Progettazione di microscopi a fluorescenza e a campo chiaro a basso costo
Passaggio 1: panoramica della microscopia a fluorescenza
Per comprendere i concetti di base della microscopia a fluorescenza, immagina una fitta foresta di notte con alberi, animali, arbusti e altre foreste che vivono al suo interno. Se punti una torcia nella foresta, vedrai tutte queste strutture ed è difficile immaginare animali o piante specifici. Supponendo che tu sia interessato solo a vedere gli arbusti di mirtilli nella foresta. Per raggiungere questo obiettivo, devi addestrare le lucciole ad essere attratte solo dai cespugli di mirtilli, in modo che quando guardi la foresta, solo i cespugli di mirtilli si illumineranno. Puoi dire che usi le lucciole per contrassegnare i cespugli di mirtilli, in modo da poter vedere la struttura dei mirtilli nella foresta.
In questa analogia, le foreste rappresentano l’intero campione, gli arbusti di mirtillo rappresentano le strutture che si desidera visualizzare (come cellule specifiche o organelli subcellulari) e le lucciole sono composti fluorescenti. La situazione di illuminare solo la torcia di un tiratore senza lucciole è simile a un microscopio a campo chiaro.
Il passo successivo è comprendere le funzioni di base dei composti fluorescenti (noti anche come fluorofori). I cluster fluorescenti sono in realtà piccoli oggetti (su scala nanometrica) progettati per collegare strutture specifiche nel campione. Assorbono la luce di una gamma ristretta di lunghezze d'onda e riemettono la luce di un'altra lunghezza d'onda. Ad esempio, un fluoroforo può assorbire la luce blu (cioè il fluoroforo viene eccitato dalla luce blu) e quindi riemettere luce verde. Di solito, questo è riassunto dagli spettri di eccitazione e di emissione (come mostrato nella figura sopra). Questi grafici mostrano le lunghezze d'onda della luce assorbita dai fluorofori e le lunghezze d'onda della luce emessa dai fluorofori.
Il design del microscopio è molto simile a un normale microscopio a campo chiaro, con due differenze principali. Innanzitutto, la luce che illumina il campione deve essere della lunghezza d'onda che eccita il gruppo fluorescente (nell'esempio sopra, la luce è blu). In secondo luogo, il microscopio deve solo raccogliere la luce emessa (luce verde) bloccando la luce blu. Questo perché la luce blu è ovunque, ma la luce verde proviene solo da strutture specifiche del campione. Per bloccare la luce blu, i microscopi in genere hanno qualcosa chiamato filtro passa lungo che consente alla luce verde di passare senza luce blu. Ciascun filtro passa-basso ha una lunghezza d'onda di taglio. Se la lunghezza d'onda della luce è maggiore della lunghezza d'onda di taglio, può passare attraverso un filtro. Pertanto, il nome è "Pass a lunga percorrenza". Le lunghezze d'onda più corte vengono bloccate.
Passaggio 2: utilizzare il microscopio per modellazione ottica
Questo è un ulteriore passo avanti nella progettazione di microscopi basati su principi di base. Non è necessario costruire un microscopio a fluorescenza, quindi se non vuoi approfondire l'ottica, puoi saltarlo.
Sia i microscopi a campo chiaro che quelli a fluorescenza possono essere modellati utilizzando dispositivi ottici a raggi. La premessa di base dell'ottica a raggi è che il comportamento della luce è simile a quello della luce che si propaga lontano da una sorgente luminosa. Quando ti guardi intorno nella stanza, vedrai la luce del sole fuori dalla finestra o la luce portata dalla lampadina. Quindi la luce viene assorbita o riflessa dagli oggetti nella stanza. Un po' di luce riflessa lo dirigerà verso i tuoi occhi. Se un oggetto è illuminato, puoi immaginare che ogni punto dell'oggetto emetta luce in tutte le direzioni (come mostrato nell'immagine sopra). Il cristallino, come quello dei nostri occhi, focalizza la luce su un punto in modo che possiamo vedere gli oggetti. Senza lente, la luce continua a propagarsi verso l'esterno e non forma un'immagine.
