Kính hiển vi phân cực là gì? Nguyên lý - Ứng dụng

Đăng ngày 2 năm trước

Kỹ thuật hiển vi phân cực thường ứng dụng trong ngành nghiên cứu địa chất và khoa học vật liệu để xác định các khoáng chất dựa trên đặc tính khúc xạ và mầu sắc. Trong ngành sinh học, kính hiển vi phân cực thường được dùng để xác định hoặc chụp ảnh các cấu trúc khúc xạ kép như tinh thể hoặc quan sát Xenluloza trên thành tế bào thực vật hay các hạt tinh bột.

Kính hiển vi phân cực là gì?

Kính hiển vi phân cực hay kính hiển vi thạch học là một phương pháp quan sát hiển vi giúp nâng cao độ tương phản và chất lượng hình ảnh. Đây là sự lựa chọn lý tưởng để quan sát các mẫu vật lưỡng chiết (Vật liệu lưỡng chiết là vật liệu khúc xạ ánh sáng theo hai hướng), có sự khác biệt khúc xạ đo được xác định bởi hướng quan sát ống kính phân cực trên kính hiển vi.

Kính hiển vi phân cực, nguyên lý,ứng dụng

Các vật liệu bất đẳng hướng có thể được nghiên cứu dưới kính phân cực , làm tăng chất lượng hình ảnh tương phản nhiều hơn so với các kỹ thuật quan sát khác, chẳng hạn như nền tối hoặc nền sáng, DIC, huỳnh quang và phản pha .

Kính hiển vi phân cực thường được sử dụng bởi các nhà địa chất, nhà hóa học và khoáng vật. Gần đây, loại kính này cũng được đưa vào sử dụng trong sinh học.

Khúc xạ kép là chìa khóa của hiển vi phân cực

Vật thể khúc xạ kép có đặc tính để tách chùm sáng thành hai chùm chị em qua quá trình khúc xạ. Vật liệu khúc xạ kép bao gồm các vật liệu có cấu trúc phân tử ngăn nắp như tinh thể Canxit hoặc Bo Nitrit. Các mẫu sinh học – như Xenluloza hoặc tinh bột – cũng là mẫu khúc xạ kép. Khi kết hợp với ánh sáng phân cực tuyến tính, khúc xạ kép có thể được sử dụng trong kỹ thuật hiển vi để tạo ra quá trình giao thoa giữa chùm sáng chị em, kết quả sẽ tạo ra các hiệu ứng mầu như vành sáng hoặc chiếu rõ các cấu trúc.

Hình 1: Nguyên lý của hiển vi phân cực: Ánh sáng được phân cực bởi bộ phân cực thứ nhất (1). Sau khi đi qua bộ phân cực thứ nhất (1), ánh sáng được lấy tiêu cự trên mẫu bằng một bộ tụ hiển vi. Nếu mẫu là khúc xạ kép hoặc có cấu trúc khúc xạ kép thì mặt phẳng phân cực của một phần ánh sáng sẽ được xoắn vòng 90° (được thể hiện bằng vạch đỏ trên hình vẽ). Ảnh mẫu vật được phóng đại bằng vật kính và đi tới bộ phân cực thứ hai (2). Nếu bộ phân cực thứ hai (2) được xoắn vòng 90° so với vị trí của bộ phân cực thứ nhất (1) (được gọi là “vị trí tối”) thì chỉ có phần ánh sáng đi qua vật liệu khúc xạ kép mới có thể đi qua và nhìn thấy được. Do đó, chỉ có cấu trúc phân cực mới có thể quan sát được.

Trục quang của kính hiển vi phân cực

Kính hiển vi quang học thông thường yêu cầu có thêm ít nhất hai bộ phận để có thể thực hiện được kỹ thuật tương phản phân cực. Để phát hiện được khúc xạ kép thì cần sử dụng nguồn sáng phân cực tuyến tính. Do đó, hai bộ lọc phân cực được lắp thêm vào trục quang của kính. Bộ lọc phân cực thứ nhất có chức năng tạo ra ánh sáng phân cực để chiếu xuống mẫu và bộ lọc phân cực thứ hai được gọi là bộ phân tích, có chức năng giới hạn ánh sáng thu được trở thành ánh sáng khúc xạ.

