вроде мальтийского креста. Эта картина обычна для многих кристаллических образований, и изображение отражает наличие в зернах сферулитовой структуры (рис. 2.3, Е—3).

5. Вращая столик с препаратом, вы можете наблюдать изогиры (темные линии на зернах), которые остаются в одном и том же положении по отношению к скрещенным волоскам (в окуляре), хотя физически морфология зерна по отношению к скрещенным волоскам изменяется.

Таким образом, поглощение света зависит от ориентации плоскости колебаний световой волны по отношению к чему-то в веществе, сквозь которое проходит свет. Данное явление получило название плеохроизма. Молекулы красителей конго-рот и метиленового синего имеют кирпичеобразную форму (рис. 2.3, A и Б). Их плеохроизм проявляется в том, что цвет виден в случае, когда плоскость колебаний проходящего света параллельна длинной оси молекул. Такие красители полезны для выявления деталей в ориентированных образцах, например в волокнах целлюлозы. Здесь молекулы красителя встраиваются между микрофибриллами параллельно их направлению и указывают на эту ориентацию при выявлении плеохроизма. Если молекулы вообще бесцветны, когда плоскость колебаний световой волны совпадает с их короткой осью, то такой вариант плеохроизма называется дихроизмом. (Не путать с дихроическими зеркалами и т. п., используемыми в флуоресцентной микроскопии и в некоторых других случаях.) Аналогичными свойствами обладают йод и золото.

5.2. Использование скрещенных поляризаторов

Если на пути света, прошедшего через поляризатор, поставить другой поляроид, то он либо пропустит свет,

вслучае когда его разрешенная плоскость совпадает с плоскостью падающего света, либо не пропустит его, когда разрешенная плоскость оказывается перпендикулярной. В последнем случае говорят о скрещенных поляризаторах. Как получить скрещенные поляризаторы и как рассматривать препарат с их помощью, описано

втабл. 2.10 и 2.11.

Таблица 2.12. Использование чувствительной окрашивающей пластинки

1.Проследуйте по этапам 1—5, указанным в табл. 2.11, а затем установите пластинку Красная 1 или чувствительную окрашивающую пластинку в гнездо в задней части объектива или в штативе микроскопа.

2.Рассмотрите цвета крахмальных зерен и соотнесите их с положением скрещенных волосков. Проделайте это при различной ориентации препарата с зернами или аналогичного препарата, которым вы пользуетесь.

3.Отметьте, что фон имеет красный цвет, соответствующий первому порядку цветовой шкалы Ньютона.

4.В основном тексте прочтите объяснение получающихся цветов.

Некоторые из поляризационных световых микроскопов имеют следующие приспособления, сделанные для повышения точности регулировки, но не абсолютно необходимые для получения нужного контраста.

1.Конденсор и в особенности объективы свободны от внутренних напряжений.

2.Поляризатор вращается в оправе, на которой указано направление его плоскости пропускания света.

3.Столик вращается, и в тубусе микроскопа имеются гнезда для установки различных пластинок, одна из которых (известная как пластинка, чувствительная к красному —

Sensitive Red 1) будет рассмотрена в разд. 5.2.2.

4.Второй поляризатор, называемый анализатором, находится в расположенной ближе к окуляру специальной оправке, которая позволяет вводить и выводить его из хода лучей.

5.Скрещенные волоски располагаются в плоскости первичного изображения внутри окуляра. Они позволяют проводить тонкую настройку поляризаторов.

Снашей точки зрения, приспособления, включающие скрещенные волоски, помогают при интерпретации изображений, получаемых с помощью поляризованного света. Для упражнений может быть использован простой поляризационный микроскоп, снабженный тем, о чем говорилось выше.

5.2.1. Формы двулучепреломления

Если просто поместить гистологический препарат между скрещенными поляризаторами, как предложено в табл. 2.11, то в срезе ткани можно обнаружить кристаллические участки, которые будут резко контрастными на фоне аморфного вещества. Данный метод широко используется при изучении костей, волос и зубов.

