低コストの蛍光および明視野顕微鏡設計
このガイドでは、蛍光顕微鏡の基本原理と、3 つの異なる低コスト蛍光顕微鏡の構築方法を確認します。 これらのシステムは通常、数千ドルの費用がかかりますが、最近の取り組みにより入手が容易になりました。 ここで紹介するデザインは、スマートフォン、デジタル一眼レフカメラ、USB 顕微鏡を使用しています。 これらの設計はすべて、オープンフィールド顕微鏡としても使用できます。
ステップ 1: 蛍光顕微鏡検査の概要
蛍光顕微鏡の基本概念を理解するには、夜の森に生息する密林、樹木、動物、低木、その他の森を想像してください。 懐中電灯で森を照らすと、これらすべての構造物が見え、特定の動物や植物を想像するのは困難です。 森の中でブルーベリーの低木を見ることだけに興味があると仮定します。 これを達成するには、ブルーベリーの茂みだけに引き寄せられるようにホタルを訓練し、森を見るとブルーベリーの茂みだけが光るようにする必要があります。 ブルーベリーの茂みにホタルのマークを付けたので、森の中にブルーベリーの構造が見えるようになったと言えます。
この例えでは、森はサンプル全体を表し、ブルーベリーの低木は視覚化したい構造 (特定の細胞や細胞内小器官など) を表し、ホタルは蛍光化合物です。 ホタルを使わずに懐中電灯だけで撮影する状況は、明視野顕微鏡と似ています。
次のステップは、蛍光化合物 (フルオロフォアとも呼ばれます) の基本的な機能を理解することです。 蛍光クラスターは実際には、サンプル内の特定の構造を接続するように設計された小さなオブジェクト (ナノスケール) です。 それらは狭い範囲の波長の光を吸収し、別の波長の光を再放出します。 たとえば、蛍光基は青色光を吸収し（つまり、蛍光基は青色光によって励起され）、再び緑色光を放出します。 通常、これは励起スペクトルと発光スペクトルを通じて要約されます (上の図を参照)。 これらのチャートは、蛍光団によって吸収される光の波長と、蛍光団によって放出される光の波長を示しています。
顕微鏡の設計は通常のオープンフィールド顕微鏡の設計と非常に似ていますが、2 つの主な違いがあります。 まず、サンプルを照らす光は、励起された蛍光基の波長でなければなりません (上記の例では、光は青色です)。 第二に、顕微鏡は青色光を遮断しながら放射光 (緑色光) を収集するだけで済みます。 これは、青色光はどこにでも存在しますが、緑色光はサンプル内の特定の構造からのみ発せられるためです。 青色光を遮断するために、顕微鏡には通常、青色光を含まずに緑色光を通過させるロングパスフィルターと呼ばれるものが装備されています。 各ロングパスフィルターにはカットオフ波長があります。 光の波長がカットオフ波長よりも長い場合、光はフィルターを通過できます。 したがって、名前は「長距離パス」です。 より短い波長はブロックされます。
ステップ 2: 光学光学を使用した顕微鏡のモデリング
これは、顕微鏡の基本原理を設計するための追加のステップです。 蛍光顕微鏡を構築する必要はないため、光学について詳しく知りたくない場合はスキップできます。
明視野顕微鏡と蛍光顕微鏡はどちらも、光線光学デバイスを使用してモデル化できます。 光線光学の基本前提は、光の挙動は光源から伝播する光の挙動と同様であるということです。 部屋を見回すと、窓の外の太陽の光や電球の光が目に入ります。 その後、光は室内の物体によって吸収または反射されます。 反射光によっては目に当たることがあります。 オブジェクトが照らされている場合、(上の図に示すように) オブジェクト上の各点が全方向に光を放射していると想像できます。 レンズは、私たちの目のレンズと同様に、物体を見ることができるように光を点に集中させます。 レンズがないと光は外側に伝播し続け、像を形成しません。
