Флуоресцентного: Флуоресцентный микроскоп. Лабораторные микроскопы

Флуоресцентный микроскоп. Лабораторные микроскопы

Флуоресцентный микроскоп – система строящаяся на базе прямого или инвертированного микроскопа проходящего света с добавлением флуоресцентного модуля отраженного света. Флуоресцентные микроскопы универсальны, в большинстве случаев могут быть использованы как микроскопы для работы в видимом проходящем свете. В статье рассмотрены основы формирования флуоресцентного изображения, конструкция флуоресцентных микроскопов, объективы для флуоресценции и специальные высокочувствительные камеры.

Флуоресцентная микроскопия. Основы формирования флуоресцентного изображения.

Флуоресценция – физическое явление, заключающееся в поглощении кванта света веществом, способным флуоресцировать (флуорофором), с последующим быстрым испусканем другого кванта, со свойствами, отличными от исходного. По сути явление флуоресенции представляет из себя переход электронов по энергетическим уровням вещества. Энергия, получаемая атомом вещества при облучении делится на две части. Меньшая расходуется на релаксацию, а большая уходит на излучение фотона определенной энергии. Спектр флуоресценции сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн.

Это явление получило название «Стоксов сдвиг». Его причиной являются безызлучательные релаксационные процессы. В результате часть энергии поглощенного фотона теряется, а испускаемый фотон имеет меньшую энергию, и, соответственно, большую длину волны. Рассмотрим, каким образом испускание и поглощение света реализовано во флуоресцентном микроскопе.

Флуоресцентный микроскоп. Ход лучей при флуоресцентных исследованиях. Конструкция флуоресцентных фильтр-блоков.

Флуоресцентный микроскоп строится на базе прямого или инвертированного лабораторного микроскопа добавлением флуоресцентных модулей: осветителя отраженного света, туррели флуоресцентных фильтр-кубов, специального источника света, и, опционально, план полу апохроматическими объективами (флуотарами), с расширенной спектральной пропускной характеристикой.

Флуоресцентный микроскоп обладает следующим ходом лучей. На рисунке приведена схема прямого микроскопа, в инвертированном микроскопе схема полностью аналогична, только зеркально отражена сверху вниз.

Ход лучей прямого флуоресцентного микроскопа

Из спектра, испускаемого флуоресцентным источником света, вырезается полоса возбуждения необходимой ширины. (На примере это синее возбуждение, около 450 нм). Возбуждающий луч отражается от дихроичного зеркала и попадает на образец через объектив. Дихроичное зеркало отражает лучи до определенной длины волны (в данном случае до 460 нм), и пропускает лучи с большей длинной волны. В образце флуорофоры поглощают возбуждающий синий свет, и испускают более длинноволновое излучение. Флуоресцентное свечение беспрепятственно проходит через дихроичное зеркало, а барьерный фильтр вырезает нам необходимый для изучения спектр. Его необходимость заключается в том, что иногда флуоресцентное свечение находится в очень широком диапазоне длин волн, что мешает исследователю установить природу и свойства интересующего образца.

Флуоресцентный фильтр блок – устройство, объединяющее в себе дихроичное зеркало и два фильтра. Обычно в флуоресцентный микроскоп устанавливается несколько фильтров, способных возбуждать флуоресценцию в различном спектре. В зависимости от флуоресцентных меток или красителей, нанесенных на образец, картина в каждом канале будет отличной. Ядерный материал клетки будет наблюдаться в одном канале, митохондрии в другом, а цитоплазма в третьем. Ни один метод контрастирования не может дать такое радикальное деление образца с малым контрастом.

Флуоресцентный фильтр блок. (флуоресцентный куб), конструкция и спектральная характеристика.

На рисунке изображен флуоресцентный фильтр блок (часто встречается название флуоресцентный куб) U-MWB2, производства компании Olympus, и его спектральная характеристика. Возбуждение 460-490 нм, дихроик 500 нм и эмиссия (или барьерный фильтр) 520+ нм. Это означает, что фильтр широкополосный, и позволяет наблюдать одновременно различный окрас разных флуоресцентных меток.

Осветители для флуоресцентной микроскопии.

Флуоресцентный осветитель должен обладать самым главным свойством: высокая пиковая мощность в каждой интересующей нас зоне спектра, включая ультрафиолет. Распространенными флуоресцентными источниками являются ртутные дуговые лампы HBO, металлогалоидные лампы, ксеноновые источники, лазеры и светодиоды. Рассмотрим подробно преимущества и недостатки источников

Ртутные лампы HBO

Самым распространенным осветителем является ртутная лампа HBO. Она используется как в рутинных лабораторных микроскопах, так и в высококачественных исследовательских системах. Это очень удобный и относительно недорогой осветитель, обладающий высокой мощностью.

Спектральная интенсивность ртутной лампы HBO 100

К недостаткам можно отнести лишь необходимость центровки лампы при установке для отдачи полной мощности, а также относительно короткий срок службы – от 100 до 300 часов в зависимости от модели. После этого срока спектр лампы меняется, уровень мощности падает. Лампу всегда необходимо менять точно в срок.

Ртутные флуоресцентные лампы HBO представлены в нашем каталоге. При установке лампы требуется юстировка оптической системы лампового домика, а также настройка положения лампы. Мы выполняем все необходимые работы по замене лампы, настройке микроскопа и сервисному обслуживанию, но вы можете заменить лампу самостоятельно, предварительно изучив инструкцию.

Спектральная чувствительность металлогалоидной лампы в сравнении со ртутной лампой HBO. Интенсивность пиков металлогалоидной лампы немного ниже, но мощность в межпиковых областях и ширина пиков позволяют получать качественные флуоресцентные изображения.

В последнее время, металлогалоидные флуоресцентные осветители устанавливаются на микроскоп все чаще, срок службы в 2000 часов, отсутствие необходимости юстировки, хорошие спектральные характеристики – все это помогает исследователям решать задачи быстрее. Что касается стоимости, то, конечно, такой источник стоит гораздо дороже ртутных ламп HBO.

Светодиодные флуоресцентные источники

Светодиодные источники света – самое перспективное направление из новых технологий в микроскопии. Эти универсальные полупроводниковые осветители обладают всеми функциями ламп накаливания и газоразрядных ламп, имея при этом возможность работать от батареек, а также низковольтных и недорогих импульсных блоков питания.

Спектральная характеристика светодиодов, использующихся в световой микроскопии.

Обладают меньшей мощностью чем ртутные и металлогалоидные осветители. Широко применяются в рутинных микроскопах, к примеру микроскоп для исследования туберкулеза Zeiss Primo Star iLed.

Лазеры.

Являясь идеальным источником света для флуоресцентной микроскопии широко применяются в конфокальных системах. Мощность лазеров огромна, спектральная характеристика представляющая полоску пропускания в узком диапазоне (1-2нм), высокая производительность и срок службы.
Более подробно о источниках света для световой микроскопии в статье на нашем сайте.

 

Камеры для флуоресцентных микроскопов. Мультиканальная флуоресценция.

Камеры для флуоресцентной микроскопии должны быть высокочувствительными и обладать достаточным разрешением для работы на объективах от 20х до 100х (обычно от 1 до 5 мегапикселей). Про необходимое разрешение микроскопных камер вы можете прочитать в соответствующей статье на нашем сайте.

Чувствительность камеры, высокое соотношение сигнал/шум, хорошее охлаждение – первое на что стоит обращать внимание при выборе камеры для установки на флуоресцентный микроскоп.

Флуоресцентные камеры черно-белые. Красочные флуоресцентные картинки получаются окрашиванием изображения в отдельных каналах в так называемые псевдоцвета. Это происходит в графическом редакторе, или в специальном программном обеспечении, решающем вопросы мультиканальной флуоресценции – объединения флуоресцентных изображений нескольких каналов в одно итоговое. Рассмотрим мультиканальную флуоресценцию на примере изображения кортикальных нейронов. Итоговое изображение сформировано из двух каналов. Изначальные фотографии черно-белые, мы присвоили им псевдоцвета, раскрасив их в синий и зеленый цвет. Обычно цвета выбираются исходя из близости к реальному флуоресцентному свечению получаемому на образце, но это не обязательно. Главное, мы можем детально изучить ядерный материал (синий канал) и дендриты (зеленый). Такой контрастной картины не удалось бы получить без флуоресцентной микроскопии.

Принцип работы флуоресцентного микроскопа — biocommerce.ru

Флуоресцентный микроскоп стал важнейшим инструментом в современной биологии и медицине. Он позволяет детально исследовать динамические процессы на уровне молекулярных и клеточных структур, предоставляя специалистам высокоточные изображения изучаемых объектов.

Флуоресцентный микроскоп для проведения исследований.

Основные понятия

Флуоресценция относится к процессам люминесценции, при которых чувствительные молекулы испускают свет, находясь в электронно-возбужденных состояниях, создаваемых физическими или химическими механизмами.

В данном случае свечение становится следствием воздействия излучений ультрафиолетового или видимого спектра.

Флуоресцирующие молекулы называют флуорофорами. Поглощение и испускание фотонов веществом происходят почти одновременно. При более длительном временном интервале между этими процессами целесообразно говорить о явлении фосфоресценции.

Сфера использования

Высокочувствительные флуоресцентные микроскопы широко используются в медико-биологических областях. Они позволяют наблюдать за локализацией молекул и микроорганизмов, визуализировать и исследовать их специфические особенности.

При этом флуоресценция не оказывает мощного угнетающего действия на клетки, что облегчает мониторинг их внутренних динамических процессов.

Подобные микроскопы также применяются в материаловедении. Они помогают при анализе составов химических субстанций, обнаружении нежелательных вещественных вкраплений, выявлении дефектов поверхностей и решении прочих подобных задач.

Кратко о методе флуоресцентной микроскопии

Метод основан на способности фоточувствительных молекул к структурной интеграции с микрообъектами. Они прикрепляются к образцам с помощью функциональных химических групп и при световом облучении возвращают часть поглощенных фотонов.

Исследователи принимают и анализируют интенсивность волновых сигналов, делая выводы о строении изучаемых объектов и протекающих в них процессах.

Принцип флуоресценции соединений.

Какие процессы участвуют

При флуоресценции происходят поглощение квантов и их последующее частичное высвобождение. Электроны облучаемого флуорофора приобретают дополнительную энергию и на мгновение перемещаются на более высокий энергетический уровень.

При возвращении в первичное состояние происходит высвобождение фотонов во внешнюю среду. В этом процессе часть энергии тратится на восстановление термодинамического равновесия, поэтому величина испускаемой волны больше длины волны возбуждения. Разницу между энергиями возбуждающего и испускаемого излучений называют стоксовым сдвигом.

Формирование изображения

Микроскопы оснащены электронными модулями, позволяющими визуализировать исследуемые объекты при низких уровнях световых сигналов. Эти узлы содержат устройства с зарядовой связью, способные преобразовывать волновую энергию в фототок.

Далее электрические заряды сканируются регистрами сдвига и преобразуются в аналоговые, а затем в цифровые сигналы. На основе полученных данных формируется изображение высокого разрешения в 12- или 16-битном формате.

Ключом к качественной визуализации является правильный подбор оптических фильтров, гарантирующих надежное разделение испускаемого тусклого от возбуждающего яркого света.

Оптическая схема микроскопа.

Подробно о конструкции и принципе работы микроскопа

Устройство разработано на базе традиционного оптического микроскопа, но имеет иной принцип работы. Исследуемый образец помечают люминесцирующими веществами, а затем с помощью сложной системы фильтров собирают испускаемые фотоны и визуализируют микрообъекты.

Устройство микроскопа

В основном прибор обладает всеми модулями, характерными для оптических микроскопов. Однако он, в отличие от них, оснащен флуоресцентным модулем.

Задачами данного технологического узла являются направление возбуждающего излучения на образец и последующее отделение отраженного света от общего потока. Для этого используется сложная система фильтров, объединенных в единый блок.

Также особенностью флуоресцентного микроскопа является тип осветителя. Оптические устройства в качестве источника света используют лампы накаливания с непрерывным спектром и максимумом в красной зоне.

Такие приборы плохо подходят для возбуждения флуоресцирующих красителей, поглощающих излучение в коротковолновом диапазоне. Вместо них применяют галогенные или светодиодные лампы.

Устройство флуоресцентного микроскопа.

Конструкция фильтров-блоков

В основе конструкции микроскопа лежит блок, включающий набор следующих оптических элементов:

• фильтра возбуждения;
• дихроичного светоделителя;
• эмиссионного фильтра.

Фильтр возбуждения принимает излучение от источника света, пропуская длины волн заранее установленного диапазона. Дихроичное зеркало сначала отражает фотоны через оптический объектив на образец, а затем направляет флуоресценцию к системе обнаружения. Далее на пути испускаемого излучения стоит эмиссионный фильтр, который блокирует нежелательные волны.

При установке фильтров важно обеспечить правильный угол наклона и ориентацию относительно светового пути, чтобы эффективно управлять фотонным потоком.

Производители помечают в основном белой точкой отражающую сторону дихроичного зеркала, а на остальных деталях указывают направляющие стрелки.

Конструкция и спектральная характеристика фильтр-блоков.

Используемые осветители

В качестве источников света люминесцентные микроскопы чаще используют галогенные лампы. Они имеют небольшие размеры, хорошую цветопередачу и невысокую стоимость. Однако из-за низкой яркости и малого срока службы эти устройства постепенно вытесняются светодиодными LED-элементами.