Контраст между крахмальными зернами и фоном или между кристаллами и некристаллическими участками в ткани возникает благодаря ориентации и особым свойствам кристаллов

Визуализация прозрачных препаратов путем контрастирования и их воздействию на свет. Детально

29

рассматривать это явление мы не будем. Отметим лишь, что светлые участки выглядят так потому, что находящиеся в них структуры имеют две основные оси с различными показателями преломления вдоль них. В зависимости от направления плоскости колебаний по отношению к этим осям свет ведет себя по-разному. Такие материалы называются двулучепреломляющими и анизотропными. Если поместить исследуемый препарат между скрещенными поляризаторами, то различие в контрасте между двулучепреломляющим и обычным веществом будет значительным. В некоторых случаях бывает полезно немного повращать поляризаторы друг относительно друга, чтобы сделать изотропные участки в препарате видимыми благодаря их поглощению. Такие препараты, как целлюлоза, крахмал, хлоропласты и волокна митотического веретена, имеют сложную структуру, которая дает по крайней мере две формы двулучепреломления. На рис. 2.3, В и Г приведены структуры, состоящие из стержней или слоев с коэффициентом преломления nr и n1 и находящиеся в растворе с коэффициентом преломления nр. Помещенные между скрещенными поляризаторами, эти структуры будут давать при вращении двулучепреломление, которое определяется в той или иной степени их формой. В среде с коэффициентом преломления, равным nr или n1, указанного выше двулучепреломления не будет, а сохранится лишь остаточное двулучепреломление, обусловленное внутренними свойствами стержней или слоев. Измеряя изменение двулучепреломления в зависимости от коэффициента преломления среды (nε - nω), можно получить семейство графиков (рис. 2.3, Д)г которое служит для разделения различных форм двулучепреломления.

5.2.2. Направление двулучепреломления

Направление двулучепреломления можно определить с помощью компараторного кристалла, например чувствительной цветной пластинки. Описание данного метода приведено в табл. 2.12. Использование кристалла весьма полезно также для достижения контраста между областями, в которых есть ориентированные оси с минимальным и максимальным показателями преломления, или между двулучепреломляющими областями и аморфными структурами.

Пластинка Красная 1, будучи повернутой на 45° по отношению к скрещенным поляризаторам, дает красновато-розовое окрашивание фона. Это происходит потому, что плоскополяризованный белый свет, входя в пластинку, расщепляется на два луча, которые имеют два разных коэффициента преломления из-за ее двулучепреломления. Поскольку коэффициент преломления n пластинки в обозначенном направлении медленной оси (ST на рис. 2.3, 3) больше, чем в перпендикулярном направлении n , то луч, колеблющийся в направлении большего показателя преломления, отстает от другого луча. При входе в анализатор оба луча вновь разделяются на две компоненты, и, проходя сквозь анализатор, компоненты каждого из лучей интерферируют друг с другом. Разность длин оптических путей (р. о. п.) двух лучей подбирается таким образом, чтобы амплитуда для зеленого света была сведена к нулю. Белый свет после вычитания зеленого дает цвет, называемый Красный 1. С практической точки зрения важно помнить, что стрелка на пластинке указывает на направление ее наибольшего показателя преломления. Разность двух показателей преломления (n - n ), определяющая величину двулучепреломления, естественно зависит от толщины пластинки, таким образом, р. о. п. может быть представлена в виде формулы:

р. о. п. = (n - n ) X t

(3)

Окраска и яркость правильно установленного между скрещенными поляризаторами материала дает информацию о степени его кристалличности и об ориентации структур, либо ориентации внутри структур. Пластинка Красная 1 имеет р. о. п. 550 нм, и, таким образом, она эффективно удаляет зеленую компоненту белого света. Другие цвета в изображении также могут быть интерпретированы как р. о. п. в соответствии с кольцами Ньютона. Если толщина образца известна, то величина двулучепреломления может быть вычислена из уравнения (3).

Теперь рассмотрим окраску крахмальных зерен (табл. 2.12, стадия 2 и рис. 2.3, Ж) . В ней произойдут значительные изменения по сравнению с тем, что описывалось ранее (табл. 2.11, стадия 4). Зерна будут разделены на желтые и синие квадранты с красными изолиниями вместо черных. Цвета остаются в тех же квадрантах (по отношению к скрещенным «проволочкам») и в том случае, если вращать препарат. Фон всегда сохраняется соответствующим цвету Красный 1.

Результат применения пластинки состоит в том, что появляется новый вид контраста, что само по себе ценно. В итоге зерна легче сфотографировать. Встроенный экспонометр может измерять освещенность всего поля зрения (см. гл. 3). Для получения хорошей фотографии отдельных зерен при скрещенных поляризаторах требуется использование точечного фотометра.

