低コストの蛍光および明視野顕微鏡の設計
蛍光顕微鏡は、
このガイドでは、蛍光顕微鏡の基礎と、3 種類の低コスト蛍光顕微鏡の作り方を説明します。これらのシステムは通常数千ドルかかりますが、最近ではより手頃な価格にするための取り組みが行われています。ここで紹介する設計では、スマートフォン、デジタル一眼レフ、USB 顕微鏡を使用しています。これらの設計はすべて、明視野顕微鏡としても使用できます。
ステップ1: 蛍光顕微鏡の概要
蛍光顕微鏡法の基本的な概念を理解するには、木々、動物、茂み、その他の生物が生息する夜の密林を想像してください。森に懐中電灯を当てると、これらすべての構造が見え、特定の動物や植物を視覚化するのは困難です。森の中でブルーベリーの茂みだけを見たいとします。これを行うには、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ます。そうすれば、森を見るとブルーベリーの茂みだけが光ります。つまり、ブルーベリーの茂みにホタルを使ってマーキングし、森の中でブルーベリーの構造を見ることができると言えます。
この例えでは、森はサンプル全体を表し、ブルーベリーの茂み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。ホタルなしでトーチだけを照らすのは、明視野顕微鏡検査に似ています。
次のステップは、蛍光化合物 (蛍光体とも呼ばれる) の基本的な機能を理解することです。蛍光体は実際には、サンプル内の特定の構造を結合するように設計された小さな物体 (ナノスケール) です。蛍光体は狭い範囲の波長の光を吸収し、別の波長の光を再放射します。たとえば、蛍光体は青色光を吸収し (つまり、蛍光体は青色光によって励起されます)、緑色光を再放射します。これは通常、励起スペクトルと発光スペクトル (上記) によってまとめられます。これらの図は、蛍光体によって吸収される光の波長と蛍光体によって放射される光の波長を示しています。
顕微鏡の設計は、通常の明視野顕微鏡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、蛍光体を励起する波長でなければなりません (上記の例では、光は青色です)。次に、顕微鏡は、青色光を遮断しながら、放射光 (緑色光) のみを収集する必要があります。これは、青色光はどこにでもあるが、緑色光はサンプル内の特定の構造からのみ発生するためです。青色光を遮断するために、顕微鏡には通常、青色光なしで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あります。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、フィルターを通過できます。これが「ロングパス」という名前です。より短い波長は遮断されます。
ステップ2: 光学顕微鏡のモデリング
これは顕微鏡設計の基本原則に対する追加ステップです。蛍光顕微鏡を構築する必要はないので、光学を詳しく調べ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を使用してモデル化できます。光線光学の基本的な前提は、光は光源から遠ざかる光と同じように動作するということです。部屋を見回すと、窓の外の日光や電球からの光が見えます。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。反射光の一部は、あなたの目に向けられます。物体が照らされている場合、物体上の各点がすべての方向に光を発していると想像できます (上図)。レンズは、私たちの目のレンズと同様に、光を一点に集めて物体を見ることができます。レンズがなければ、光は外側に移動し続けて画像を形成しません。
では、小さな物体を拡大する光学システムはどのように作られるのでしょうか。設計を理解するには、薄レンズの結像方程式と拡大方程式という 2 つの方程式を知っておくだけで十分です。
1/f=1/si + 1/so
M=-si/so
f はレンズの焦点距離です。焦点距離が短いほど、レンズの焦点合わせ能力が高くなります。
物体距離、つまりレンズと物体（木など）の間の距離についても同様です。
siは像距離、つまりレンズと像が形成される場所との間の距離である。
M は倍率、つまり物体に対する像の大きさです。顕微鏡の場合は、倍率を上げます。
薄レンズ方程式の完全なチュートリアルについては、この Khan Academia ビデオをご覧ください。上の GIF では、物体がレンズに近づくにつれて像の距離が長くなり、倍率が上がることがわかります。2 つの矢印が付いた垂直線はレンズを示しています。