Các bộ lọc phân cực phải được thiết kế vuông góc 90° với nhau để đặt được vị trí được gọi là “vị trí tối”. Khi các bộ lọc phân cực được xác lập ở vị trí này, không có ánh sáng đi qua máy ảnh hoặc thị kính và hình ảnh mẫu vật bị tối đen. Thiết lập vị trí tối là bước quan trọng trong hiển vi ánh sáng phân cực vì yếu tố này đảm bảo chỉ có ánh sáng có biến đổi về mặt phẳng phân cực với mẫu mới có thể quan sát được.

Bộ phận phân cực và phân tích

Khi ánh sáng đi qua bộ phân cực thứ nhất thì ánh sáng phân cực tuyến tính sẽ được tạo ra. Nếu ánh sáng phân cực tuyến tính đi qua một vật liệu khúc xạ kép trên mặt phẳng phân cực có vị trí phù hợp thì ánh sáng đó được khúc xạ và chia thành hai chùm sáng chị em, và mặt phẳng phân cực của một phần chùm sáng được xoay tới góc 90°. Chùm sáng khúc xạ sau đó đi qua bộ phân cực thứ hai (bộ phân tích), nếu được điều chỉnh ở vị trí phù hợp (có góc 90° so với bộ lọc phân cực thứ nhất). Do đó, chỉ những vật liệu khúc xạ kép mới tạo ra ảnh trong kính hiển vi phân cực.

Hình 2: Ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng được tạo ra bởi một bóng đèn không được phân cực. Điều đó có nghĩa là các sóng điện từ dao động ở tất cả các hướng. Nếu nguồn sáng không phân cực đi qua bộ phân tích thứ nhất (1), thì quá trình phân phân cực sẽ diễn ra, trong trường hợp ánh sáng phân cực theo chiểu thẳng đứng. Nếu ánh sáng phân cực sau đó đi đến bộ phân cực thứ hai (2) có góc 90° so với bộ phân cực thứ nhất (1) thì không có ảnh nào đi qua bộ phân cực thứ hai (2). Do đó, nếu hai bộ phân cực được đặt ở góc 90° so với nhau thì được gọi là “vị trí tối” vì không có ánh sáng nào có thể nhìn được sau bộ phân cực thứ hai (2).

Yêu cầu quan trọng là trục phân cực của vật liệu khúc xạ kép được phát hiện cũng là trục khi ánh sáng được tạo ra bởi bộ phân cực thứ nhất. Do đó, nhiều kính hiển vi phân cực được trạng bị bệ mẫu dạng xoay tròn để đảm bảo bảo quá trình hiệu chỉnh mặt phẳng phân cực của vật thể quan sát được đồng trục với mặt phẳng phân cực của bộ phân cực thứ nhất. Có nhiều loại phụ kiện được thiết kế để đáp ứng các ứng dụng đặc biệt trong trong kỹ thuật hiển vi phân cực.

Thấu kính Bertrand được sử dụng để quan sát điểm hội tụ các hình thái tinh thể tại khẩu độ phía sau thấu kính. Ngoài ra, bộ bù hoặc tấm hãm cũng rất hữu dụng khi phân tích định lượng đối với các mẫu khúc xạ kép.

