Los microscopios ópticos (aquellos que usan luz visible para crear una imagen de la muestra estudiada) están limitados por la longitud de onda finita de la luz visible. El Criterio de Rayleigh nos da la dimensión máxima que podemos resolver utilizando la luz de una longitud de onda dada. La distancia mínima entre dos características que podemos resolver es, aproximadamente, igual a la longitud de onda que usamos. (Tenga en cuenta que es posible ver un objeto más pequeño, en principio. Pero no podríamos decir si es un objeto, o 3 incluso más pequeños uno al lado del otro, ni decir nada sobre las características del objeto. Simplemente parece una mancha lavada, indistinguible de todas las otras manchas lavadas a su alrededor)
Dado que la luz visible está compuesta de radiación EM de al menos varios cientos de nanómetros de longitud de onda, no podemos distinguir características más cercanas que esos cientos de nanómetros, lo que hace que las células / bacterias pequeñas sean las cosas más pequeñas que podemos distinguir entre sí. Entonces, la idea más directa sería simplemente reducir la longitud de onda de la radiación EM. Si usáramos rayos UV, o incluso rayos X, podríamos obtener una resolución mucho mejor, continúa el pensamiento. El problema aquí es que los rayos UV, y especialmente los rayos X, interactúan de manera muy diferente con la materia. Además de eso, incluso los rayos UV se dispersan en el aire, por lo que se necesita vacío (que no es ideal para muestras biológicas). La óptica de rayos X también es mucho más complicada que la óptica de luz visible en general. Por lo tanto, esta no es una solución factible para nuestro problema de resolución.
Afortunadamente, si está interesado en la estructura interna y el funcionamiento de las células, bacterias, virus e incluso moléculas individuales, existen muchos otros métodos microscópicos.
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El microscopio de sonda de escaneo abarca múltiples métodos que utilizan una pequeña sonda que escanea la superficie de la muestra un punto a la vez. En lugar de usar ondas EM, usan microscopios de fuerza atómica que pueden mostrar características en el rango de decenas a cientos de nanómetros, por ejemplo.
Los microscopios electrónicos disparan un haz de electrones a la superficie. La mecánica cuántica explica que podemos tratar incluso las partículas masivas como ondas. Cuando juegues con la física, encontrarás que cuanto mayor es la energía de los electrones entrantes, menor es la longitud de onda del haz de partículas. Podemos explotar esto para formar haces de longitudes de onda arbitrarias, hasta fracciones de nanómetros. ¡Esto nos permite tomar imágenes de incluso átomos individuales! El método tiene sus límites para aplicaciones biológicas, ya que requiere un alto vacío debido a la dispersión de electrones en las moléculas de aire. Además, la muestra debe ser conductora, ya que las muestras aislantes acumulan una carga negativa que desvía el haz de electrones entrante, distorsionando la imagen adquirida. Existen soluciones a estos problemas, pero generalmente reducen la resolución del método.
Luego están los microscopios ópticos que intentan superar el criterio de Rayleigh con algún truco inteligente. La microscopía de superresolución puede usar, por ejemplo, la fotoexcitación de tintes específicos para llegar por debajo del límite de resolución. Se inyecta un tinte en la muestra biológica y se usa un láser para excitar una transición específica. Probablemente haya escuchado sobre los espectros de emisión y absorción: son la huella digital (de naturaleza cuántica) de cada átomo / molécula. Si conocemos el espectro de absorción de un compuesto, podemos ajustar el láser para excitar una transición específica. Entonces solo buscamos los fotones de la longitud de onda emitida. Esto, junto con las técnicas de escaneo inteligente y la adquisición de datos, puede explotarse para resolver detalles mucho más pequeños que los cientos de nanómetros posibles con el microscopio óptico. En principio, incluso podríamos mirar proteínas individuales (del orden de decenas de nanómetros).