Источники света на основе LED-технологии считаются самыми востребованными в современной микроскопии. Это универсальные полупроводниковые осветители, обладающие широким набором спектральных характеристик. Они позволяют использовать излучение в диапазоне от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной зоны.

Ранее в люминесцентной микроскопии широко применялись ртутные лампы высокого давления. Их использование запрещено российским законодательством с 2020 г.

Это надежные и непрерывно работающие установки, обладающие наиболее высокими значениями яркости по сравнению галогенными и светодиодными приборами.

Однако они имеют ряд существенных недостатков: малый срок службы, изменение спектральной характеристики с возрастом и продолжительные интервалы между выключением и включением.

Спектральная интенсивность ртутной лампы НВО 100.

Флуоресцентные камеры

Камера считается одним из важнейших и самых дорогих компонентов микроскопа. Она должна обладать высокой чувствительностью и низким уровнем шума, чтобы захватить как можно больше фотонов.

Для флуоресцентной визуализации предпочтительно монохромное устройство, которое обеспечивает одинаковое обнаружение сигналов на всех пикселях и увеличивает общую чувствительность.

Камера оснащается 1 из 2 типов матриц: прибором с зарядовой связью (CCD) или устройством на металл-оксид-полупроводниковых транзисторах (sCMOS).

Они преобразуют волновые сигналы в электрические заряды, которые поступают на усилитель, а затем передаются в аналогово-цифровой преобразователь.

В CCD-камерах все сигналы сканируются одновременно, что позволяет снизить уровень шума и повысить чувствительность. В sCMOS-устройствах считывание происходит произвольно, вследствие чего возникают нежелательные вибрации, искажается геометрия объектов при визуализации.

Выбор камеры зависит от типа исследуемых образцов, требуемой частоты кадров, угла обзора, разрешения и чувствительности. Например, для промышленных изысканий необходимы высокое качество изображений и скорость работы, а для медико-биологических исследований важнее чувствительность устройства.

Высокочувствительные камеры с большим разрешением.

Обозначения для фильтров

Производители разрабатывают собственные системы кодов для обозначения фильтров, используемых во флуоресцентной микроскопии, что нередко приводит к путанице в терминологии. Кодировка в основном отражает вещественный состав изделия или его функциональные свойства.

При маркировке фильтров возбуждения часто используют аббревиатуры UG и BG, обозначающие ультрафиолетовое и синее стекла соответственно.

Современные фильтры высокого разрешения с интерференционной оптикой многими производителями кодируются сокращением IF. На узкополосных моделях встречаются символы KP или SP.

Дихроичные светоделители маркируются следующими акронимами: DM — дихроичное зеркало, CBS — хроматический светоделитель, TK — щелевой делитель, FT — делитель цвета, RKP — узкополосный отражатель. Все эти обозначения взаимозаменяемы.

Эмиссионные фильтры кодируются следующими символами: L или LP — широкополосный элемент, GG или Y — желтое стекло, OG или O — оранжевое стекло, RG или R — красное стекло, BA — запирающее стекло, K — щелевой фильтр.

Иногда наряду с акронимом присутствует числовое значение, указывающее на длину волны в нанометрах, на которой фильтр достигает половины величины максимальной пропускной способности.

Флуоресцентный светофильтр.

Скорость обесцвечивания образцов

При исследовании микропрепаратов важно учитывать скорость процесса фотообесцвечивания — необратимого распада фоточувствительных молекул вследствие окисления их кислородом под воздействием светового потока высокой интенсивности.

Фотообесцвечивание неминуемо, но его скорость зависит от реакционной способности и окружения флуорофоров.

Для замедления процесса исследователи используют:

• специальные реагенты, способные менять фотофизические свойства флуорофоров посредством варьирования функциональных групп;
• фотостабильные красители;
• фильтры нейтральной плотности, уменьшающие количество фотонов, падающих на образец.

Кроме того, необходимо снижать интенсивность светового излучения и сокращать продолжительность волнового воздействия.

Иногда образец содержит собственные молекулы или органеллы, способные к люминесценции. Нередко они испускают волны той же длины, что и искусственно внедренные флуорофоры.

При визуализации сложно различать ожидаемые и эндогенные сигналы. В этом случае фотообесцвечивание может оказаться полезным. Образец подвергают длительному воздействию ультрафиолета для разрушения его собственных фоточувствительных компонентов. Затем в структуру изучаемого объекта внедряют флуоресцентные белки, с помощью которых осуществляют визуализацию.

О флуоресцентном микроскопе — Микросистемы

Принцип работы

Флуоресцентный микроскоп — оптический прибор, показывающий в увеличенном виде клетки, поверхности и частицы с флуоресцирующими красителями. Схематично механизм флуоресценции выглядит так: При облучении флуоресцирующего вещества (ФВ) светом с определенной длиной волны (частотой) электроны ФВ поглощают квант света, приобретают дополнительную энергию и переходят на более высокую орбиту. Электроны не могут долго оставаться в возбужденном состоянии на более высокой орбите и возвращаются на ранее занимаемую. При этом излишек энергии выпускается также в виде кванта света, но с меньшей энергией (частотой) или, соответственно, большей длиной волны. Часть энергии тратится на так называемую релаксацию. Разность длин волн возбуждающего и испускаемого света является основополагающим принципом наблюдений в флуоресцентной микроскопии.

 

Детектирование флуоресценции широко применяется в разных областях науки и является одним из самых чувствительных методов неразрушающего контроля. С помощью флуоресценции можно определить содержание всего одной молекулы связанной с флуорофором. Если в образце несколько флуорофоров, то для их детектирования используют узкополосные (с разным диапазоном волн), либо широкополосные блок-фильтры. При всех своих возможностях, флуоресцентный метод имеет и ограничения, так, например, не всегда можно подобрать фильтры так, чтобы исследовать отдельные флуорофоры (флуорохромы) в образце, если диапазоны длин волн их возбуждения пересекаются.

Подбирая фильтры для своих исследований, обратите внимание на флуоресцентный краситель. Для удобства подбора фильтров предлагаем ознакомиться со следующими таблицами:

Таблица №1

Таблица №2

В качестве источника света флуоресцентных (люминесцентных) микроскопов используются лампы — ртутные, металлогалидные, галогенные, светодиодные, а также лазеры.

Ртутные лампы – наиболее распространённые осветители для флуоресцентной микроскопии на данный момент, но они могут быть запрещены к закупке через государственные торги РФ с 2018 года. Эти лампы не могут обеспечить равномерную интенсивность в УФ и видимом диапазоне волн, их свечение наиболее интенсивно при длинах волн в 313, 334, 365, 406, 435, 546 и 578нм. Из-за такой пиковой интенсивности они часто используются для УФ возбуждения. У них существуют и проблемы с безопасностью, поэтому не рекомендуется их использование дольше срока годности, иначе они могут взорваться и повредить коллекторную линзу.

У галогенных ламп схожие с ртутными лампами проблемы, но вдвое-вчетверо больший ресурс. Тем не менее, из-за низкой интенсивности и отсутствия УФ части спектра они не так широко распространены как ртутные лампы.

Светодиодные лампы стали применять сравнительно недавно для флуоресцентной микроскопии. Они не требуют юстировки, полностью безопасны, имеют более равномерное распределение интенсивности, чем газоразрядные (ртутные, галогенные). Еще один плюс таких ламп: установив линзы Fly-eye, всё поле зрения будет равномерно освещено.

Лазеры испускают интенсивный когерентный световой пучок, имеющий малую расходимость. Благодаря когерентности пучка света разрешающая способность системы выше. Поэтому их используют для конфокальной микроскопии сверхвысокого разрешения.

Заключительный этап конфигурирования флуоресцентного микроскопа – это выбор фотокамеры. Для флуоресценции важно подобрать камеру с высоким динамическим диапазоном (чувствительностью), большим временем экспозиции, малым количеством шумов и большим размером пикселя, потому что каждая линза в оптическом пути микроскопа поглощает часть света, и на матрицу камеры попадает мало света. Да и само флуоресцентное свечение неравномерно. Наш мозг выполняет роль выдержки в камере и собирает усредненную картину флуоресценции, а камере необходимо время, чтобы на матрицу попало достаточно количество света от образца.

Камеры с пзс (ccd) матрицами и активным охлаждением предпочтительнее для слабой флуоресценции, потому что их матрицы чувствительнее кмоп (cmos) и меньше подвержены цифровым шумам.

Да, быстродействие (количество кадров в секунду) CCD камеры будет немного ниже, чем у CMOS, но для флуоресценции это не имеет решающего значения.

Современное программное обеспечение камер состоит из различных модулей. Для флуоресценции наиболее полезными окажутся модули сшивки изображения, подсчёта численности объектов, FRAP и FRET анализ (совмещение и наложение) флуоресцентных снимков. Все эти модули есть в программном обеспечении CellSens и BZ analyser.

Поскольку в конфокальной микроскопии тоже используют флуоресценцию, то уточним, что всё вышесказанное относится именно к эпифлуоресценции. Приведем краткий исторический очерк:

Первый эпифлуоресцентный микроскоп, в котором была решена проблема разделения возбуждающего света и флуоресцентного сигнала был сконструирован в 1929 году.

Этот микроскоп отличался от предыдущих щелевых флуоресцентных микроскопов тем, что детекция флуоресцентного сигнала осуществлялась только со стороны образца, поэтому наблюдатель видел только эмиссию света от флуорофора. С течением времени расширилась область применения таких микроскопов,например, флуоресцентные микроскопы стали использовать в материаловедении, для выявления дефектов поверхности, содержания полимеров в битуме, анализа краски и других. Возросшее разрешение флуоресцентных микроскопов позволяет вести более точную детекцию сигнала и получать более информативные изображения.Снимки стали информативнее, благодаря наложению изображений, снятых с использованием разных фильтров.

Микроскопия зародилась в Германии, и самые известные производители микроскопов Европы имеют немецкие корни. Однако,с конца двадцатого века, японские производители стали активно и на равных конкурировать с классической немецкой школой микроскопостроения.

Среди микроскопов классической немецкой школы особенно выделяются: Hund H600 FL, оснащённый слайдером с пятью блоками фильтров и ртутной лампой, а также Hund Wilovert AFL – инвертированный микроскоп с 100Вт ртутной лампой.

Японские производители микроскопов: корпорация Olympus – выпустившая первый серийный микроскоп в Азии, входящая в рейтинг лучших производителей оптики и компания Keyence – выпускающая роботизированные микроскопы для высокотехнологичных и точных производств.

Модели Olympus для флуоресценции:

• Лабораторный флуоресцентный микроскоп CX43 со светодиодным (LED) флуоресцентным модулем (с одним блоком фильтров).
• Исследовательские флуоресцентные микроскопы BX43, BX53 и BX63 оснащаются флуоресцентным светодиодным/ртутным или ксеноновым осветителем с турелью для восьми(маленьких) и шести (больших).блоков-фильтров.
• Инвертированный лабораторный флуоресцентный микроскоп CKX53 – комплектуется флуоресцентным модулем на 2 блока фильтров.
• Инвертированные исследовательские микроскопы IX73 и IX83 – оснащаются флуоресцентным модулем на 6 блок-фильтров. IX83 – может быть переоборудован в конфокальную систему.
• Флуоресцентные микроскопы на основе стереомикроскопов SZX10 и SZX16.

По вопросам консультации и поставки — свяжитесь с нами любым удобным способом:

+7 (495) 234-23-32 

[email protected]

Форма обратной связи

Основные понятия и значения во флуоресцентной микроскопии

Введение во флуоресцентную микроскопию

Поглощение и последующее переизлучение света органическими и неорганическими образцами обычно является результатом распространённого физического явления, называемого либо флуоресценцией, либо фосфоресценцией. Испускание света посредством флуоресценции происходит почти одновременно с поглощением возбуждающего света, благодаря относительно малому времени задержки между поглощением и испусканием фотона, которое обычно не превышает микросекундного интервала. При более длительном интервале между поглощением и испусканием света это явление называется фосфоресценцией.

Рис. 1. Эпи-флуоресцентный микроскоп

Впервые флуоресценция была описана в 1852 году британским учёным Джорджем Стоксом, который и ввёл в употребление этот термин при проведении экспериментов с флюоритом (плавиковым шпатом), испускающим красный свет при облучении ультрафиолетом. Стокс заметил, что длина волны флуоресцентного испускания всегда больше длины волны света возбуждения. Первые исследования в 19-м веке показали, что многие образцы (включая минералы, кристаллы, смолы, лекарственное сырьё, масла, хлорофилл, витамины и неорганические соединения) флуоресцируют при облучении их ультрафиолетом. Тем не менее, применение флуорохромов в биологических исследованиях для окрашивания компонентов тканей, бактерий и других болезнетворных организмов началось лишь в 1930-х годах.

Некоторые из этих красителей были крайне специфичны и стимулировали развитие флуоресцентной микроскопии.

Благодаря некоторым показателям, трудно достижимым традиционной контрастной оптической микроскопией, флуоресцентная микроскопия стала важным инструментом как в биологических и биомедицинских исследованиях, так и в материаловедении. Применение наборов флуорохромов позволило выделять высоко специфичные клетки и субмикроскопические клеточные компоненты среди не флуоресцирующих веществ. С помощью флуоресцентного микроскопа, на самом деле, можно обнаруживать даже отдельные молекулы. С помощью флуоресцентного мультиокрашивания различные красители могут идентифицировать несколько молекул-мишеней одновременно. И хотя пространственное разрешение флуоресцентного микроскопа ограничено снизу дифракционным пределом, зависящим от специфических характеристик образца, обнаружение флуоресцирующих молекул ниже этого предела вполне возможно.