Cấu tạo của kính hiển vi phân cực

Kính hiển vi phân cực bao gồm các yếu tố của một kính hiển vi cơ bản (xem thêm Cấu tạo kính hiển vi), kèm một số yếu tố bổ sung. Loại kính này được biến đổi từ kính hiển vi phức hợp. Kính hiển vi soi nổi cũng có thể thay đổi để quan sát phân cực (xem thêm Kính hiển vi soi nổi).
Trong cấu tạo của kính hiển vi phân cực có bổ sung những phần sau :

- Một bộ phận phân cực và phân tích
- Một bàn đặt mẫu xoay tròn
- Tấm sóng hoặc bộ lọc đặt giữa các vật quan sát và đường truyền ánh sáng.
- Ống kính Bertrand
- Phía dưới kính hiển vi phân cực là một nguồn sáng hướng lên một bàn mang mẫu xoay tròn ( vị trí đặt mẫu ), bộ phân cực ánh sáng - polarizer được đặt ở giữa. Ánh sáng phân cực đi lên qua mẫu vật vào vật kính đặc hiệu. Vật kính đặc hiệu này làm giảm độ nhiễu được tạo ra bởi các thấu kính. Ánh sáng khúc xạ được kết hợp lại bởi một kính phân cực ánh sáng thứ hai được gọi là bộ phân tích - analyzer

- Bộ phân tích được đặt giữa vật kính và thị kính.

- Bộ phân cực chỉ cho phép một số sóng ánh sáng hoặc dao động nhất định đi qua.

- Bộ phân tích , thường là bộ phân cực thứ hai nằm trên mẫu, xác định lượng và hướng của ánh sáng chiếu sáng mẫu.

- Về cơ bản, sự phân cực tập trung các bước sóng và rung động khác nhau của ánh sáng lên một mặt phẳng.

- Mối quan hệ của bộ phân cực và bộ phân tích , ngoài các bộ lọc có thể thêm vào , xác định lượng ánh sáng được hấp thụ , phản xạ, khúc xạ và / hoặc truyền qua kính hiển vi.

- Kính hiển vi phân cực có thể sử dụng ánh sáng truyền qua và ánh sáng phản xạ.

- Ánh sáng truyền qua là ánh sáng khuếch tán từ bên dưới mẫu . Ánh sáng này thường đi qua một tụ quang, cho phép người xem thấy một hình ảnh tương phản được nới rộng.

- Ánh sáng phản xạ , đôi khi được gọi là ánh sáng epi hoặc ngẫu nhiên, thích hợp nhất cho các mẫu đục, chẳng hạn như kim loại, hợp kim, vật liệu tổng hợp và oxit khoáng sản và các loại khoáng sunfua .

Mẫu vật sử dụng cho quan sát

- Không phải tất cả các mẫu đều thích hợp để quan sát bằng kính hiển vi phân cực. Chỉ mẫu vật bất đẳng hướng mới cho ra hình ảnh hữu dụng. Vật liệu bất đẳng hướng là vật liệu không có sự phân bố đồng đều về tính chất. Điều này có nghĩa là nếu ánh sáng được truyền qua vật liệu theo hướng không điển hình, ánh sáng sẽ được chia thành hai tia riêng biệt hoặc dạng sóng. Đây là phản ứng thường thấy trong thạch anh hoặc tinh thể tourmaline, đó là lý do các nhà địa chất và khoáng học sử dụng kính hiển vi phân cực.

Kính hiển vi phân cực hoạt động như thế nào?

Khi ánh sáng từ nguồn ánh sáng đi qua bộ phân cực , nó tạo ra ánh sáng phân cực phẳng. Không đi quá sâu vào kiến thức khoa học, điều này về cơ bản có nghĩa là thay vì đi bằng nhau trong mọi hướng, ánh sáng đi trên một con đường bằng phẳng duy nhất. Khi con đường duy nhất này của ánh sáng tương tác với các vật liệu bất đẳng hướng , nó được chia thành hai con đường của ánh sáng được gọi là tia thường và tia bất thường. Mỗi tia mang thông tin khác nhau về mẫu vật. Bộ phân tích - analyser sẽ đặt hai tia này trở lại với nhau để chúng có thể được xem như là một hình ảnh duy nhất .

Ứng dụng kính hiển vi phân cực