Спектрлік құралдар. Микроскоптар

Оптикада кеңінен қолданылып жүрген құралдардың бірі — спектрлік деп аталады. Электромагниттік сәулелердің (оптикалық диапазондағы) спектрлік құрамын зерттейтін құралды спектрлік құралдар деп атайды. Спектрлік құралдардың көмегімен спектр талданады. Атап айтқанда, спектрді талдау дегеніміз белгілі толқын ұзындықтарына сәйкес келетін сызықтардың, энергиясын өлшеу болып табылады. Спектрлік құралдың көзбен бақылауға арналған түрін спектроскоптар, фото пластинкаға тіркеп алатын түрін спектрограф деп атайды. Қазіргі кезде спектрофотометрлер кеңінен қолданылады. Спектрофотометрлер бір мезгілде бірнеше спектрлік сызықтар энергиясын жеке-жеке өлшей алады. Спектрофотометрия көмегімен жануарлар организмінің клеткалары мен тканьдеріндегі заттарды, микроорганизмдерді анықтауға болады. Спектрофотометрия жарықтың толқын ұзындығына, байланысты оның энергиясының шығарылуын, жұтылуын, шағылуын, шашыратуын тіркей алады. Спектрофотометриялық талдауды спектрдің көрінетін, ультракүлгін және инфрақызыл облыстарында жүргізуге бола­ды.

Спектрофотометрияда монохромат жарықтың (белгілі толқындағы жарықтың) жұтылуы зерттеледі. Мұны абсорбциялық спектрофотометрия деп атайды.

Заттардың шығару қабілетін зерттеуді эмиссиялық спектрофотометрия деп атайды. Эмиссиялық спектрофотометрияда дене шығаратын жарықтың ұзындығы алдын-ала белгілі жарық ұзындығымен (эталонмен) салыстырылады. Ал абсорбциялық спектрофотометрияда зерттелетін затқа жарық түсіріледі, сол түсірілген жарықтың қаншасының жұтылғанын анықтайды. Сейтіп Бугер-Ламберт-Бер заңын пайдалана отырып дененің жұту кабілетін анықтайды. Ал шағылу спектрофотометриясында екі жарық ағынының белгілі заттан (эталон) және зерттелетін заттан шағылу қабілеттері зерттеледі. Спектрлік құралдар заттарды зерттеуге, яғни спектрлік талдау жасауға пайдаланылады. Заттардың спектрін талдау арқылы, олардың құрылымын сандық және сапалық тұрғыдан зерттеуді спектрлік анализ (талдау) деп атайды. Әр элемент өзіне тән спектрлік сызықтар береді; Зерттелінетін затта керекті сызықтың бар-жоғын, оның интенсивтілігін талдау нәтижесінде осы затта керекті элементтердің бар-жоғын анықтауға болады.

Өте кішкене заттардың үлкейген кескінін көруге арналған оптикалық кұрал. Екі нүктенің немесе екі заттың ара қашықтығы 0,08 мм-ден кем болмаса, онда оны адам көзі ажырата алады. Ал ара қашықтығы одан кем болса, онда ол заттар­ды жай көзбен көре алмайсың. Айталық, бактериялардың, жануарлар клеткаларының және т. б. бұл шамадан кіші (кем.). Осы сияқты объектілерді бақылау және зерттеу үшін микро­скоп қолданылады. Микроскоп мынадай бөліктерден тұрады: 1) объектив, 2) конденсор, 3) препарат қоятын стол, 4) окуяр,5) дәл және жуықтап, алынатын фокуске, келтіруге арналған механизм, 6) айна. Өзіне түскен жарықты конденсор айнаға бағыттайды. Конденсор түрі, яғни құрылысы оның қолданылу мақсатына қарай әр түрлі. Атап айтқанда, жарық өрісті кон­денсор, күңгірт өрісті конденсор фазалық не интерференциялық, контраст тәсілі бойынша жұмыс істейтін конденсор. Конденсор екі немесе үш линзалар жүйесінен тұрады. Оның сандық апертурасы 1,4-ке тең. Микроскоптың көпшілігінде объективтер алмалы-салмалы болып келеді. Ал окуляр типі мен микроскоп объективін таңдап алуға байланысты анықталады.

а б

7.2.-сурет. Поляризациялық (а) және электрондық

микроскоптың (б) схемасы

Микроскоптың бірнеше түрі бар. Олар биологиялық интерференциялық, люминесценттік ультракүлгін және инфрақызыл сәулелі поляризациялық (7.2-а-сурет), электрондық микроскоп (7.2.-б-сурет) болып бөлінеді. Биологиялық микроскоп ботаникалық микробиологиялық, медициналық, мал дәрігерлік зерттеулерде, сондай-ақ физикада, химияда мөлдір заттарды зерттеп-бақылау үшін қолданылады. Микроскоптардың ішіндегі ең көп тараған түрі осы биологиялық микроскоп.

Интерференциялық микроскоппен интерференциялық кон­траст тәсілі бойынша мөлдір нәрселер зерттеледі. Интерферен­циялық микроскоптың көптеген түрі құрылымы жағынан кәдімгі (биологиялық) микроскопқа ұқсайды. Тек қана оның арнаулы конденсоры, объективті және өлшеуіш құралдары болады. Бұл микроскоп өңделген металдар бетінің кедір-бұдырын зерттеуге колданылады. Сондай-ақ биологиялық нәрселерді де бақылауға, зерттеуге әбден болады.