Многие образцы, будучи облучёнными, демонстрируют автофлуоресценцию (без применения флуорохромов), и это явление широко используется в ботанике, петрологии и полупроводниковой промышленности. И напротив, изучение тканей животных или болезнетворных организмов часто осложнено либо чрезвычайно слабой, либо, наоборот, сильной неспецифичной автофлуоресценцией. Гораздо более важное значение в этом случае имеет внесение в ткани флуорохромов (или флуророфоров), возбуждаемых на определённой длине волны и испускающих свет с необходимой интенсивностью. Флуорохромы являются красителями, которые, самостоятельно прикрепляясь к видимым или невидимым структурам, обладают при этом высокой избирательностью по отношению к мишеням и высоким квантовым выходом (отношением числа испущенных к числу поглощённых фотонов). Бурный рост применения флуоресцентной микроскопии тесно связан с появлением новых синтетических и естественных флуорофоров, имеющих определённые профили интенсивности возбуждения и испускания и «нацеленных» на заданные биологические мишени.

Основы процессов возбуждения и испускания

Принцип работы флуоресцентного микроскопа заключается в облучении образца на длинах волн в необходимом и точно определённом интервале с последующим выделением гораздо более слабой испускаемой флуоресценции из потока возбуждающего света. В хорошо настроенном микроскопе достигать глаза или приёмного устройства должен лишь испускаемый свет, таким образом, чтобы наблюдаемые флуоресцирующие структуры накладывались на высоко контрастный очень тёмный (или чёрный) фон. Темнота фона, в общем, определяет пределы обнаружения, поскольку возбуждающий свет обычно в сотни тысяч, или даже миллионы, раз ярче испускаемой флуоресценции.

На рисунке 1 схематически изображён в разрезе современный эпифлуоресцентный микроскоп, предназначенный для наблюдений как в проходящем, так и в отражённом свете. Вертикальный осветитель, расположенный в центре, на одном конце имеет источник света (обозначенный на схеме как эпископический модуль) и насадку с фильтрами — на другом. В основе конструкции лежит микроскоп, работающий в отражённом свете, длина волны которого больше длины волны возбуждения. Автором вертикального осветителя для флуоресцентной микроскопии в отражённом свете считается Джон С. Плоем (Johan S. Ploem). Многочастотный свет от дуговой лампы или другого источника, проходя через селективный светофильтр возбуждения, преобразуется во флуоресцентном вертикальном осветителе в свет с определённой длиной волны (или в заданном волновом интервале), обычно из ультрафиолетового, синего или зелёного участков спектра. Пропущенный фильтром возбуждения поток отражается от поверхности дихроматического (также называемого дихроичным) зеркала или светоделителя и, пройдя через объектив, освещает образец интенсивным светом. Если образец флуоресцирует, испускаемый свет, собираемый объективом, опять проходит через дихроичное зеркало, после чего фильтруется запирающим (или эмиссионным) фильтром, который блокирует свет на длинах волн возбуждения. Важно заметить, что флуоресценция является единственным в оптической микроскопии режимом, при котором образец после облучения излучает свой собственный свет. Испускаемый свет переизлучается сферически во всех направлениях, независимо от расположения источника облучающего света.

Метод эпифлуоресцентного освещения является преобладающим в современной микроскопии. Вертикальный осветитель отражённого света располагается между тубусами наблюдения и револьверной головкой объективов. Осветитель устроен таким образом, что возбуждающий свет на пути к образу и от образца проходит через один и тот же объектив микроскопа, который в данной конфигурации сначала выступает в качестве конденсора, а на обратном пути собирает испущенный свет флуоресценции. Осветители этого типа имеют несколько преимуществ. Объектив флуоресцентного микроскопа выступает, во-перых, в качестве хорошо настроенного конденсора, а во-вторых, в качестве собирающего свет устройства, с помощью которого формируется изображение. Будучи одним и тем же компонентом, объектив/конденсор всегда превосходно отюстирован. Большая часть возбуждающего света, достигающего образца, проходит сквозь него без взаимодействия и не возвращается на объектив, а освещаемая область ограничена той частью образца, которая наблюдается через окуляры (в большинстве случаев). Если микроскоп правильно сконфигурирован для освещения по Кёллеру, то, в отличие от некоторых методов, усиливающих контраст, при наблюдении на нём доступна полная числовая апертура объектива. Кроме того, он позволяет комбинировать режимы наблюдения в проходящем и отражённом свете, режим формирования цифрового изображения, или выбирать один из них.

Рис. 2. Флуоресцентные фильтры

Как показано на рисунке 1, на заднем конце вертикального осветителя отражённого света расположен блок дуговой лампы (обычно ртутной или ксеноновой). Распространяясь вдоль осветителя перпендикулярно оптической оси микроскопа, возбуждающий свет проходит сквозь собирающие линзы, регулируемую и центрируемую апертурную диафрагму, а затем через регулируемую центрируемую полевую диафрагму (см. рисунок 1). После этого свет попадает на фильтр возбуждения, где происходит отбор длин волн из требуемого интервала и блокирование остальных длин волн. После прохождения фильтра возбуждения, отобранные длины волн достигают дихроичного светоделительного зеркала, являющегося специальным интерференционным фильтром, эффективно отражающим коротковолновый и эффективно пропускающим длинноволновый свет. Дихроичный светоделитель наклонён под углом 45 градусов по отношению к падающему на него возбуждающему свету и отражает его под углом 90 градусов через объектив оптической системы прямо на образец. Флуоресценция, испускаемая освещённым образцом, собирается объективом, выполняющим теперь уже свою обычную функцию, а именно формирование изображения. Поскольку испускаемые длины волн больше длин волн возбуждения, они проходят через дихроичное зеркало вверх к наблюдательным тубусам или электронному детектору.

Большинство рассеянного возбуждающего света, достигая дихроичного зеркала, отражается им обратно к световому источнику, хотя небольшая его доля может пройти насквозь или поглощается внутренним покрытием зеркала. Но до того, как испущенная флуоресценция достигнет окуляра или детектора, она должна пройти запирающий или заграждающий фильтр Эти фильтры блокируют (заграждают) любой остаточный возбуждающий свет, но пропускают более длинные волны испускаемого света. В большинстве осветителей отражённого света фильтр возбуждения, дихроичное зеркало и запирающий фильтр объединены в оптический блок (часто называемый кубом), как показано на рисунке 2. Современные флуоресцентные микроскопы могут вмещать от четырёх до шести фильтр-кубов (обычно на насадке карусельного или на выдвижного типа; см. рисунок 1) и позволяют пользователю легко устанавливать сменные фильтры возбуждения, запирающие фильтры и дихроичные зеркала.

Конструкция вертикального осветителя должна позволять пользователю настраивать микроскоп для освещения по Кёллеру, при котором обеспечивается яркое и равномерное освещение по всему полю зрения. Откорректированные конденсорные линзы оптической системы обеспечивают сопряжённость изображения центрируемой апертурной диафрагмы с задней апертурой фокусирующего объектива. В современных осветителях, изображение предварительно-сфокусированной, центрируемой полевой диафрагмы является сопряженныи со сфокусированным образом и плоскостью фиксированной диафрагмы окуляра.

Ламповый блок осветителя обычно содержит заграждающий фильтр, блокирующий инфракрасный свет. Сам ламповый блок не должен пропускать наружу ультрафиолетового излучения. Желательно, к тому же, чтобы в него был встроен автоматический выключатель, на случай его открытия во время работы. Ламповый блок должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать возможный взрыв дуговой лампы в процессе работы. В современных ламповых блоках гнездо лампы оборудовано регулировочными ручками для центрирования изображения дуговой лампы в задней апертуре объектива (при освещении по Келлеру эти плоскости сопряжены). На пути света, обычно ближе к ламповому блоку, но перед фильтром возбуждения, желательно поставить задвижку, чтобы полностью блокировать возбуждающий свет, если не ведётся наблюдение образца. К тому же, в оснащение осветителя должны входить нейтральные светофильтры (на насадке барабанного, карусельного или выдвижного типа) для того, чтобы иметь возможность понизить интенсивность возбуждающего освещения.

Стоксов сдвиг

При переходе электронов из возбуждённого в основное состояние теряется колебательная энергия. В результате этой потери энергии спектр испускания возбуждённого флуророфора обычно сдвигается в сторону более длинных волн в сравнении со спектром поглощения или возбуждения (необходимо помнить, что длина волны обратно пропорциональна её энергии). Это известное явление называется правилом Стокса или стоксовым сдвигом. При увеличении стоксова сдвига становится легче разделять возбуждающий и испускаемый свет с помощью комбинаций флуоресцентных светофильтров.

Пик интенсивности испускания флуророфора обычно ниже пика интенсивности его поглощения и приходится на волну с большей длиной. Кривая испускания (спектральная кривая) часто является зеркальным (или близко к этому) отображением кривой возбуждения, но сдвинутой в сторону более длинных волн, как показано на рисунке 3, где представлен полезный своими спектральными характеристиками краситель Alexa Fluor 555, который поглощает в жёлто-зелёной, а испускает в жёлто-оранжевой области. Для достижения максимальной интенсивности флуоресценции, флуророфор (часто называемый красителем) возбуждается на длинах волн, близких к пику кривой возбуждения или приходящихся на самый её пик, при этом испускаемый свет регистрируется в максимально широком диапазоне, включающем пик испускания. Отбор возбуждающих и испускаемых длин волн производится с помощью интерференционных фильтров (рисунок 2). В дополнение следует отметить, что спектральные характеристики оптической системы микроскопа также зависят от коэффициентов пропускания стекла (на которые влияют просветляющие покрытия), количества линз и зеркал и чувствительности детекторов.

Рис. 3. Кривые поглощения и испускания флуорофора

Эффективность разделения и регистрации длин волн возбуждения и испускания достигается во флуоресцентной микроскопии правильным выбором светофильтров, блокирующих или, наоборот, пропускающих свет определённых длин волн в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной области спектра. Контроль возбуждающего света производится в вертикальных флуоресцентных осветителях благодаря тому, что в их конструкции предусмотрено использование легко сменяемых фильтров (нейтральных и интерференционных светофильтров возбуждения), вставляемых на пути света к образцу и на обратном пути между образцом и тубусами наблюдения или системой приёма сигнала. Ввиду низкой интенсивности флуоресцентного свечения (о чём говорилось выше), необходимо чтобы источник возбуждающего света имел достаточную яркость для максимально возможного усиления слабого испускаемого света, а также, чтобы флуорохромы обладали соответствующими поглощательными характеристиками и квантовым выходом. Это, возможно, является ключевыми критериями флуоресцентной микроскопии.

Эффективность поглощения отдельным флуророфором фотона возбуждающего света является функцией эффективного молекулярного сечения, а вероятность такого события называется коэффициентом поглощения. Бо?льшие значения коэффициента поглощения говорят о том, что поглощение фотона (или кванта) в данном интервале длин волн более вероятно. Квантовым выходом обозначается отношение числа испущенных к числу поглощенных квантов (обычно оно лежит в интервале от 0,1 до 1,0). То, что квантовый выход принимает значения меньшие 1, является следствием потери энергии безызлучательным способом, например через тепло или фотохимическую реакцию, когда не происходит её переизлучения, приводящего к флуоресценции. Коэффициент поглощения, квантовый выход, средняя сила света, а также время высвечивания являются важными факторами, влияющими на интенсивность флуоресценции и определяющими целесообразность применения этого метода.

Фединг, тушение и фотообесцвечивание

Целый ряд условий может влиять на вероятность флуоресцентного переизлучения, часто приводя к падению интенсивности флуоресценции. Общим термином для обозначения уменьшения интенсивности флуоресцентного испускания является фединг, охватывающий все явления, которые для более подробного описания могут быть разделены на явления тушения и фотообесцвечивания. Фотообесцвечиванием называется необратимый распад флуоресцентных молекул в возбуждённом состоянии, вызванный их взаимодействием с молекулярным кислородом до момента испускания. Это явление используется в методе восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP), очень эффективном при изучении диффузионных свойств и движения биологических макромолекул. В основе метода лежит фотообесцвечивание лазерным пучком чётко определённой области в образце с последующим наблюдением скорости и характера восстановления флуоресценции в фотообесцвеченной области. Связанный с этим метод затухания флуоресценции в обесцвеченных изображениях (FLIP) применяется для исследования уменьшения флуоресценции в областях, прилегающих к фотообесцвеченной области. Как и FRAP, этот метод является эффективным инструментом в исследовании подвижности молекул и динамики в живых клетках.

Рис. 4. Скорость фотообесцвечивания мультиокрашенных образцов

На рисунке 4 представлен типичный пример фотообесцвечивания (фединга), наблюдаемого в серии цифровых изображений мультиокрашенной культуры фибробластов кожи индийского мунтжака, снятых в различные моменты времени. Ядра были окрашены дериватом бис-бензимидазола (хёхст 33258, синее свечение), а митохондрии и актиновый цитоскелет — красителем MitoTracker Red CMXRos (красное свечение) и дериватом фаллоидина, присоединённым к Alexa Fluor 488 (зелёное свечение), соответственно. Снимки производились через каждые две минуты, а комбинация флуоресцентных светофильтров была настроена таким образом, чтобы возбуждение всех трёх флуорофоров происходило одновременно, при одновременной регистрации комбинированных испускаемых сигналов. На рисунке 4(а) видно, что интенсивность всех трёх флуророфоров относительно высока, но интенсивность хёхста (синий) начинает быстро падать уже через две минуты и почти совсем пропадает через 6–8 минут. Красители митохондрий и актина оказываются более устойчивыми к фотообесцвечиванию, но и их интенсивность значительно падает за время наблюдения (10 минут).

