Anatómia és élettan

A mikroszkópia a mikroszkópok (nagyító műszerek) használatának műszaki területe olyan tárgyak és tárgyak területeinek megtekintésére, amelyek szabad szemmel nem láthatók (olyan tárgyak, amelyek nem tartoznak a normál szem felbontási tartományába).17 A mikroszkóp olyan eszköz, amely egy lencsét vagy lencserendszert használ egy tárgy nagymértékben nagyított képének előállítására. A modern mikroszkópia ma már olyan szoftvereket használ, mint az ImageJ, CellProfiler, NeuronStodio a képek felvételéhez és elemzéséhez.1

A mikroszkópiának két ága van.1,18

1. Fénymikroszkóp (egyszerű, összetett mikroszkóp, boncmikroszkóp (sztereomikroszkóp), összehasonlító mikroszkóp, inverz mikroszkóp, sebészeti és digitális mikroszkóp.
2. Elektronmikroszkóp (transzmissziós és pásztázó elektronmikroszkóp)

Fénymikroszkóp

Ezt optikai mikroszkópnak is nevezik, a mikroszkóp olyan típusa, amely látható fényt és lencserendszert használ a kis minták képének nagyítására.17 Az optikai mikroszkópok a legrégebbi kialakítású mikroszkópok, és jelenlegi összetett formájukban valószínűleg a 17. században találták fel őket. Az alapvető optikai mikroszkópok nagyon egyszerűek lehetnek, bár számos összetett kialakítás létezik, amelyek célja a felbontás és a minta kontrasztjának javítása, mint például az összetett, a boncoló és a sebészeti mikroszkóp.19 A modern mikroszkópok nem csak a minta átmenő fényben készült képének megfigyelését teszik lehetővé; számos olyan technika létezik, amely más típusú adatok kinyerésére is használható. Ezek többsége az alapvető összetett mikroszkópon kívül további berendezéseket igényel.17 Az optikai mikroszkópiát széles körben használják a szövettan, a szövettan, a mikroelektronika, a nanofizika, a biotechnológia, a gyógyszerkutatás, az ásványtan és a mikrobiológia területén.20

Egyszerű mikroszkóp: Az egyszerű mikroszkóp egy lencsét vagy lencsecsoportot használ egy tárgy pusztán szögletes nagyítással történő nagyítására, így a szemlélőnek egy egyenesen felnagyított virtuális képet ad.21 Egyetlen domború lencse vagy lencsecsoportok használata még mindig megtalálható az olyan egyszerű nagyító eszközökben, mint a nagyítóüveg, a lupuszok, valamint a távcsövek és mikroszkópok okulárjai.22

Komponált mikroszkóp: Az összetett mikroszkóp a vizsgált tárgyhoz közeli lencsét (objektívlencsét) használ a fény összegyűjtésére, amely a mikroszkóp belsejében a tárgy valódi képét fókuszálja. Ezt a képet aztán egy második lencse vagy lencsecsoport (az úgynevezett okulár) felnagyítja, amely a szemlélő számára a tárgy felnagyított, fordított virtuális képét adja.18 Az összetett objektív-okulár kombináció használata sokkal nagyobb (akár 1000-2000-szeres) nagyítást tesz lehetővé (7. ábra). Az összetett mikroszkóp fejlettebb megvilágítási beállításokat is lehetővé tesz, mint például a fáziskontraszt.21,22

Sztereomikroszkóp: A sztereomikroszkóp olyan kis teljesítményű mikroszkóp, amely sztereoszkópos képet ad a mintáról (akár 100-szoros nagyítással), általában boncoláshoz használják (8. ábra).18

Megfordított mikroszkóp: minták alulról történő vizsgálatára; hasznos folyadékban lévő sejttenyészetekhez vagy metallográfiához (9. ábra).18

Közeli mikroszkóp: Egymás melletti minták elemzésére használt eszköz. Két mikroszkópból áll, amelyeket egy optikai híd köt össze, ami egy osztott látóablakot eredményez, amely lehetővé teszi két különálló objektum egyidejű megtekintését. Két külön fényútja van, ami lehetővé teszi a két minta közvetlen összehasonlítását a két szem egy-egy képén keresztül (10. ábra). Így a megfigyelőnek nem kell a memóriára hagyatkoznia, amikor két tárgyat hasonlít össze egy hagyományos mikroszkóp alatt.27

Digitális mikroszkóp: A hagyományos optikai mikroszkóp egy olyan változata, amely optikát és digitális kamerát használ a kép monitorra történő kiadásához, néha egy számítógépen futó szoftver segítségével.20 A digitális mikroszkóp gyakran rendelkezik saját beépített LED-es fényforrással, és abban különbözik az optikai mikroszkóptól, hogy nincs lehetőség a minta közvetlen, okuláron keresztül történő megfigyelésére. Mivel a kép a digitális áramkörre fókuszál, az egész rendszert a monitorképre tervezték (11. ábra). Az emberi szemhez tartozó okulár elhagyható.20

Sebészeti mikroszkóp: Arra használják, hogy a sebész nagyítását (akár 4-40-szeresre) növeljék a sebészeti beavatkozások során.29 Eredetileg a fül-orr-gégészetben használták. Azonban az általános sebészetben, a szemészetben, az ortopédiai sebészetben, a nőgyógyászati sebészetben, a fül-orr-gégészetben, az idegsebészetben, a száj- és állkapocssebészetben, a plasztikai sebészetben, a lábsebészetben és a gyermeksebészetben ma is új szabványokat állítanak fel (6. ábra).29