Второй пункт, возможно, более важен для получения дальнейшей информации о препарате. Можно получить цвета либо выше по шкале Ньютона (синий — дополнительный цвет), либо ниже по шкале Ньютона (желтый — вычитаемый цвет). Чтобы получился дополнительный цвет, р. о. п. должна быть больше, так что пара осей в двулучепреломляющем объекте в этом участке препарата должна иметь ту же ориентацию, что и в пластинке Красная 1. Другими словами, направление, соответствующее большему показателю преломления, должно быть параллельно медленной оси пластинки Красная 1, которая указана стрелкой.

В структуре крахмальных зерен есть синие области, где ось, вдоль которой показатель преломления максимален, параллельна, медленной оси пластинки Красная 1, и желтые области, где ось, вдоль которой показатель преломления максимален, перпендикулярна оси пластинки.

30

Эти области располагаются по радиальным направлениям от центра зерна. С помощью рис. 2.3, Е и Ж сферулитовые структуры можно классифицировать как позитивные или негативные.

При вращении зерен расположение цветов остается неизменным, а окраска квадрантов зерен изменяется в зависимости от их положения по отношению к перекрестью. Здесь полезно, как рекомендовалось выше, сделать зарисовки полей зрения для лучшего их запоминания и интерпретации. Дальнейшие подробности по исследованию крахмала в поляризованном свете можно найти у Фрей-Висслинга [6].

5.3. Использование поляризационной микроскопии в биологии

Мы не будем здесь давать обзор многочисленных применений поляризованного света, но два момента необходимо рассмотреть в дополнение к тем кратким сведениям о плеохроизме и двулучепреломлении, которые были даны в разд. 5.1 и 5.2.

1. Во многих случаях плоскополяризованный свет может быть полезен для повышения контраста и уменьшения освещенности фона (разд. 6.3). Когда свет отражается от поверхностей, плоскость его колебаний изменяется так, что становится возможным отсечь блики, удаляя при помощи поляризатора колебания в новых направлениях. Недавно плоскополяризованный свет был применен для изучения иммуноцитохимических препаратов, окрашенных антителами, конъюгированными с золотом, с последующим усилением серебром. Один из исследователей, используя плоскополяризованный свет для изучения ряда образцов, окрашенных этим способом, обнаружил, что содержащие золото области имели зеленую плеохромную окраску [McKenzie, устное сообщение].

Рис. 2.4. Ход лучей при интерференционной микроскопии. А. Интерференционный контраст (DIC). Б, Интерферометрический микроскоп Жамина—Лебедева. Стрелки на рисунках поляризаторов показывают направление распространения световых лучей. Другие стрелки на схемах также показывают направление световых лучей. (∆ — разность длин оптических путей). Оба рисунка воспроизводятся по работе Спенсера [10] с

разрешения Cambridge University Press. Обратите внимание на величину интенсивности света, проходящего через структуры в случае А, и сравните их с границами ядра на рис. 2.7, А к Б. В случае Б обратите внимание на величину бокового сдвига, которая в варианте Смита составляет, например, 330, 160 и 27 мкм для объективов Х10, Х40 и Х 100соответственно.

2. Поляризованный свет используется в большинстве существующих интерференционных микроскопов, работающих с дифференциальным интерференционным контрастом (DIС), а также в некоторых интерферометрических микроскопах (разд 6.1) Взаимодействие света с веществом в этих микроскопах требует особого рассмотрения. Поляризованный свет используется в них только для расщепления луча, а рекомбинация достигается за счет самого микроскопа. Дальнейшую информацию по применению поляризованного света в биологических исследованиях читатель может найти в книгах Рутмана [7], Шмидта и Кейля [8], ФрейВисслинга [6] и Релофсена [9], которые в основном посвящены исследовании полисахаридов, таких, как крахмал, целлюлоза и гликоген.

5.4. Резюме: контрастные изображения, получаемые с помощью поляризованного света

Применение поляризованного света может обеспечить отличный контраст благодаря практически полному подавлению фонового свечения с помощью скрещенных поляризаторов, а также яркому и цветному высвечиванию препарата. Кроме того изображение можно интерпретировать в понятиях коэффициентов преломления, р. о. п. и ориентации осей двулучепреломления. Изображение, создаваемое с помощью скрещенных поляризаторов после их правильной установки дает картину двулучепреломляющих структур в поле зрения. Используя плоскополяризованный свет (без установки анализатора) и вращая образец, можно создать карту его плеохроичных областей Наличие двулучепреломления указывает на присутствие в препарате каких-то упорядоченных структур.