Релаксация из возбуждённого состояния путём тушения, приводящая к падению интенсивности флуоресценции, происходит различными безизлучательными способами и часто возникает из-за окислителей или из-за присутствия солей, тяжёлых металлов и галогенных соединений. В некоторых случаях тушение происходит как результат передачи энергии другой молекуле (именуемой акцептором), которая находится близко к возбуждённому флуророфору (донору). Это явление называется резонансным переносом энергии флуоресценции (FRET). Именно этот механизм стал основой эффективного метода изучения молекулярных взаимодействий и ассоциаций на расстояниях, значительно меньших разрешающей способности оптических микроскопов.

Флуоресцентные источники света

Неблагоприятным следствием низкой интенсивности испускания в большинстве приложений флуоресцентной микроскопии является низкое число фотонов, достигающих окуляра, либо приёмного устройства. В большинстве случаев, эффективность собираемости фотонов в оптических микроскопах меньше 30 процентов, а концентрации многих флуророфоров на оптическом пути меняются от микромолярных до наномолярных концентраций. Чтобы интенсивность возбуждающего света была достаточной для регистрации флуоресценции, необходимы мощные компактные источники света, такие как небольшие дуговые лампы с высокой энергией излучения. Наиболее распространёнными являются ртутные лампы мощностью от 50 до 200 ватт и ксеноновые лампы мощностью от 75 до 150 ватт (см. рисунок 5). Эти лампы обычно питаются от внешнего источника постоянного тока, достаточного для того, чтобы зажечь дуговой разряд через ионизацию паров высокого давления и поддерживать его горение с минимальным мерцанием.

Внешний источник питания дуговой лампы микроскопа обычно снабжён таймером для отслеживания количества отработанных часов. Дуговые лампы теряют световую отдачу и часто разрушаются при эксплуатации дольше установленного срока службы (200–300 часов). Ртутные лампы не обеспечивают равномерной интенсивности в спектральном диапазоне от УФ до ИК. Максимум их интенсивности приходится на ближний ультрафиолет. Отчётливые пики интенсивности возникают на 313, 334, 365, 406, 435, 546 и 578 нанометрах. На других длинах волн видимого спектра интенсивность стабильна, хотя и не так высока (но всё же достаточна для большинства приложений). Но мощность лампы сама по себе не является определяющим для эффективности освещения параметром. И напротив, существенным параметром, который в первую очередь должен приниматься во внимание, является средняя светимость с учётом яркости источника, геометрии дуги и углового распределения излучения.

Рис. 5.

Дуговые флуоресцентные лампы

В последние несколько лет оптическая микроскопия переживает подъём в применении лазерных источников света, особенно аргоновых ионных и аргоново-криптоновых (ионных) лазеров. Преимущества этих лазеров заключаются в их небольшом размере, малой расходимости пучка, высокой степени монохроматичности и высокой средней светимости. Они получили широкое применение в сканирующей конфокальной микроскопии, которая стала мощным инструментом создания высоко контрастных флуоресцентных изображений за счёт исключения внефокусных засветок, идущих из фокальной плоскости образца. В конфокальных микроскопах это достигается благодаря сканированию образца фокальной точкой или линией с одновременным формированием изображения через сопряжённую апертуру. Оптические срезы образцов могут храниться в памяти компьютера микроскопа и реконструироваться в окончательное изображение, отображаемое на мониторе.

Обозначения фильтров

Общая терминология, принятая для обозначения комбинаций фильтров во флуоресцентной микроскопии, стала весьма запутанной из-за различных аббревиатур и кодов, применяемых разными производителями для маркировки своих фильтров. В принципе, существуют три основных категории фильтров: фильтры возбуждения (часто просто называемые возбудителями), запирающие (эмиссионные) фильтры и дихроичные светоделители (или дихроичные зеркала). Прежде флуоресцентные светофильтры состояли исключительно из цветного стекла или желатина, вставленного между двумя стеклянными пластинами. Однако сегодня имеет место тенденция к производству высокочувствительных фильтров с интерференционной оптикой для пропускания или задержки света строго определённых длин волн, обладающей, к тому же, высоким коэффициентом пропускания. Дихроичные светоделители являются специальными интерференционными фильтрами, предназначенными для отражения или пропускания света определённых длин волн, помещаемых на световом пути под углом 45 градусов (см. рисунки 1и 2). Запирающие фильтры изготавливаются на основе либо цветного стекла, либо интерференционных покрытий (либо их комбинации).

Для обозначения характеристик фильтров возбуждения производителями применяется различная аббревиатура. Ультрафиолетовое стекло, например, обозначается как UG, а синее стекло — BG. На узкополосных фильтрах часто можно встретить обозначение KP (K от немецкого «kurz», что переводится как «короткий») или просто SP. Интерференционные фильтры сейчас маркируются некоторыми производителями аббревиатурой IF. Узкополосные интерференционные фильтры возбуждения особенно эффективны при малом стоксовом сдвиге.

Сокращения и аббревиатуры для запирающих фильтров бывают следующими: LP или L для широкополосных фильтров, Y или GG для жёлтого (от немецкого «gelb» — «жёлтый») стекла, R или RG для красного стекла, OG или O для оранжевого стекла, K для щелевых фильтров (от немецкого «kante» — край), и BA для запирающих фильтров. Если в маркировке фильтра стоит число, как например ВА515, оно обозначает длину волны (в нанометрах), на которой он имеет половину от максимального коэффициента пропускания.

Дихроичные светоделители также маркируются различными аббревиатурами: CBS обозначает хроматический светоделитель, DM — дихроичное зеркало, TK — щелевой делитель (от немецкого «teiler kante»), FT — делитель цвета (от немецкого»farb teiler») и RKP — узкополосный отражатель. Все эти обозначения являются взаимозаменяемыми; кроме того, оптическое стекло всех современных дихроичных светоделителей всегда покрывается интерференционными покрытиями (а не органическими или металлическими красящими веществами). Эти тонкие интерференционные плёнки обладают высоким коэффициентом отражения коротких волн и высоким коэффициентом пропускания длинных волн. Дихроичные светоделители наклонены под углом 45 градусов по отношению свету возбуждения, падающему на оптический блок через флуоресцентный осветитель отражённого света. Их основной функцией является перенаправление определённых (более коротких) возбуждающих волн на объектив и на расположенный за ним образец. Эти специальные фильтры имеют и дополнительные функции, заключающиеся в пропускании более длинных волн флуоресценции к запирающему фильтру и в отражении рассеянного возбуждающего света обратно в направлении лампового блока.

Рис. 6. Среднеполосный фильтр синего возбуждения Nikon B-2E

На рисунке 6 представлены кривые пропускания для комбинации типичных флуоресцентных светофильтров, применяемых в современных микроскопах. Спектр фильтра возбуждения (красная кривая) демонстрирует высокую степень пропускания (приблизительно 75 процентов) в диапазоне от 450 до 490 нанометров с центральной длиной волны (CWL) 470 нанометров. Дихроичное зеркало (жёлтая кривая) отражает волны в спектральном диапазоне фильтра возбуждения, но пропускает, с относительно высоким коэффициентом, более короткие и более длинные волны. Необходимо заметить, что нулевое пропускание дихроичного зеркала соответствует 100 процентному отражению. Отчётливый провал в кривой пропускания между 450 и 500 нанометрами, который соответствует пику отражения, служит для перенаправления волн из полосы пропускания фильтра возбуждения под углом 90 градусов на образец. Последним звеном в этой последовательности является эмиссионный или запирающий фильтр (белая кривая), который пропускает волны в зелёном участке видимого спектра в интервале от 520 до 560 нанометров. Для обеспечения почти полного разделения отражённых и пропущенных волн границы полос отражения и пропускания различных накладываемых друг на друга спектров должны быть как можно круче. Синусоидальная часть кривой спектра дихроичного зеркала, называемая звоном, является результатом процесса нанесения тонких плёнок. Высокая эффективность этой комбинации фильтров — пример значительных успехов в технологии тонких покрытий интерференционных фильтров.

В основе системы условных обозначений, применяемых компанией Nikon, лежат смешанные термины, появившиеся в начале 1990-х годов. В то время все дополнительные комбинации фильтров Nikon производились методом напыления твёрдых покрытий, но сегодня при производстве многих фильтров, применяются передовые методы мягкого покрытия. И хотя мягкие покрытия более чувствительны к влажности и нагреву и требуют более аккуратного (по сравнению с твёрдыми покрытиями) обращения, они демонстрируют более высокие значения оптической плотности и обеспечивают бо?льшую лёгкость в тонкой настройке специфичных полос пропускания. Понимание условных обозначений комбинаций фильтров Nikon позволяет быстро подбирать необходимые фильтры для специфичных флуророфоров.

Первая буква в принадлежащей компании Nikon системе буквенно-цифровых обозначений указывает на область спектра возбуждения (например, UV, V, B, и G являются сокращениями от английских слов «ultraviolet» — ультрафиолетовый, «violet» — фиолетовый, «blue» — синий, и «green» — зелёный, соответственно). Число, следующее за кодировкой спектра возбуждения, обозначает ширину полосы пропускания фильтра возбуждения: 1 соответствует узкополосному возбуждению, 2 — среднеполосному, и 3 — широкополосному возбуждению. И, наконец, одна или несколько букв, следующих за числом, соответствующим ширине полосы возбуждения, обозначают характеристики запирающего фильтра. Буква A указывает на стандартный широкополосный запирающий фильтр с самой низкой длиной волны отсечки, B обозначает широкополосный запирающий фильтр, имеющий более высокую волну отсечки. Обозначение E (от английского «enhanced» — усиленный) в полосовых эмиссионных фильтрах указывает на улучшенные характеристики в смысле сокращения интерференционного взаимодействия разделяемых сигналов. Обозначение E/C указывает на комбинацию мягких интерференционных покрытий, разработанных специально для работы с такими специфическими красителями, как DAPI, FITC, TRITC и техасский красный.

Флуоресцентный световой баланс

Оценка световых потоков в типичном флуоресцентном микроскопе позволяет в общих чертах составить представление об ограничениях, которые неизбежно возникнут при формировании цифровых изображений или при визуальном наблюдении образцов. В качестве источника облучения для нашей оценки возьмём стандартную 75-ваттную ксеноновую дуговую лампу, средняя плотность светового потока которой приблизительно равна 400 канделам на квадратный миллиметр (другие источники представлены в таблице 1). При направлении излучаемого света на 490-нанометровый интерференционный фильтр (с полосой пропускания 10 нанометров и коэффициентом пропускания 75 процентов) через него пройдёт около 2 милливатт выходного потока лампы. После отражения от дихроичного зеркала с коэффициентом 0,9 световой поток в 1,8 милливатт направляется к задней апертуре объектива микроскопа в качестве возбуждающего пучка.

Для объектива кратностью 100х с числовой апертурой 1,4 освещённая область образца составит 12×10•E(-6) квадратных сантиметров, если диаметр поля зрения считать равным приблизительно 40 микрометрам. Тогда световой поток, падающий на образец, будет около 150 ватт на квадратный сантиметр, что соответствует плотности потока 3.6×10•E(20) фотонов на квадратный сантиметр. Таким образом, интенсивность освещения образца примерно в 1000 раз больше интенсивности освещения земной поверхности в обычный солнечный день.

Флуоресцентное свечение при таком световом потоке зависит от поглощательных и эмиссионных свойств флуророфора, его концентрации в образце и длине оптического пути образца. Математически производимая флуоресценция (F) описывается уравнением:

F = σ • Q • I

где σ — сечение молекулярного поглощения, Q — квантовый выход, а I — падающий световой поток, рассчитанный выше. Предполагая, что флюоресцеин является флуророфором с сечением поглощения (σ) 3×10•E(-16) квадратных сантиметров, получаем Q равным 0.99, что приводит к флуоресценции F в 100000 фотонов в секунду на одну молекулу. При концентрации красителя в 1 микромоль на литр, равномерно распределённом в диске диаметром 40 и толщиной 10 микрометров (объём, равный 12 пиколитрам), получаем приблизительно 1.2×10•E(-17) молей красителя или 7,2 миллиона молекул на оптическом пути. При одновременном возбуждении всех молекул скорость флуоресценции составит 7,2×10•E(11) фотонов в секунду (что является произведением F и числа молекул красителя). Возникает вопрос: сколько испущенных фотонов будет зарегистрировано, и как долго может продолжаться такая скорость испускания?

Табл.