Elektronmikroszkóp

Az elektronmikroszkóp általános felépítése hasonló a fénymikroszkópéhoz. A fényt elektronokkal, az üveglencséket elektromágneses és elektrosztatikus lencsékkel helyettesítik. Az elektronmikroszkópok elektronoptikai lencserendszerrel rendelkeznek, amelyek analógok az optikai fénymikroszkóp üveglencséivel, az elektronmikroszkópoknak két fő típusa van; a transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) és a pásztázó elektronmikroszkóp (SEM), amelyek közül a TEM a leggyakrabban használt (12. ábra).22 A legnagyobb előnyük, hogy nagyobb felbontással rendelkeznek, mint a fénymikroszkóp, ezért nagyobb nagyításra is képesek (akár 2 milliószoros).31 Az elektronmikroszkópok lehetővé teszik olyan struktúrák megjelenítését, amelyek optikai mikroszkópiával általában nem lennének láthatóak.32 Az elektronmikroszkópokat biológiai és szervetlen minták széles körének, köztük mikroorganizmusok, sejtek, nagy molekulák, biopsziás minták, fémek és kristályok ultrastruktúrájának vizsgálatára használják (13. ábra).31 A modern elektronmikroszkópok speciális digitális kamerák és képmegragadók segítségével készítenek elektronmikroszkópos felvételeket.

Transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM)

A transzmissziós elektronmikroszkópia egy olyan technika, amelyet a hagyományos optikai mikroszkópoknál sokkal jobb nagyítás és ezáltal a minta részleteinek elérésére fejlesztettek ki.34,35 A TEM-ben egy elektronnyalábot vezetnek át egy ultravékony mintán, amely áthaladás közben kölcsönhatásba lép a mintával. A mintán áthaladó elektronok kölcsönhatásából kép keletkezik; a képet felnagyítják és fókuszálják egy képalkotó eszközre, például fluoreszcens képernyőre, egy fényképészeti filmrétegre, vagy egy érzékelő, például egy CCD-kamera által történő érzékelésre.2 A TEM-ben az elektronok áthatolnak a vékony mintán, majd megfelelő lencsék segítségével képet kapnak, a biológiai fénymikroszkóphoz hasonlóan.22 A TEM a következőkből áll: megvilágítási rendszer, mintaállvány, képalkotó rendszer és vákuumrendszer. A transzmissziós elektronmikroszkópia a fizikai, kémiai és biológiai tudományok egyik legfontosabb analitikai módszere. A TEM-et a rákkutatásban, a virológiában és az anyagtudományban, valamint a környezetszennyezés, a nanotechnológia és a félvezetők kutatásában alkalmazzák.36

Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM)

A pásztázó elektronmikroszkóp a TEM-hez hasonló felépítésű, de az oszlop lényegesen rövidebb, mivel csak a minta fölötti lencsékre van szükség, amelyekkel az elektronokat a minta felületén lévő finom foltba fókuszálják.37 A minta alatt nincsenek lencsék. A mintakamra viszont nagyobb, mivel a SEM-technika a mintakamra méretén kívül semmilyen más korlátot nem szab a minta méretére.38 A SEM úgy készít képeket a mintáról, hogy a felületet fókuszált elektronsugárral pásztázza. Az elektronok kölcsönhatásba lépnek a mintában lévő atomokkal, és különböző jeleket hoznak létre, amelyek információt tartalmaznak a minta felületi topográfiájáról és összetételéről.39 Az elektronsugarat raszteres letapogatási mintázatban pásztázzák, és a sugár helyzetét a detektált jellel kombinálva képet készítenek. A SEM 1 nanométernél jobb felbontást képes elérni.40

Ultraszonográfia

Az ultraszonográfiát Doppler-vizsgálatnak vagy orvosi diagnosztikára használt ultrahangvizsgálatnak is nevezik, ez egy fájdalommentes és nem invazív technika, amely egy ultrahangkészülék segítségével csendes, nagyfrekvenciás hanghullámokkal (1-5 megahertz) élő képeket készít a test belső szerkezeteiről, más néven szonogramot. Lehetővé teszi az orvosok számára, hogy bemetszés nélkül láthatóvá tegyék a testben lévő beteg vagy normális szerveket vagy szöveteket (például a hólyagot, a méhet, a vesét és a petefészket). Az ultrahangvizsgálat ajánlott orvosi technika a magzat láthatóvá tételére terhes nőknél/állatoknál, mivel nem termel sugárzást, mint más orvosi képalkotó technikák.2

Az ultrahangtechnika során folyékony gélt és kézben tartott transzducer szondát használnak a test felszínén. Az akusztikus jelátalakítót tartalmazó szonda másodpercenként több millió impulzust és visszhangot küld és fogad a testbe. A hanghullámok behatolnak a testbe, és elérik a szövetek (pl. lágyrészek és csontok) közötti határt, a hullámok visszaverődnek a transzducer szondára, majd továbbítódnak a központi feldolgozó egységbe (CPU) (14-16. ábra). A CPU egy olyan gép, amely elektromos energiával látja el a transzducert, kiszámítja a hullám visszaverődési idejét és a hullámot okozó szöveti határfelület mélységét, és így kétdimenziós képet készít a monitoron. Az eljárás általában legalább 30 percet vesz igénybe.41,42