31

6. Получение контраста интерференционными методами

6.1. Дифференциальный интерференционный контраст (DIC)

Наиболее популярный метод достижения контраста, используемый сейчас даже чаще, чем фазовый контраст, -интерференционный контраст по Номарскому. Он уже давно применяется в материаловедении, где часто используется падающий свет, а теперь метод Номарского быстро вытесняет фазовый контраст в биологических исследованиях. Принцип метода состоит в том (рис. 2.4, A), что луч плоскополяризованного света расщепляется призмой Волластона на два луча. Оба они проходят через объект очень близко друг к другу, однако достаточно далеко для глаза наблюдателя что создает эффект объемности за счет различий в интенсивностях освещенности деталей в конечном изображении. Два луча совмещаются второй призмой Волластона, расположенной в з. ф. п. объектива. Анализатор завершает формирование изображения. Два луча имеют боковой сдвиг друг относительно друга, и направление сдвига воспринимается как направление подсветки изображения с одной стороны (рис. 2.7, A). На рис. 2.4, А показан ход лучей. Обратите внимание, что вторая призма Волластона подвижна относительно первой, что дает возможность настройки микроскопа. Разность длин оптических путей двух лучей обычно устанавливается так, чтобы получился так называемый нулевой серый фон, на котором объект будет ограничен соответственно светлой или темной каймой. Однако, перенастроив микроскоп, можно добиться поворота тени на 180°. Поворот тени дает интересный эффект. Препарат, который сначала имел сходство с яичницей-глазуньей, после перенастройки приобретает вид пластинки с углублениями (рис. 2.7, А и Б). Это необходимо учитывать, представляя фотомикрографии, полученные этим методом. Аналогичный результат может получиться, если поворачивать отпечаток.

Сильно передвинув призму Волластона, можно получить окрашенное изображение на приятном цветном фоне. Цвета снова относятся к отрицательной части интерференционной шкалы Ньютона для белого света. Микроскопы, работающие в падающем свете, имеют лишь одну призму Волластона, которая служит одновременно для освещения и в качестве призмы объектива. Для тех, кто впервые использует DIC-метод, описание его приведено в табл. 2.13.

Обратите внимание, что в DIC-микроскопе скрещенные поляризаторы расположены по ходу лучей, так что любое двулучепреломляющее вещество в препарате при определенной ориентации будет ярко светиться. Кроме того, следует помнить, что направление тени может совпадать с направлением линейных структур в препарате и тогда они не дают нормальной границы (данный случай с практической точки зрения рассмотрен в разд. 6.1

гл. 9).

6.1.1. Использование дифференциального интерференционного контраста

Метод DIG будет еще несколько раз упоминаться в следующих главах, так как он широко используется для изучения неокрашенных препаратов. Это превосходный метод для визуализации р. о. п. в препарате. Эффект достигается за счет образования тени на границах областей с р. о. п. Однако данный метод не следует применять для количественных измерений оптических путей. Для этой цели используется микроскоп Жамина

— Лебедева или другой тип интерферометрического микроскопа (разд. 6.2).

Таблица 2.13. Протокол установки дифференциального интерференционного контраста

1.В описании микроскопа посмотрите маркировку установленных в конденсоре призм Волластона для соответствующих объективов.

2.Приготовьте препарат клеток буккального эпителия в слюне или в изотоническом растворе (табл. 2.1). Накройте их покровным стеклом толщиной 0,17 мм.

3.Наладив освещение по Кёлеру, установите интерференционный конденсор для нормального режима освещения (вынимая конденсор из коробки, вы, возможно, заметите, что на оправе его нанесена метка, указывающая направление сдвига лучей).

4.Установите поляризатор.

5.Найдите клетки, ориентируясь либо по пузырькам воздуха в слюне, либо вновь закрывая диафрагму конденсора для усиления контраста в поглощенном свете.

6.Вращая револьвер конденсора, установите соответствующую объективу призму Волластона.

7.Выньте окуляр и рассмотрите з. ф. п. объектива.

8.Установите анализатор таким образом, чтобы он находился в скрещенном с поляризатором положении, и, слегка двигая верхнюю призму Волластона, получите в з. ф. п. полосу минимальной интенсивности. Закройте затем апертурную диафрагму до размера, несколько большего, чем диаметр темной полосы.

9.Установите окуляр и посмотрите на изображение. Клетки будут выглядеть трехмерными. Отметьте направление бокового отсвета от них.

10.Слегка перемещая вторую призму Волластона, следите за изображением, и вы увидите, что можно поменять направление бокового отсвета на обратное. Возможно, вы заметите, что

32

в то же время изменилось распределение в изображении «холмов» и «долин».