1. Плотность световой энергии различных источников света

Лампа	Ток (амперы)	Световой поток (люмены)	Средняя яркость (кд/мм2)	Размер дуги (ВхШ) (миллиметры)
Ртутная лампа      (100 ватт)	5	2200	1700	0.25 x 0.25
Ксеноновая лампа  (75 ватт)	5.4	850	400	0.25 x 0,50
Ксеноновая лампа (500 ватт)	30	9000	3500	0,30 x 0,30
Галогенная лампа с вольфрамовой нитью	8	2800	45	4,2 x 2,3

Эффективность регистрации фотонов определяется эффективностью их собирания и квантовым выходом детектора. Объектив с числовой апертурой 1,4 и стопроцентным пропусканием (что является нереальным условием) имеет максимальную эффективность собирания фотонов, ограниченную углом приёма около 30 процентов. Коэффициент пропускания дихроичного зеркала равен 85 процентам, а запирающего фильтра — 80 процентам. Результирующая эффективность собирания составляет в этом случае 20 процентов или 140 миллиардов фотонов в секунду. Если в качестве детектора взять традиционный прибор с зарядовой связью (ПЗС), его квантовый выход на волне зелёного флюоресцеина (525 нанометров) составит 50 процентов. Таким образом, детектироваться будут 70 миллиардов фотонов в секунду, или около 10 процентов от испускаемых при флуоресценции. Даже идеальным детектором (со 100-процентным квантовым выходом) может улавливаться только около 20 процентов фотонов флуоресценции.

Длительность флуоресцентного свечения зависит от скорости разрушения флуророфоров, являющегося следствием фотообесцвечивания. Измерения показывают, что каждая молекула флюоресцеина в кислородосодержащем солевом растворе до своего разрушения успевает испустить около 36000 фотонов. В безкислородном окружении скорость фоторазрушения сокращается примерно в десять раз. Таким образом, молекула флюоресцеина может дать 360000 фотонов. В совокупности все красители в нашем примере (7,2 миллиона молекул) способны испустить минимум 2,6×10•E(11) и максимум 2,6×10•E(12) фотонов. При скорости испускания одной молекулой 100000 фотонов в секунду (согласно вышеприведённым оценкам), получаем длительность флуоресцентного свечения до фоторазрушения равной от 0,3 до 3 секунд. В случае регистрации 10 процентов от числа испущенных фотонов сигнал детектора будет составлять 7,2×10•E(10) электронов в секунду.

Таким образом, если ПЗС имеет 1000×1000-пиксельную камеру, этот сигнал будет распределён среди одного миллиона светочувствительных элементов, то есть приблизительно по 72000 электронов на каждый из них. Для научно-исследовательского ПЗС с 9-микрометровыми светочувствительными элементами зарядовая ёмкость составляет около 80000 электронов, а шум считывания меньше 10 электронов. В этом случае отношение сигнал-шум будет, в основном, определяться фотонным флуктуационным шумом, равным квадратному корню сигнала, то есть около 268. Почти во всех случаях такой высокий уровень сигнала может продолжаться лишь короткое время, до наступления фоторазрушения. Для продления времени наблюдения большинство микроскопистов сокращает интенсивность облучающего потока, чтобы возбуждалась, а следовательно, и разрушалась только часть из общего числа молекул флуророфора. Таким образом, отношение сигнал-шум редко достигает теоретического максимума и обычно во флуоресцентной микроскопии лежит в диапазоне от 10 до 20.

Детектирование отдельных молекул

В идеальных условиях, часто бывает возможно зарегистрировать флуоресцентное свечение отдельной молекулы, если, конечно, оптический фон и шум детектора достаточно низки. Как говорилось выше, одна молекула флюоресцеина до своего разрушения фотообесцвечиванием может испустить до 300000 фотонов. При 20-процентной собираемости и эффективности детектирования будут зарегистрированы около 60000 фотонов. Применяя для экспериментов такого рода ПЗС на основе лавинных фотодиодов или электронного умножения, исследователям удавалось следить за поведением отдельных молекул в течение секунд и, даже, минут. Главной проблемой в таких случаях является подавление шума оптического фона. Из-за того, что многие материалы, применяемые в конструкции микроскопических линз и фильтров, проявляют определенную автофлуоресценцию, первоначальные усилия были направлены на производство компонентов с малой флуоресценцией. Однако, вскоре стало очевидным, что при использоваии во флуоресцентной микроскопии метода полного внутреннего отражения (ПВО, или TIR в английской аббревиатуре), необходимое сочетание низкого фона и высоко интенсивного потока возбуждающего света может быть достигнуто.

Рис. 7. Конфигурации инвертированного и ФМПВО (TIRF) микроскопов

Флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения (ФМПВО или TIRFM в английской аббревиатуре) использует явление нераспространяющейся или быстрозатухающей волны, которая возникает при полном внутреннем отражении на границе двух сред с разными показателями преломления.

Схема с применением внешнего источника света представлена на рисунке 7(а). В этом методе пучок света (обычно расширенный лазерный пучок) проходит через призму с высоким показателем преломления (как у стекла или сапфира), прилегающую либо к стеклу, либо к водному раствору с более низким показателем преломления. Если свет направляется на призму под углом, большим критического, пучок будет полностью отражён от границы раздела. Явление отражения вызывает на поверхности раздела нераспространяющуюся волну, а именно, происходит генерация электромагнитного поля, проникающего в среду с меньшим показателем преломления на расстояние не большее 200 нанометров. Интенсивность света в нераспространяющейся волне достаточна для возбуждения флуророфоров, но из-за её чрезвычайно малой глубины, объём возбуждения очень мал. Результатом этого является низкоуровневый фон, поскольку объём образца, подвергшийся облучению, ничтожно мал (только та его часть, которая находится от поверхности в пределах 200-нанометрового расстояния).

Флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения может быть реализована и с использованием модифицированного метода эпи-освещения, применяемого в широкопольной микроскопии (как показано на рисунке 7(b)). Для этого метода требуются объективы с очень высокой числовой апертурой (по крайней мере, 1,4, но желательно — от 1,45 до 1,6) и частичное освещённое поле микроскопа, что достигается с помощью небольшого пятна или, для большей равномерности освещения, тонкого кольца, блокирующего часть светового потока. Для достижения критического угла, за которым наступает полное внутреннее отражение, необходимо, чтобы иммерсионная среда в линзах и покровное стекло микроскопа имели высокий показатель преломления. Как показано на рисунке 7(b), световые лучи, выходящие из передней линзы под углом меньшим критического (на рисунке он обозначен A(1)), уже не возвращаются в микроскоп. При достижении критического угла или его превышении (угол A(2) на рисунке 7(b)) происходит полное внутреннее отражение.

Для получения дополнительной информации при исследованиях, с методом полного внутреннего отражения часто сочетаются другие популярные передовые методы флуоресценции, такие как резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET), восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания (FRAP), а также спектроскопия. В сочетании, эти методы являются мощным инструментом в изучении отдельных флуророфоров и флуоресцентно окрашенных молекул. Преимущества изучения отдельных молекул только сейчас начинают осознаваться. Таким образом, сегодня диапазон исследований оптической микроскопии — от отдельных молекул до целых животных.

Заключение

Современные флуоресцентные микроскопы сочетают в себе мощь высококачественных оптических компонентов с компьютеризированным управлением и формированием изображений цифровым способом, что позволяет достигать уровня сложности, который далеко превосходит простое визуальное наблюдение. Сегодня микроскопия в значительной степени зависит от электронных способов формирования изображения, позволяющих быстро получать информацию при низких уровнях световых сигналов или на визуально не регистрируемых длинах волн. Эти технические усовершенствования являются не просто элементами внешнего оформления, но существенными компонентами оптического микроскопа, как сложной измерительной системы.

Время, когда оптическая микроскопия было чисто описательной дисциплиной или интеллектуальной игрушкой прошло. Сегодня получение оптического изображения является только первым шагом в анализе данных. Этот первый шаг осуществляется микроскопом в соединении с электронными детекторами, процессорами изображений, дисплеями, которые могут рассматриваться как расширение системы формирования изображений. Применяемое уже повсеместно компьютеризированное управление фокусировкой, положением предметного столика, оптическими компонентами, затворами, фильтрами и детекторами позволяет проводить такие манипуляции во время эксперимента, которые были просто невозможны для человека при работе на механических микроскопах. Все более возрастающее использование оптоэлектроники во флуоресцентной микроскопии привёло к разработке оптических пинцетов для манипулирования субклеточными структурами и частицами, к наблюдению отдельных молекуле, а также к появлению широкого круга сложнейших спектроскопических приложений.

Комбинации флуоресцентных фильтров

Комбинации эпи-флуоресцентных интерференционных и поглощающих фильтров помещаются в фильтр-кубы (или оптические блоки) и включают в себя фильтр возбуждения, дихроичный светоделитель (часто называемый зеркалом) и запирающий (или эмиссионный) фильтр, как показано на рисунке 1(а). Это руководство может быть полезно при подборе комбинации фильтров, соответствующей поглощательным и испускательным спектральным характеристикам хромофоров, применяемых в широкопольной флуоресцентной микроскопии. Спектральные кривые типичной комбинации высокопроизводительных полосовых фильтров в синем диапазоне возбуждения представлены на рисунке 1(b). Комбинации флуоресцентных фильтров компании Nikon поставляются с узкополосными, среднеполосными и широкополосными фильтрами возбуждения и соответствующими им эмиссионными фильтрами с определённой или широкой полосой пропускания.

Рис. 8. Спектральные кривые блока фцлуоресцентных светофильтров

Ультрафиолетовое возбуждение — в набор флуоресцентных фильтров ультрафиолетового возбуждения компании Nikon входят четыре тщательно сбалансированных комбинации, в которые включены обычные полосовые или широкополосные эмиссионные (запирающие) фильтры, способные избирательно пропускать флуоресцентное свечение в узком или широком диапазоне синего, зелёного и красного участков видимого спектра. Эти комбинации фильтров охватывают диапазон возбуждения от 330 до 380 нанометров с шириной полосы пропускания 10, 40 и 50 нанометров. В три комбинации входит одно и то же дихроичное зеркало, а в четвертой оно имеет более низкую волну отсечки для совпадения с узкой полосой возбуждения. Комбинации ультрафиолетовых фильтров включают эмиссионные фильтры либо с заданной, либо с широкой полосой пропускания.

Фиолетовое возбуждение — в набор флуоресцентных фильтров фиолетового возбуждения компании Nikon входят три комбинации, в которые включены обычные полосовые или широкополосные эмиссионные (запирающие) фильтры, способные избирательно пропускать флуоресцентное свечение в узком или широком интервале синего, зелёного и красного участков спектра. Эти комбинации фильтров охватывают диапазон возбуждения от 379 до 420 нанометров с шириной полосы пропускания 10, 22 и 40 нанометров. В две комбинации входит одно и то же дихроичное зеркало, а в третьей оно имеет более низкую волну отсечки для совпадения с полосой возбуждения на более коротких волнах.

Сине-фиолетовое возбуждение — в набор флуоресцентных фильтров сине-фиолетового возбуждения компании Nikon входят четыре комбинации, в которые включены обычные полосовые или широкополосные эмиссионные (запирающие) фильтры, способные избирательно пропускать флуоресцентное свечение в узком или широком интервале голубого, зелёного и красного участков видимого спектра. Эти дополнительные наборы фильтров охватывают диапазон возбуждения от 400 до 446 нанометров с шириной полосы пропускания 10, 20 и 40 нанометров. В три комбинации входит одно и то же дихроичное зеркало, а в четвертой оно имеет более высокую волну отсечки (на 5 нанометров) для соответствия другим компонентам.

Синее возбуждение — набор флуоресцентных фильтров синего возбуждения компании Nikon состоит из шести сбалансированных комбинаций, в которые включены обычные полосовые или широкополосные эмиссионные (запирающие) фильтры, способные избирательно пропускать флуоресцентное свечение в узком или широком интервале зелёного, жёлтого, красного и инфракрасного участков спектра. Эти комбинации фильтров охватывают диапазон возбуждения от 420 до 495 нанометров с шириной полосы пропускания 20, 30, 40 и 70 нанометров. В пять комбинаций входит одно и то же дихроичное зеркало, а в шестой оно имеет более низкую волну отсечки для увеличения принимаемого сигнала. Все полосные запирающие фильтры для фильтрационных наборов синего возбуждения компании Nikon имеют спектральную ширину 40 нанометров. Один из фильтров (B-3A) разработан для применения с освещением галогенной лампой с вольфрамовой нитью.

Зелёное возбуждение — набор флуоресцентных фильтров зелёного возбуждения компании Nikon состоит из шести блоков, в которые включены обычные полосовые или широкополосные эмиссионные (запирающие) фильтры, способные избирательно пропускать флуоресцентное свечение в узком или широком интервале жёлтого, оранжевого, красного и ближнего инфракрасного участков спектра. Эти комбинации фильтров охватывают диапазон возбуждения от 510 до 560 нанометров с шириной полосы пропускания 10, 25, 30 и 50 нанометров (включая узкую, среднюю и широкую полосы возбуждения). В три комбинации входит одно и то же дихроичное зеркало (565 нанометров), а остальные три имеет волну отсечки с большей длиной (570 и 575 нанометров). Два из шести фильтрационных наборов компании Nikon для зелёного возбуждения включают полосовые запирающие фильтры с полосами пропускания 60 и 75 нанометров.

Жёлтое возбуждение — набор флуоресцентных фильтров жёлтого возбуждения компании Nikon состоит из двух сбалансированных комбинаций, в которые включены эмиссионные (запирающие) фильтры с одной определённой полосой пропускания, способные избирательно пропускать флуоресцентное свечение в оранжевом и красном участках спектра. Эти дополнительные комбинации фильтров охватывают диапазон возбуждения от 532 до 587 нанометров с шириной полосы пропускания 40 и 55 нанометров. В обе комбинации входит одно и то же дихроичное зеркало (с отсечкой на 595 нанометрах). Два фильтрационных набора компании Nikon для жёлтого возбуждения включают полосовые запирающие фильтры с полосами пропускания 60 и 75 нанометров.

