 대역의 얽힌 파트너와 공간적으로 상관된다.

최신 투과형 전자 현미경

전자 현미경

사이토카인시스 중인 분열세포의 투과전자현미경사진
주요 기사:전자 현미경

전자현미경의 두 가지 주요 유형은 투과전자현미경과 주사전자현미경이다.[20][21]둘 다 시료에 고에너지 전자빔을 집중시키기 위해 일련의 전자렌즈와 정전렌즈를 가지고 있습니다.TEM에서 전자는 기본 광학 [20]현미경과 유사하게 샘플을 통과합니다.전자는 대부분의 [21]물질에 의해 강하게 산란되기 때문에, 이것은 세심한 샘플 준비가 필요합니다.또한 전자가 [20][21]통과하기 위해서는 샘플이 매우 얇아야 합니다(100nm 미만).오스뮴과 중금속으로 얼룩진 세포의 단면은 투명한 세포막과 리보솜과 [21]같은 단백질을 드러낸다.0.1nm의 분해능으로 바이러스(20~300nm)와 DNA 가닥(폭 2nm)을 상세하게 [21]볼 수 있습니다.반면 SEM에는 미세한 전자빔으로 벌크 물체의 표면을 스캔하는 래스터 코일이 있습니다.따라서 시료를 반드시 분할할 필요는 없지만 비전도성 [20]시료의 경우 나노메탈 또는 탄소층으로 코팅해야 할 수 있다.SEM은 샘플의 빠른 표면 이미징을 가능하게 합니다.[20][21]아마도 건조한 것을 방지하기 위해 얇은 수증기로 촬영할 수 있습니다.

스캔 프로브

주요 기사: 스캔 프로브 현미경 검사

주사 프로브 현미경의 다른 유형은 작은 탐침이 스캔되어 시료와 상호작용할 때 발생하는 많은 다른 유형의 상호작용에서 발생합니다.이러한 상호작용 또는 모드는 지표면 상의 위치 함수로 기록되거나 매핑되어 특성화 맵을 형성할 수 있습니다.탐침 현미경의 3가지 가장 흔한 형태 원자력 현미경(AFM), 근거리 스캔 광학 현미경,(MSOM 또는 SNOM, 근거 리장 광학 주사 현미경)과 원자 힘 현미경(STM)[27]터널링 현미경 주사 실리콘 또는 질화 규소 보통의 훌륭한 조사는 캔틸레버에 부착된는. 프로시료 표면에 걸쳐 스캔하고 프로브와 시료 표면 간의 상호작용을 일으키는 힘을 측정하여 매핑합니다.근거리 주사 광학 현미경은 AFM과 유사하지만, 탐촉자의 프로브는 광섬유 내의 광원으로 구성되어 있으며, 일반적으로 빛이 통과할 수 있는 개구부가 있는 팁으로 덮여 있습니다.현미경은 투과 또는 반사된 빛을 포착하여 표면의 매우 국소적인 광학 특성, 일반적으로 생물학적 표본의 특성을 측정할 수 있습니다.스캔 터널링 현미경에는 금속 팁과 단일 원자가 있습니다. 팁은 전류가 [28]흐르는 튜브에 부착됩니다.팁은 터널링 전류가 흐를 때까지 전도성 샘플의 표면 위로 스캔됩니다. 전류는 팁의 컴퓨터 이동에 의해 일정하게 유지되고 [27]팁의 기록된 이동에 의해 이미지가 형성됩니다.

주사 전자 현미경으로 본 잎 표면.

기타 타입

스캐닝 음향 현미경은 음파를 사용하여 음향 임피던스의 변화를 측정합니다.원칙적으로 소나(Sonar)와 마찬가지로 집적회로를 포함한 재료의 서브서페이스 결함을 검출하는 작업에 사용된다.2013년 2월 4일, 호주 엔지니어들은 비길 데 [29]없는 정밀도를 제공하는 "양자 현미경"을 만들었습니다.

모바일 앱

모바일 앱 현미경은 손전등 작동 시 광학 현미경으로 선택적으로 사용할 수 있습니다.그러나 모바일 앱 현미경은 시각 노이즈와 카메라 렌즈 자체의 해상도 한계 때문에 사용하기 어렵습니다.

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레퍼런스

최초의 원자력 현미경
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외부 링크

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