11.Абсолютно необходимо убедиться, что изображение, которое вы наблюдали, есть следствие определенной установки микроскопа.

12.При такой установке микроскопа за счет разности длин оптических путей для различных деталей препарата и их окружения создается контрастное изображение. Каждое изменение длины оптического пути дает краевой эффект, за счет чего и создается впечатление трехмерности.

13.Для того, чтобы получить цветное изображение, надо вернуться к этапу 8, где, слегка двигая призму в любую сторону от серой полоски нулевого порядка, следует получить окрашенную полоску.

6.2.Интерференционный микроскоп Жамина — Лебедева

Очень ценный метод, в настоящее время исчезающий из многих лабораторий. Он основан на интерференции двух световых лучей, вышедших из одного источника. Можно получить дополнительную информацию о препарате, если пропустить •один луч через препарат, а другой мимо него, и затем сравнить их. Два луча можно совместить, в результате чего получается фон, состоящий из интерференционных полос, которые могут быть интерпретированы как серия контурных линий, обозначающих длины оптических путей, либо одну из полос можно расширить так, чтобы получить «плоский» фон. Препарат искажает картину полос. При монохроматическом свете он дает различную освещенность, а при освещении белым светом — отличную от фона окраску.

Таблица 2.14. Методика применения интерференционной микроскопии по Жамину — Лебедеву

А. Установка интерференционного контраста.

1.Приготовьте препарат клеток буккального эпителия в слюне на предметном стекле толщиной 1 мм и накройте его покровным стеклом толщиной 0,17 мм. 2. Установите освещение по Кёлеру.

3.Установите поляризатор, используя белый свет, объектив Х10 и соответствующий конденсор.

4.Клетки проще всего найти, ориентируясь на пузырьки воздуха в слюне. Жидкость между пузырьками содержит клетки.

5.Установите гониометр на рабочую часть его шкалы и введите четвертьволновую пластинку. С помощью винтов наклона конденсора установите минимальное освещение фона. Это легче всего сделать, заменив окуляр на вспомогательный телескоп и используя з. ф. п. объектива, но в таком случае нужно ввести в ход лучей матовое стекло, чтобы избежать появления спирали, которая видна при непосредственной установке света по Кёлеру.

При первом просмотре з. ф. л. в ней может оказаться цветная бахрома. Ее можно вывести в центр изображения, найдя белый цвет, лежащий между двумя красными цветами. Кольца могут быть расширены или сужены вращением котировочных винтов в противоположных направлениях; при вращении гониометра будет сдвигаться вся цветная картинка.

После того, как вы нашли белую полосу, расширьте полосу Красная 1 так, чтобы по возможности заполнить ею з. ф. п. объектива. Апертурная диафрагма должна быть слегка прикрыта, если это необходимо. Расширением одной из полос два луча разводятся на всем поле зрения на известную разность оптических путей. В случае, если полос много, они оконтуривают возрастающие с обеих сторон от нулевого значения (белая полоса) разности оптических путей.

6.Удалите матовое стекло, вставьте окуляр и рассмотрите клетки с их ядрами. При использовании белого света они будут давать изображение, где контраст между фоном и цитоплазмой достигается за счет разницы в цвете. При использовании монохроматического (зеленого) света разность дли» оптических путей будет проявляться в виде разности интенсивностей.

7.Может возникнуть необходимость рассмотреть какую-либо клетку с помощью объектива Х40. Тогда смените объектив и конденсор и повторите установку света, как указано в пп. 5 и 6.

Б. Проведение измерений с помощью интерференционного микроскопа.

1.Составьте таблицу соответствия цветов фона, цитоплазмы и ядра показаниям гониометра. Найдя угол, необходимый для переноса цвета ядра на фон или цитоплазмы на фон либо наоборот, можно, таким образом, сказать, что данный угол эквивалентен разности длин оптических путей для фона и соответствующей структуры. Калибровка углов гониометра, в частности на длину волны зеленого света, даст разность длин оптических путей в единицах (пункт 2).

2.Если вы используете монохроматический свет (например, 550 нм), то изменения положения гониометра приведут к изменениям интенсивности,. о которых говорилось выше. Вновь проведите калибровку, но в этом случае детали становятся темнее или светлее, так что трудно определить, при каких положениях получаются максимумы и минимумы освещенности. Если; теперь построить график зависимости угла наклона гониометра от изменений фона по сравнению с искомой структурой, то разница в углах будет эквивалентом отношения угла гониометра к разности длин

33