Красное возбуждение — комбинация флуоресцентных фильтров компании Nikon для красного возбуждения представлена одним блоком, который включает полосовой эмиссионный (запирающий) фильтр, способный избирательно пропускать флуоресцентное свечение в дальнем красном и ближним инфракрасном участках спектра. Середина полосы пропускания запирающего фильтра приходится на 700 нанометров, а её ширина — 75 нанометров (от 663 до 738 нанометров). Широкая 60-нанометровая полоса возбуждения от 590 до 650 нанометров захватывает оранжевые и красные длины волн. В комбинацию Cy5 HYQ входит дихроичное зеркало с отсечкой на 660 нанометрах, что на 10 нанометров больше отсечки полосы возбуждения.

Возбуждение жёлтого флуоресцентного белка (YFP) — для жёлтого флуоресцентного белка компанией Nikon разработана одна высококачественная сбалансированная комбинация, которая расширяет возможности регистрации флуоресцентного белка (обеспеченные тремя фильтрационными наборами для зелёного флуоресцентного белка (GFP)) благодаря использованию фильтров для вариантов GFP с большей длиной волны (YFP и EYFP). В блок фильтров YFP HYQ входят фильтры возбуждения и эмиссионные (запирающие) фильтры с относительно узкой полосой пропускания, разработанные специально для соответствия спектральным характеристикам жёлтого флуоресцентного белка с усиленной флуоресценцией (усиленного YFP), что позволяет оценить флуоресценцию от дериватов YFP отдельно от остальных флуоресцентных белков.

Возбуждение в двух полосах — набор двухполосных флуоресцентных фильтров Nikon состоит из трёх тщательно сбалансированных комбинаций, включающих двухполосные фильтры (возбуждения и эмиссионные (запирающие) фильтры), объединённые в одном блоке, избирательно пропускающем флуоресцентное свечение от двух флуорофоров одновременно. Каждый из фильтрационных блоков оптимально сочетается со специфичной флуорохромной парой, хотя также эффективно может работать и с другими парами флуоресцентных красителей, имеющих те же спектральные профили поглощения и испускания. Благодаря точному подбору полос, с крутыми межполосными переходами между участками отражения и пропускания, различные сигналы возбуждения и испускания разделяются с минимально перекрывающейся интерференцией.

Возбуждение в трёх полосах — трёхполосные флуоресцентные фильтры Nikon представлены двумя сбалансированными блоками, включающими трёхполосные фильтры (возбуждения и эмиссионные (запирающие) фильтры), избирательно пропускающие флуоресцентное свечение от трёх флуорофоров одновременно. Каждый из фильтрационных блоков оптимально сочетается со специфичным набором из трёх флуорохромов, хотя также эффективно может работать и с другими комбинациями красителей, имеющих те же спектральные профили поглощения и испускания. Благодаря точному подбору полос, с крутыми межполосными переходами между участками отражения и пропускания, различные сигналы возбуждения и испускания разделяются с минимальной интерференцией между ними. Тройные кубы.

HYQ кубы — HYQ комбинации флуоресцентных фильтров Nikon представлены четырьмя тщательно сбалансированными высококачественными блоками, каждый из которых включает полосные эмиссионные (запирающие) фильтры для избирательного пропускания флуоресценции в пределах ограниченного диапазона. В обозначении каждого HYQ-фильтра отражено название флуорохрома, для которого он был разработан, но в пределах своих диапазонов возбуждения каждая комбинация может применяться для наблюдения различных флуорохромов с соответствующими характеристиками.

Базовый список блоков флуоресцентных фильтров Nikon

В основе системы условных обозначений, применяемых компанией Nikon, лежат смешанные термины, появившиеся в начале 1990-х годов. В то время все дополнительные комбинации фильтров Nikon производились методом напыления твёрдых покрытий, но сегодня при производстве многих фильтров, применяются передовые методы мягкого покрытия. И хотя мягкие покрытия более чувствительны к влажности и нагреву и требуют более аккуратного (по сравнению с твёрдыми покрытиями) обращения, они демонстрируют более высокие значения оптической плотности и обеспечивают бо?льшую лёгкость в тонкой настройке специфичных полос пропускания. Понимание условных обозначений комбинаций фильтров Nikon позволяет быстро подбирать необходимые фильтры для специфичных флуророфоров.

Первая буква в принадлежащей компании Nikon системе буквенно-цифровых обозначений указывает на участок спектра возбуждения (например, UV, V, B, и G являются сокращениями от английских слов «ultraviolet» — ультрафиолетовый, «violet» — фиолетовый, «blue» — синий, и «green» — зелёный, соответственно). Число, следующее за кодировкой спектра возбуждения, обозначает ширину полосы пропускания фильтра возбуждения: 1 соответствует узкополосному возбуждению, 2 — среднеполосному, и 3 — широкополосному возбуждению. И, наконец, одна или несколько букв, следующих за числом, соответствующим ширине полосы возбуждения, обозначают характеристики запирающего фильтра. Буква A указывает на стандартный широкополосный запирающий фильтр с самой низкой длиной волны отсечки, B обозначает широкополосный эмиссионный фильтр, имеющий более высокую волну отсечки. Обозначение E (от английского «enhanced» — усиленный) в полосных эмиссионных фильтрах указывает на улучшенные характеристики в смысле сокращения интерференционного взаимодействия разделяемых сигналов. Обозначение E/C указывает на комбинацию мягких интерференционных покрытий, разработанных специально для работы с такими специфическими красителями, как DAPI, FITC, TRITC и техасский красный.

Обзор флуоресцентного спектрофотометра Agilent Cary Eclipse от Gluvex

Agilent — ваш основной поставщик и партнер в области молекулярной спектрометрии. Всемирно известная линейка спектрометров Agilent Cary, включающая ИК-Фурье-спектрометры, спектрофотометры УФ-, видимого и ближнего ИК-диапазона и флуоресцентные спектрофотометры, представляет собой исчерпывающий диапазон решений для молекулярной спектроскопии.

Флуоресцентный спектрофотометр

Agilent Cary Eclipse — это эффективный, точный и универсальный прибор, позволяющий решать как текущие, так и будущие задачи. Точный контроль температуры, отсутствие эффектов фотообесцвечивания пробы и широкий ряд возможностей измерения гарантируют, что вы можете доверять ответам, полученным с помощью спектрофотометра Agilent Cary Eclipse.

• Низкие эксплуатационные расходы. Три миллиарда вспышек — это порядка 10 лет срока службы лампы. Такая долговечность снижает число замен лампы и экономит вам деньги в течение всего срока службы прибора.
• Кюветы больше не нужны. Опциональный волоконно-оптический зонд оптимизирует рабочий процесс и снижает затраты, позволяя получить точные результаты быстрее.
• Быстрый сбор данных. Скорость сканирования до 24 000 нм/мин позволяет пройти весь спектральный диапазон менее чем за 3 секунды и замерить более 80 точек в секунду для кинетических измерений.
• Чувствительность. Обнаружение флуоресцеина в пикомольных количествах как в стандартных, так и в микрокюветах.
• Простое измерение ценных и биологических проб. Ксеноновая импульсная лампа позволяет исследовать пробы малых объемов с высокой чувствительностью, не допуская их деградации.
• Универсальность. Спектрофотометр с режимами сбора данных флуоресценции, фосфоресценции, хемилюминесценции и биолюминесценции — это надежный и универсальный прибор для любых аналитических нужд.

Качество и высокие аналитические характеристики за счет конструкции

Наш огромный опыт создания превосходных и инновационных оптических конструкций гарантирует вам каждый раз правильный ответ.

Мощное излучение ксеноновой лампы

Благодаря своей уникальной ксеноновой импульсной лампе, флуоресцентный спектрофотометр Agilent Cary Eclipse:

• Нечувствителен к внешней засветке — уникальная оптическая конструкция позволяет выполнять измерения с открытым отсеком для проб, чтобы исследовать большие пробы и образцы неправильной формы.
• Универсален — высокосфокусированный световой пучок замечательно работает в связке с волоконно-оптическим зондом, делая Agilent Cary Eclipse наилучшим инструментом для флуоресцентной спектроскопии с помощью волоконной оптики.
• Эффективен — лампа вспыхивает только в момент осуществления измерения. Это означает отсутствие потерь времени на прогрев, низкий расход электроэнергии и сниженные требования к техническому обслуживанию. Это же исключает фоторазложение, так как фоточувствительные пробы не подвергаются избыточному воздействию света.

Ксеноновая импульсная лампа

Соотношение «сигнал — шум»

Режим «сигнал — шум» (S : N) позволяет контролировать нужный уровень воспроизводимости по всей ширине спектра. Это полезно при исследовании проб, интенсивность испускания которых сильно изменяется  в зависимости от длины волны.

Режим «сигнал — шум» позволяет уменьшить время сканирования более чем на 50%, так как в этом режиме система сканирует с повышенной скоростью в областях с высокой интенсивностью испускания и увеличивает продолжительность усреднения сигнала в тех областях, где интенсивность испускания ниже.

 

Существенно улучшенное программное обеспечение

Прибор полностью управляется с помощью простого и ориентированного на конкретные применения программного обеспечения.

Модульная архитектура программы Agilent Cary Eclipse WinFLR позволяет приспособить ее к любым аналитическим требованиям. Набор программных модулей включает в себя как поддержку простой записи спектров и измерений концентрации, так и более сложные типы измерений для медико-биологических исследований, требующие нетривиального контроля поляризации излучения или температуры.

Приборы Agilent Cary Eclipse дополняют ряд принадлежностей и программных средств, созданных специально для ваших аналитических нужд.

Cпектрофлуориметр
Agilent Cary Eclipse

Принадлежности для улучшения рабочих характеристик

Широкий ассортимент принадлежностей для флуоресцентных спектрофотометров Agilent Cary Eclipse позволяет работать с самым широким спектром проб различных размеров и типов.

Принадлежности для жидких проб:

• Автоматический фотометр к микропланшетам для разработки методик и измерений с высоким пробопотоком.
• Оптоволоконные зонды и соединители для быстрых и точных измерений без кювет.
• Одно- и многокюветные термостатируемые держатели (с элементом Пельтье или водяным термостатом) позволяют воспроизводимо контролировать температуру.
• Температурный зонд позволяет точно измерять температуру внутри кюветы.
• Быстрая мешалка для исследования сверхбыстрых кинетических процессов, заканчивающихся за считаные секунды.
• Ручные и автоматизированные поляризаторы для возбуждения при длинах волн от 275 нм и выше.

Приставки для твердых, порошкообразных и пастообразных проб:

• Держатель твердых проб позволяет записывать спектры флуоресценции проб различных типов, таких как светофильтры, порошки, гели, оптические элементы и ткани.
• Оптоволоконные зонд и соединитель для измерений в режиме отражения.

Автоматический фотометр для микропланшетов для измерений с высоким пробопотоком

С помощью дополнительного автоматического фотометра для микропланшетов флуоресцентный спектрофотометр Agilent Cary Eclipse менее чем за полминуты преобразуется в устройство для измерений с высоким пробопотоком в формате микропланшетов. Он позволяет осуществлять сканирование во всем спектральном диапазоне с высокой чувствительностью с помощью отражательной, а не волоконной оптики.

• Измерения для всех лунок 96-луночного планшета могут быть произведены менее чем за 50 с, 384-луночного — менее чем за 90 с.
• Снятие спектра во всем спектральном диапазоне для каждой лунки занимает считаные минуты. Измерения можно производить в режимах стационарной флуоресценции, фосфоресценции, био- или хемилюминесценции, а также в режиме измерений замедленной флуоресценции с разрешением во времени.
• Имеется возможность измерения для крайне малых количеств материала пробы, отложившихся на дне или на стенках лунки.
• Для нестандартных микропланшетов или субстратов имеется возможность произвольной настройки позиций, в которых производятся измерения. Контроль размера пятна фокусировки может обеспечивать малые размеры пятна вплоть до 2 мм.
• Автоматическая фокусировка пучка возбуждающего излучения в нужные точки микропланшета и хранение информации обо всех типах планшетов.
• Измерение проб, таких как гели, пленки и твердые вещества, в различных точках поверхности с использованием автоматического фотометра для микропланшетов в качестве устройства для перемещения образца в плоскости.

Применения в химической промышленности и исследовании материалов

Там, где необходимо экономичное и воспроизводимое производство продуктов с высоким качеством конечной обработки, инновационные и надежные аналитические решения — залог успеха. Флуоресцентные спектрофотометры Agilent Cary Eclipse требуют минимального объема операций пробоподготовки и дают возможность использовать самые разные решения для исследования различных типов проб.

Широкие возможности исследования различных типов проб:

• Сочетание флуоресцентных спектрофотометров Agilent Cary Eclipse с оптоволоконными зондами дает чувствительный флуоресцентный спектрофотометр для бесконтактных измерений.
• Оптоволоконная система позволяет измерять испускание с поверхностей твердых образцов и жидкостей.
• Нечувствительность к внешней засветке дает возможность исследовать пробы любого размера и формы.

Превосходные параметры сканирования:

• Конструкция привода монохроматора обеспечивает высокую скорость сканирования, 24 000 нм/мин, без эффектов дрейфа пиков. Дифракционная решетка перемещается, только когда лампа выключена, реализуя алгоритм измерений «перемещение — остановка — вспышка», при котором в момент осуществления измерения длина волны не меняется.
• Режим сканирования с компьютеризованным усреднением промежуточных данных (CAT) позволяет усреднять несколько отдельных спектров, пока отношение «сигнал — шум» не станет удовлетворительным.

