- Статьи
- Наука и техника
- Камерные джунгли: прозрачные организмы станут заметными благодаря новой подсветке
Камерные джунгли: прозрачные организмы станут заметными благодаря новой подсветке
Российские ученые разработали и запатентовали лабораторное устройство с подсветкой для изучения водных проб. Изобретение позволяет получать качественное изображение даже прозрачных микроорганизмов. Материал изделия образует единую оптическую среду с водой, при этом светодиодные матрицы, вмонтированные в стенки устройства, создают эффект, как будто наблюдаемые объекты подсвечены изнутри. Прибор потребляет незначительное количество энергии и может быть запитан даже от литиевого аккумулятора.
Как подсветить миниатюрные объекты
В Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина (ИБВВ) РАН разработали устройство, которое позволяет получать детальное изображение прозрачных и полупрозрачных микроскопических объектов. На изобретение получен патент РФ. Устройство предназначено для изучения планктона и бентоса.
Как рассказали разработчики, в основе изобретения — известная в научном мире камера Богорова. Это приспособление, которое специалисты используют на протяжении более 100 лет. Приспособление представляет собой пластину с бороздками в виде лабиринта, в которые помещают водную пробу. Просматривая ее под микроскопом, ученый продвигается от одного конца бороздок к другому. При этом проба не перемешивается, и исследователь знает, какую часть он уже просмотрел.
— В этом хорошо зарекомендовавшем себя устройстве есть свои недостатки. В частности, обычно при использовании камеры Богорова исследователь использует подсветку самого микроскопа. Однако при прохождении света через границы сред — воды, воздуха и материала, из которого сделана камера, — возникают искажения, которые влияют на качество изображения. Чтобы компенсировать это, производители оборудования применяют дорогостоящие системы, но мы пошли другим путем, — объяснил «Известиям» изобретатель, начальник экспериментальной мастерской ИБВВ РАН Михаил Дудаков.
Во-первых, рассказал он, суть предложенной модификации в применении нового типа пластика и технологии вакуумного литья. Камера изготавливается из прозрачного материала с коэффициентом преломления света, близким к воде. В результате создается оптически однородная среда между жидкостью и стенками камеры. Во-вторых, инновация заключается в светодиодных матрицах, которые вмонтированы в стенки камеры. Они образуют световой поток, который попадает в микроскоп только при взаимодействии с наблюдаемым объектом.
Таким образом создается эффект, при котором светятся только сами объекты наблюдения внутри темного поля — они как бы подсвечиваются изнутри. В результате ученые видят их в лучшем качестве и могут в деталях рассмотреть даже прозрачные организмы.
— Если свет проходит через несколько преломлений, он сильно рассеивается. Кроме того, зачастую объект, который мы рассматриваем, недостаточно освещен. В результате мелкие детали плохо различимы. Раньше камера Богорова представляла собой просто особой формы лабораторный сосуд. Вся нагрузка по получению качественного изображения лежала на микроскопе. С его помощью происходило увеличение и подсвечивание объекта. Благодаря подсветке, вмонтированной в камеру, последняя взяла на себя эту функцию, — прокомментировала разработку старший научный сотрудник лаборатории гидробиологии «АтлантНИРО» Анна Семенова.
Как отметила специалист, благодаря такому простому инструменту достигается качество, которое сопоставимо с картинкой, полученной на топовых микроскопах. Это большое подспорье в работе исследователя, поскольку в итоге ему удается обработать больше материала и при этом меньше устают глаза.
Почему водные организмы прозрачные
— Многие планктонные организмы живут в среде, куда не проникает солнечный свет, поэтому им не нужны пигменты для окрашивания. Кроме того, производство таких веществ требует дополнительной энергии и ресурсов, на чем мельчайшие водные обитатели предпочитают экономить. Поэтому они остаются прозрачными, что создает проблему для исследователей, — пояснила «Известиям» профессор кафедры экологии и природопользования Сибирского федерального университета Елена Мучкина.
Эта проблема решается различными способами, сообщила специалист. Например, для изучения водных организмов используют флуоресцентные микроскопы, позволяющие видеть микрообъекты, которые подсвечены отраженным светом. Однако эти методы требуют длительной пробоподготовки и дорогостоящих реактивов. Разработка ученых позволяет изучать микроорганизмы без лишних затрат и сразу после отбора проб.
По словам Михаила Дудакова, модифицированные камеры запитываются от стандартного литиевого аккумулятора, что дает возможность использовать их практически в любых условиях. В том числе в экспедициях во время полевых работ. Вместе с тем устройство потребляет мало энергии (0,2–1,4 Вт), что обеспечивает до 25–30 часов автономной работы. Также низкое потребление энергии предотвращает нагрев пробы и позволяет не прерывать исследовательский процесс для ее остывания.
Как отметил изобретатель, материал, из которого выполнено изделие, не боится реагентов и выдерживает воздействие формалина, спиртов, а также азотной и соляной кислот в концентрации до 50%. Вместе с тем встроенные светодиодные матрицы и кабели герметичны и допускают погружение в воду на любое время.
— Современные профессиональные микроскопы с качественной оптикой (типа Olympus, Leica или Levenhuk), проходящим и отражающим светом, которые подчеркивают фазовый контраст, дают четкое изображение без шероховатостей и помутнения и, как правило, справляются с поставленной задачей и без подсветки. Но это вопрос оснащенности лабораторий, — отметила завлабораторией прибрежных исследований Северного филиала ФГБНУ «ВНИРО» Мария Зметная.
По ее словам, предложенная технология будет эффективна при использовании стандартных микроскопов, используемых повсеместно.
Соавтор проекта «Наша лаба» Ольга Тарасова обратила внимание на то, что в силу простоты изготовления и эксплуатации изобретение подходит для массового внедрения и найдет свою нишу не только в научно-исследовательской работе, но и при решении практических задач. Например, в экспресс-анализе воды для сельскохозяйственных нужд. Также камера с подсветкой может стать удобным дополнением к детским учебным наборам с микроскопами.
— Исследование водных организмов в полевых условиях — сложная задача. Основные трудности связаны с их малым размером, хрупкостью и сложностью фиксации без искажения структуры. Зачастую ученые ограничены нехваткой электроэнергии, колебаниями температуры, отсутствием нужного освещения, что может повлиять на точность наблюдений, — рассказал молекулярный биолог, научный сотрудник факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова Сергей Харитонов.
Вместе с тем, заметил он, традиционные методы визуализации микроорганизмов требуют специализированного оборудования, сложной оптики и трудоемких методик пробоподготовки.
В силу сказанного, подчеркнул эксперт, разработка актуальна благодаря своей простоте и надежности конструкции. При этом изобретение решает сразу несколько проблем. Во-первых, модифицированная камера помогает наблюдать микроорганизмы в их естественной среде. Во-вторых, она адаптирована к самым непритязательным условиям и не требует постоянных источников питания.