Люминесценттік микроскоптың кәдімгі микроскоптан айырмашылығы бар. Бұл микроскопқа екі жарық сүзгіш: біреуі конденсордың алдына, екіншісі объективтің артына қойылады. Та­рыбір айырмашылығы — оған кез-келген жарық әсер ете алмайды. Сондықтан да таңданып алынады.

Көптеген объектілердің жарқырауы ультракүлгін немесе көрінетін жарықтың қысқа толқынды бөлігінің көмегімен коздырылады. Сондықтанда бұл микроскопта аса жоғары қысымдағы сынапты шамдар шығаратын сәулелер пайдаланылады. Бұл микроскоптың конденсоры кварцтан жасалынады. Люминесценттік микроскоп микробиология мен вирусологияда, тамақ өнеркәсібінде, топырақ зерттеуде, микрохимиялық анализдер және люминесценттік дефектоскопияда кеңінен қолданылады.

Ультракүлгін және инфрақызыл сәулелі микроскоптар микрообъектілерді ультракүлгін және инфрақызыл сәулелерінде зерттеп, бақылайды. Бұл микроскоптың оптикалық құрылысы кәдімгі микроскоптағыдай. Алайда, одан өзгешелігі де бар. Ультракүлгін сәулелі микроскоптың конденсоры мен объективі айнадан немесе айналы-линзадан тұрады. Ал линзалар күлгін-сәулелер өтіп кететін кварцтан, флюриттен дайындалады. Ал инфрақызыл сәулелі микроскоптың линзалары инфрақызыл сәулелер өте алатын кремнийден, германийден, фторлы литийден жасалынады. Бұл микроскоптардың көмегімен көрінбейтін заттарды фотоаппаратқа түсіріп алып, оларды көрінетін затқа айналдыратын түрлендіргішке беріп отырады.

Поляризациялық микроскоп анизотропты объектілерді поляризацияланған жарықпен жарықтандырады. Сөйтіп объект зерттелінеді, бақыланады. Қәдімгі микроскоптан айырмашылығы — онда поляризатор мен анализатор бар. Объектілерден өткен поляризацияланған жарық өзгеріске ұшырайды. Айталық, сәуленің қосарланып сынуының күшіне, оптикалық осьтердің санына, поляризация жазықтығының бұрылуына қарап анизо­тропты объектілердің оптикалық қасиетін толық зерттеуге болады. Поляризациялық микроскоп объектілерді, тау жыныстарын, минералдарды зерттеп, бақылауда кеңінен қолданылып жүр.

Электрондық микроскоп микрообъектілер кескінін өте үлкейтіп көрсетеді. Кәдімгі микроскопта жарық сәулелері қолданылса, электрондық микроскопта жылдамдығы өте үлкен электрондар, сондай-ақ шыныдан жасалған линзаның орнына, бұл мик­роскопта электрондық линзалар пайдаланылады. Электрондық микроскоптың көмегімен вирустарды зерттеп білуге мүмкіндік туды. Электрондық микроскоптың оптикалық схемасы кәдімгі микроскопқа ұқсас. Кәдімгі микроскоптың оптикалық схемасы конденсордан, объективтен, окулярдан тұрады. Электрондық микроскоптың да оптикалық схемасы дәл осындай.

Кез-келген оптикалық құралдың, оның ішінде микроскоптардың ажыратқыштық қабілеті бар. Мысалы, адам көзінің ажыратқыштық қабілеті 0,08 мм-ге тең, ал кәдімгі микроскоптардың ажыратқыштық кабілеті 2000—2500 А° аралығында жатады. Ол — 2-10^-4мм. Ал электрондық микроскоптың ажыратқыштық қабілеті 4,5—5 А° немесе 4,5-5 ·10 ^-7 мм деген сөз. Бұдан біз электрондық микроскоптың бірінен - бірінің ара қашықтығы өте аз (5-10^{-7 мм)} екі нәрсені ажырата алатынын байқап отырмыз.

Микроскоптардың ажыратқыш қабілеті мына формуламен анықталады:

l_min =0,61 λ/ (п sin U) (1)

Мұндағы l_min —екі заттың (нүктенің) ең жақын ара қашықтығы λ — жарықтың толқын ұзындығы, п -линзаның сыну көрсеткіші, п sin U — сандық апертура деп атайды. Сандық апертураның мәнінің арта түсуі, микроскоптың ажыратқыштық қабілетінің арта түсетінін байқатады. Көріністің жарықпен жұмыс істейтін микроскоптың ажыратқыш қабілетін тауып көрейік: көрінетін жарық үшін λ≈5·10^-4мм деп алсақ, онда l_min =2·10^-4мм екенін табамыз. Ал көрінетін жарықтың орнына ультракүлгін сәулесін алса, онда микроскоптың ажырату қабілеті арта түседі. Ал электрондық микроскопта электрондар пайдаланылады. Электрондардың толқын ұзындығы да Бройль толқынына сәйкес келеді: λ=h/ (mυ). Есептеулерге қарағанда бұл ұзындық λ =10 ^-13 мм. Олай болса электрондық микроскоптың ажыратқыштық қабілеті оптикалық микроскоптың ажыратқыштығына қарағанда жүздеген есе артық екенін байқар едік. Бұл шамасы жағынан атомнан сәл ғана үлкен объектілерді ажырата алады деген сөз.