Исследование флуоресценции стиральных порошков:

• Флуоресцентный спектрофотометр Agilent Cary Eclipse с держателем твердых проб позволяет измерять флуоресценцию оптических отбеливателей в стиральных порошках.
• Держатель твердых проб легко устанавливается и юстируется и позволяет минимизировать объем операций пробоподготовки.
• В сочетании с держателем для порошкообразных проб и набором для фиксации плоских проб по краям это дает еще больше возможностей исследования твердых проб.
• Снятие спектров с открытым отсеком для проб.

Флуоресцентные исследования сталактитов

• Флуоресцентный спектрофотометр Agilent Cary Eclipse, оборудованный оптоволоконными соединителем и зондом, позволяет измерять флуоресценцию сложных твердых образцов, таких как сталактиты.
• Оптический световод позволяет исследовать образцы неправильной формы, такие как сталактиты и живые кораллы.
• Оптоволоконный зонд и соединитель легко устанавливаются и юстируются и не требуют пробоподготовки.
• Теперь спектр флуоресценции получить легко — просто коснитесь кончиком зонда для твердых объектов поверхности образца. При этом защита от внешнего освещения не нужна.

Применения в биомедицинских исследованиях

В области, где требуются точность и производительность, перед аналитиками стоят как никогда сложные задачи. Сегодня от анализов требуют еще большей надежности, эффективности и высокого качества результатов, чем прежде. Компания Agilent гарантирует непревзойденные оптические характеристики и контроль температуры для исследования самых сложных проб с наивысшей точностью.

Защита ценных проб:

• Светочувствительные пробы не подвергаются длительному воздействию света, так как лампа дает импульс только для измерения очередной точки данных, что предотвращает фоторазложение.
• Микрокюветы позволяют с высокой точностью исследовать ценные биологические пробы.
• Так как лампа не выделяет тепла, температура отсека для проб остается постоянной, что позволяет получить точные и воспроизводимые данные.

Быстрые и точные кинетические измерения:

• Система позволяет считывать данные стационарной флуоресценции со скоростью 80 измерений в секунду и приостанавливать сбор данных в любой момент для добавления реагентов, не жертвуя аналитическими характеристиками.
• Период сбора данных можно продлевать в ходе анализа.
• Возможность осуществления измерений фосфоресценции и замедленной флуоресценции с временным разрешением.
• Быстрая мешалка позволяет исследовать реакции, продолжающиеся менее 1–2 секунд.

Измерение внутриклеточных концентраций ионов:

• Устройство быстрой смены фильтров или повышенная скорость сканирования монохроматора позволяют в реальном времени измерять данные для определения внутриклеточных концентраций ионов и значений Промежуток времени между измерениями может быть от 50 мс до 1 с для измерения соотношений между формами с различными длинами волны возбуждения или испускания или даже каждые 12,5 мс для измерения красителей на одной длине волны.

Исследования вращательного движения молекул:

• Дополнительные пленочные поляризаторы с пропусканием в УФ-диапазоне позволяют снизить длину волны возбуждения до 275 нм, что позволяет возбудить без фотообесцвечивания даже триптофан.
• Поляризаторы позволяют выполнять измерения под углом 55˚ к плоскости поляризации, а также под дополнительным углом 35˚.
• Низкий коэффициент гашения при перпендикулярном положении направлений поляризации позволяет с высокой точностью и воспроизводимостью изучать вращательное движение белковых молекул и взаимодействия с растворителями.
• Надежная конструкция позволяет легко чистить и обслуживать поляризаторы.

Высокая точность контроля температуры:

Термостатируемый держатель кювет с элементом Пельтье флуоресцентного спектрофотометра Agilent Cary Eclipse обеспечивает следующие преимущества:

• Одновременное исследование до четырех проб.
• Быстрый и воспроизводимый контроль температуры, необходимый для контроля интенсивности флуоресценции.
• Высокую стабильность температуры во времени (типичные колебания ±0,05 °C).
• Минимальную разницу температур между кюветами (не более 0,2 °C при 37 °C).
• Точное измерение температуры самих проб в кюветах с помощью температурных зондов.
• Встроенную электромагнитную мешалку с точным контролем скорости перемешивания без флуктуаций (до четырех кювет).
• Для исследования термической денатурации и ренатурации ДНК с помощью флуоресцентного (Фёрстеровского) резонансного переноса энергии (FRET) можно задавать низкие скорости изменения температуры вплоть до 0,06 °C/мин.

Хотите подробнее узнать о флуоресцентном спектрофотометре Agilent Cary Eclipse? Тогда свяжитесь с представителем нашей компании по телефону: +7 (499) 270-16-62 или воспользуйтесь онлайн-формой на сайте.

Press-room — IBCh RAS

Объявления →

• science news Conformational changes in the receptor tyrosine kinase IRR during activation were determined April 5

  Researchers of the Laboratory of Receptor Cell Biology IBCh RAS together with colleagues from the IPCE RAS and IC RAS carried out a study of the IRR structure by atomic force microscopy and small-angle X-ray scattering. The conformations of the receptor in the active and inactive states have been determined; on the basis of the obtained data, an activation mechanism has been proposed.

• science news The role of natural mutations of the human protein SLURP-1 in the pathogenesis of Mal de Meleda skin disease has been determined March 29

  Mal de Meleda (MDM) is recessively inherited palmoplantar keratoderma associated with mutations in a gene encoding SLURP-1 protein. SLURP-1 is a paracrine regulator of keratinocyte homeostasis interacting with the α7 type nicotinic acetylcholine receptor (α7-nAChR). This receptor participates in control of growth, terminal differentiation, apoptosis and cornification of keratinocytes. Dysregulation of the α7-nAChR function due to SLURP-1 deficiency or point mutations of this protein may underlie MDM pathogenesis.

• science news Genomic DNA i-motifs as fast sensors responsive to near-physiological pH microchanges January 4

  Researchers from Federal Research and Clinical Center of Physical-Chemical medicine and Institute of Bioorganic Chemistry RAS, in collaboration with Skolkovo University of Science and Technology and D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia developed simple and robust sensors for detecting microchanges in intracellular pH.

• science news From cytoskeleton to pluripotency: a new mechanism for regulating stem status of the embryonic cells November 17, 2020

  Researchers from the Laboratory of Molecular Bases of Embryogenesis (Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry RAS), in technical cooperation with colleagues from the Department of Metabolism and Redox Biology (Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry RAS), the Laboratory of Genomics and Epigenomics of Vertebrates in the Federal Center «Fundamentals of Biotechnology» RAS, as well as with colleagues from the Cell Motility Group of the Institute of Protein Research RAS, discovered a previously unknown mechanism of the regulation of the activity of genes that determine the pluripotent status of the embryonic stem cells.

• science news Dual Targeting of Cancer Cells with DARPin-Based Toxins for Overcoming Tumor Escape November 17, 2020

  Researchers of the Laboratory of Molecular Immunology, IBCh RAS, in collaboration with Russian colleagues have shown that the strategy of targeting of anticancer toxins to two different surface antigens on the surface of a cancer cell is effective in the treatment of not only primary solid tumors, but also distant metastases.

• science news Liquid drop of DNA libraries reveals total genome information October 22, 2020

  Unlike the tightly controlled replication of DNA in living cells, PCR amplification, a “workhorse” of molecular biology, balances between simplicity and accuracy. Conventional “bulk” PCR often yields inefficient and nonuniform amplification of complex templates in DNA libraries, introducing unwanted biases.

• science news Discovery of the novel protein encoded in mammalian mitochondrial DNA polymerase gene POLG September 25, 2020

  Researchers from Laboratory of bioinformatics approaches in combinatorial chemistry and biology and Laboratory of high-performance screening of biological objects together with colleagues from Moscow State University and University College Cork (Ireland) discovered novel protein POLGARF, which is encoded in alternative reading frame of mitochondrial DNA polymerase POLG mRNA. The results of this study are published in PNAS.

• science news Multiscale computation delivers organophosphorus reactivity and stereoselectivity to immunoglobulin scavengers September 10, 2020

  The scientists from the Laboratory of biocatalysis, the Laboratory of proteolytic enzyme chemistry, the Laboratory of bioinformatics approaches in combinatorial chemistry and biology and the Laboratory of hormonal regulation proteins, together with colleagues from EMBL-Hamburg, Moscow State University. M.V. Lomonosov, the Sheffield Institute and the Scripps Research Institute have developed a universal algorithm that makes it possible to create biological antidotes based on biocatalysts, directionally increasing their reactivity, and to predict stereoselectivity.

• science news The discovery of four genes of the Noggin family in lampreys is consistent with the hypothesis of two rounds of genomic duplications in vertebrate ancestors September 10, 2020

  Researchers from the Laboratory of Molecular Bases of Embryogenesis, together with a colleague from the Severtsov Institute of Ecology and Evolution, described for the first time four genes of the Noggin family in the oldest representatives of vertebrates — lampreys, and compared their structure, expression and some functional features with those of the known genes of this family in other vertebrates.

• science news A versatile platform for bioimaging based on colominic acid-decorated upconversion nanoparticles September 3, 2020

  Scientists from the IBCh RAS, Federal Scientific Research Centre “Crystallography and Photonics”, FSBSI “N.N. Blokhin Russian Cancer Research Center”, Lomonosov Moscow State University of Fine Chemical Technologies and Sechenov First Moscow State Medical University developed a method for the UCNP surface functionalization with endogenous colominic acid conferring “stealth” properties, which led to effective accumulation in the area of inflammation, as well as micro- and macro-blood vessels visualization.

• conferences International School «Molecular mechanisms of neurodegenerative diseases» November 26, 2020 (This event is over)

  Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) invites you to take part in the International school for young scientists «Molecular mechanisms of neurodegenerative diseases», which will be held on November 26, 2020 online.

• science news Lecture by Director-General of the ICGEB Lawrence Banks «Human Papillomaviruses: From Infectious Entry to Malignancy» January 27, 2020 (This event is over)

  ICGEB Director-General Group Leader Lawrence Banks will deliver a lecture entitled «Human Papillomaviruses: From Infectious Entry to Malignancy».  Date and time: Mon 27 January 2020 14:00. Location: Small conference hall at 3rd floor BON IBCh.

• science news LIGHTS ON: Molecular Imaging of disease dynamics in vivo September 27 — October 11, 2019 (This event is over)

  Abhijit De PhD Scientific Officer ‘F’ and Principal Investigator Head, Molecular Functional Imaging Lab Advanced Centre of Training Research and Education in Cancer, Tata Memorial Centre, Kharghar, Navi Mumbai, India.

• science news Seminar «Molecular Brain»: Anton Maximov October 8, 2019 (This event is over)

  The seminar will be held on the 8th of October at 3 pm in the Small lecture hall (3rd floor, BON, IBCh). Everyone is welcome!

• conferences II Joint Life Sciences Forum: VI Russian Congress on Biochemistry and IX Russian Symposium «Proteins and Peptides» October 1–6, 2019 (This event is over)

  Dear Colleagues! We are pleasure to invite you to participate the VI Russian Congress on Biochemistry, which will be held in Sochi, Russia (Dagomys Hotel) on October 1-6, 2019.

• science news Lecture by Prof. Yibo Wang «Drug Discovery Targeting Transmembrane Protein-Protein Interactions» August 26, 2019 (This event is over)

  Prof. Yibo Wang from the Changchun Institute of Applied Chemistry will deliver a lecture entitled «Drug Discovery Targeting Transmembrane Protein-Protein Interactions». Date and time: Mon 26 August 2019 11:30. Location: Conference hall at 5th floor BON IBCh.

• conferences 12th INTERNATIONAL CONFERENCE “BIOCATALYSIS.FUNDAMENTALS & APPLICATIONS” “BIOCATALYSIS-2019” June 24–28, 2019 (This event is over)

  Dear colleagues, The Lomonosov Moscow State University and RAS institutes, including IBCH RAS, is planning to convene a traditional biannual 12 th International Conference «BIOCATALYSIS-2019» in June, 24–28, 2019. Conference will be convened on board a ship cruising via the route St. Petersburg – Valaam – Kizhi – St. Petersburg. More info is available at http://bc2019.org/.

• science news Scientific School for young scientists «Structural biology: main problems and approaches to their solution» June 6, 2019 (This event is over)

  Dear colleagues! The Scientific School is devoted to the latest achievements and methods in the field of structural research will be held at the IBCh RAS on Thursday, 6 June 2019. The scientific program of the School includes lectures by leading scientists working in various fields of molecular biology and representing the basic structural methods, namely, X-ray Crystallography, Cryo-Electron Microscopy, NMR-spectroscopy and computer modeling.

• science news «Molecular Brain» seminar April 16, 2019 (This event is over)

  The seminar is timed to the birthday of academician Eugene Grishin and will take place on April 16 at 14:00 in the Hall of Academic Council. Members of the Department of Molecular Neurobiology created by Eugene, will give talks on their present work. Everyone is cordially invited.

• science news Microscopic Imaging of Epigenetic Landscape — A Universal Platform to Study Epigenetic Changes at Single Cell Level February 15, 2019 (This event is over)

Ученые описали превращение зеленого флуоресцентного белка в красный

Российские ученые изучили фотоконверсию зеленого флуоресцентного белка (GFP) в красную форму. Полученные данные имеют большое значение для развития биосенсоров, а также для лучшего понимания эволюции флуоресцентных белков. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers of Molecular Biosciences.

Группа ученых из Сколковского института науки и технологий, Института биоорганической химии РАН и МГУ описала промежуточные спектральные состояния в ходе фотоконверсии — превращения под действием света — GFP из зеленой в красную форму. Компьютерное моделирование позволило исследователям предложить структуры состояний хромофора — части молекулы, отвечающей за цвет — и впервые детально описать молекулярный механизм трансформации белка.

«Во-первых, окислительно-восстановительные фотоконверсии ответственны за быстрое фотовыцветание GFP при микроскопии — один из важнейших лимитирующих факторов практического использования GFP. Во-вторых, интенсивность фотоконверсии может служить показателем состояния клетки — насыщенности кислородом и окислительном стрессе, возникающем при избытке активных форм кислорода. Наконец, это может служить ключом к пониманию первичных функций предков GFP-подобных белков. Ведь они возникли на очень ранних этапах эволюции царства животных, когда ни у кого вокруг не было глаз для обнаружения флуоресценции. Следовательно, флуоресцентные белки тогда выполняли другие, “базовые”, функции, например, функцию защиты от избыточного солнечного света или перенос электронов», — подчеркивает один из исследователей, профессор Центра наук о жизни Сколтеха Константин Лукьянов.

GFP впервые был обнаружен у медузы и вызвал настоящую технологическую революцию в биологии. Он стал первой флуоресцентной меткой, кодируемой генетически, и позволил изучить и визуализировать множество клеточных процессов. Еще в 1997 году было замечено, что в бескислородной среде под действием света зеленый белок становится красным. Это стало первым свидетельством того, что флуоресцентный белок может проявлять красную флуоресценцию. Однако до этой работы механизм фотоконверсии не был изучен из-за неустойчивости продуктов превращения, мешающей применить стандартные подходы для прямого определения структуры.

Определение флуоресцентного излучения по Merriam-Webster

флуоресцентный | \ flu̇-ˈre-sᵊnt , flȯ- \

2 : яркий и светящийся в результате флуоресценции флуоресцентные чернила широко : очень яркие цвета

Что такое люминесцентное освещение?

Люминесцентное освещение. Вы, наверное, уже имеете представление о том, что это такое. Может быть, вы хоть немного разбираетесь в том, как это работает.

Конечно, люминесцентное освещение опасно для глаз и размывает цвет лица.

Но флуоресцентное освещение — это гораздо больше, чем не очень идеальные побочные эффекты, включая некоторые приятные преимущества.

Вот что мы обсуждаем в этом посте:

Что такое люминесцентное освещение?

Флуоресцентное освещение — это универсальный тип освещения, с которым вы, скорее всего, столкнетесь в офисе, школе или продуктовом магазине.Он известен своей энергоэффективностью по сравнению с лампами накаливания и галогеновыми лампами и более низкой ценой по сравнению со светодиодами.

Существует несколько различных типов люминесцентного освещения, включая линейные люминесцентные лампы, люминесцентные изогнутые лампы, люминесцентные лампы с круговой линией и компактные люминесцентные лампы (компактные люминесцентные лампы).

В этой статье мы сосредоточимся на линейных люминесцентных лампах из-за их популярности. Люминесцентные лампы обычно используются в потолочных светильниках, таких как troffers, во всех типах коммерческих зданий.

Как работают люминесцентные лампы?

Флуоресцентное освещение зависит от химической реакции внутри стеклянной трубки для создания света. Эта химическая реакция включает взаимодействие газов и паров ртути, в результате чего образуется невидимый ультрафиолетовый свет. Этот невидимый ультрафиолетовый свет освещает люминофорный порошок, покрывающий внутреннюю часть стеклянной трубки, излучающий белый «флуоресцентный» свет.

Вот более подробная разбивка процесса:

Электричество сначала попадает в осветительную арматуру, как трос, и через балласт.Балласт, который регулирует напряжение, ток и т. Д. И необходим для работы люминесцентной лампы, подает электричество на контакты люминесцентной лампы на обоих концах.

Подробнее: Что такое балласт и как он работает?

Затем, после того, как электричество проходит через контакты, оно течет к электродам внутри герметичной стеклянной трубки, в которой поддерживается низкое давление. Электроны начинают перемещаться по трубке от одного катода к другому.

Внутри стеклянной трубки находятся инертные газы и ртуть, возбуждаемые электрическим током.Ртуть испаряется, когда течет электричество, и газы начинают реагировать друг с другом, создавая невидимый ультрафиолетовый свет, который мы фактически не видим невооруженным глазом.

Но мы, очевидно, замечаем люминесцентные лампы, излучающие свет, так что же именно мы видим?

Каждая люминесцентная лампа покрыта люминофорным порошком. Если воткнуть палец в тюбик и потереть его изнутри, это будет выглядеть так, как будто вы только что насладились порошкообразным пончиком.

Это люминофорное покрытие светится, когда оно возбуждается невидимым ультрафиолетовым светом, и это то, что мы видим нашими глазами — светящийся порошок люминофора, который создает «белый свет».Отсюда и термин «флуоресцентный» — «светящийся белый свет».

Из-за содержания ртути в люминесцентных лампах важно утилизировать лампы после того, как они перегорели. У нас есть служба утилизации, которая позволяет легко и быстро избавиться от старых перегоревших ламп из вашего шкафа и забыть о них. Мы также продаем коробки для вторсырья.

Зачем люминесцентным лампам балласт?

Основная цель балласта — принимать переменный ток, проходящий через провода в ваших стенах — буквально волнами, вверх и вниз — и превращать его в постоянный и прямой поток электричества.Это стабилизирует и поддерживает химическую реакцию, происходящую внутри колбы.

Чтобы правильно выбрать балласт для ваших ламп, вам необходимо ответить на эти три вопроса:

1. Какому типу лампы требуется питание? (Например, это T8, T5? 4 фута? 2 фута? И т. Д.)
2. Сколько ламп нужно мощности?
3. Какое напряжение идет на прибор?

Балласты влияют на потребление энергии через так называемый балластный фактор.Подробнее о балластном факторе и его влиянии на потребление энергии читайте здесь.

Почему люминесцентные лампы становятся розовыми и оранжевыми?

Если вы посмотрите на большую комнату, освещенную в основном люминесцентными лампами, то с большой вероятностью вы увидите все виды разных цветов, исходящих с потолка. Почему?

Эта концепция называется «смещение цвета». Чем дольше горят флуоресцентные лампы, тем больше вероятность того, что химические свойства изменятся и вызовут несбалансированную реакцию, в результате чего флуоресценция станет менее белой и менее яркой, чем была раньше.

Если последовательность действительно важна для вашего проекта освещения, вы можете подумать о групповой замене этих лампочек. Заменяя все трубки партиями, вы можете устранить проблему несоответствия цветов и яркости в вашем помещении.

Еще одно соображение — это обновление светодиодов для ваших ламп. О вариантах светодиодных ламп T8 мы поговорим в этой статье.

В чем разница между линейными люминесцентными лампами и компактными люминесцентными лампами?

Чтобы уточнить, как в линейных, так и в компактных люминесцентных лампах используется одна и та же технология для создания искусственного света.Самая большая разница — это форм-фактор или размер и конфигурация ламп CFL.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) — это просто усовершенствование линейной люминесцентной технологии, потребляющее меньше энергии. Они также предназначены для ввинчивания в обычную розетку для лампы накаливания или для вставки в утопленную банку. Их часто называют «пружинными лампами» или «подключаемыми» КЛЛ в зависимости от назначения и формы.

Узнайте больше о компактных люминесцентных лампах в нашем посте: «Что такое лампы CFL и где их следует использовать?»

Где вы используете линейное люминесцентное освещение?

Хотя люминесцентные лампы используются в самых разных областях, они работают не везде.Самая распространенная причина, по которой люди используют люминесцентные лампы, — это экономия энергии с минимальными первоначальными затратами.

Вот некоторые типичные области применения линейного люминесцентного освещения:

Коммерческие офисы

Обычно офисные помещения не слишком заботятся о декоративном и акцентном освещении. Главный приоритет — общее освещение, функциональное для офисной среды. Из-за этого линейные люминесцентные лампы являются основными лампами, используемыми в офисных помещениях в США.

Склады

Если вы не знакомы с T5 с высокой выходной мощностью, вам необходимо это знать.Эти лампы могут прослужить до 90 000 часов и производить больше света (люмен), чем более толстые линейные люминесцентные лампы, такие как T12s и T8s. Из-за этого они являются отличным выбором для складов — или вообще для любого многоярусного потолка, где требуется значительное количество света.

Больницы

Подобно офисным помещениям, в больницах также используются линейные люминесцентные лампы для экономии энергии и получения белого, чистого и эффективного источника света.

Розничные магазины

При создании уникального дизайна освещения для розничной торговли мы рекомендуем правило 20/80 — 20 процентов вашего освещения должно быть декоративным и уникальным (например, настенные бра, люстры, чаши с облаками).И 80 процентов его должно быть стандартным общим освещением.

В таких универмагах, как Macy’s, JC Penney, Kohl’s и Target, 80-процентное общее освещение является основной областью для линейных флуоресцентных ламп.

Плюсы и минусы линейного люминесцентного освещения

Линейные люминесцентные профи

• Энергоэффективность

  Переоборудовав лампы накаливания или галогенные на линейные люминесцентные лампы, вы можете рассчитывать на 40-процентную экономию на счетах за электроэнергию.

• Разнообразие цветовых температур

  Если вам нужно действительно «прохладное» пространство, такое как коридор больницы или станция метро, ​​флуоресцентные лампы предлагают такую ​​прохладную цветовую температуру, как 6500 Кельвинов. Хотя не так много приложений, в которых требуется настолько холодный свет, диапазон цветов от теплого до холодного — это гибкость для флуоресцентных ламп.

• Стоимость

  По сравнению со светодиодами, линейное люминесцентное освещение, как правило, более доступно.Фактически, светодиоды привели к снижению цен на флуоресцентные лампы за последние несколько лет.

Линейные флуоресцентные прожекторы

• Изменение цвета или уменьшение светового потока

  Как мы упоминали выше, чем дольше горят флуоресцентные лампы, тем больше вероятность того, что химические свойства изменятся, что вызовет несбалансированную реакцию, что сделает флуоресценцию менее белой и менее яркой, чем была раньше. Светоотдача снижается, и со временем ваше освещение может выглядеть как лоскутное одеяло.

• Резкий свет

  Флуоресцентные лампы не приятны для глаз! Если вы обнаружите, что ваши глаза часто налиты кровью или сухие, вы можете оценить источник света, под которым вы находитесь большую часть дня. Например, линейные люминесцентные лампы в параболических троферах в офисном помещении могут вызвать у вас подсознательное косоглазие из-за резкого света. Лучшим применением были бы линейные флуоресцентные лампы в центральном фильтре, который смягчает свет, падающий на землю.

• Период прогрева

  Для того, чтобы флуоресцентные лампы достигли своей полной яркости, вам, возможно, придется подождать 10-30 секунд для прогрева.

• Воздействие на окружающую среду или Затраты на переработку

  Хотя затраты на переработку перевешиваются за счет экономии энергии, создаваемой флуоресцентными лампами, существуют дополнительные расходы на обеспечение правильной утилизации люминесцентных ламп. Если вы не хотите вообще заниматься ртутью и переработкой, светодиоды могут быть для вас лучшим вариантом.

Есть еще вопросы о том, подходит ли флуоресцентное освещение для вашей области применения? Поговорите со специалистом по освещению, который расскажет о специфике вашего помещения.

Флуоресцентные лампы

Томас Эдисон не был первым человеком, который работал с лампами накаливания — действительно, такие ранние ученые, как Хамфри Дэви и Алессандро Вольта, пытались использовать электричество, чтобы нагреть вещество до раскаленного состояния. Однако Эдисон был первым, кто создал практичную и коммерчески жизнеспособную лампочку. Поскольку лампы накаливания меняют культуру, они сталкиваются с одной серьезной проблемой: неэффективностью. До 90% энергии, выделяемой лампой накаливания, составляет тепло.Это может быть полезно, если вы живете на Северном полюсе, но в большинстве стран с умеренным климатом это просто увеличивает повышение температуры, с которым необходимо бороться с помощью кондиционирования воздуха. Лампы накаливания не являются оптимальным источником света.

Однако есть несколько способов генерировать свет. Он использует идеи квантовой механики вместо теплофизики.

Флуоресценция

Флуоресценция — это процесс, при котором вещество поглощает свет, а затем излучает свет с другой длиной волны.В большинстве случаев флуоресцентные материалы излучают свет с более низкой частотой и энергией, чем поглощается, хотя иногда бывают двухфотонные излучения, при которых излучаемый свет имеет более высокую энергию. Слово «флуоресценция» было придумано британским физиком Г.Г. Стокса в 1852 году после минерала флюорита (кристаллический CaF ₂ ), который сильно флуоресцирует из-за примесей. Его наблюдали еще в 1560-х годах, но только в середине 19 века Стокс описал это явление после экспериментов с ультрафиолетовым светом (который сам был идентифицирован как часть спектра только в 1801 году).

Рисунок 1: Схема процесса флуоресценции: 1 = возбуждение, 2 = релаксация и 3 = излучение. Начальное и промежуточное возбужденные состояния могут быть разными электронными состояниями или даже двумя разными состояниями в колебательном многообразии одного и того же электронного состояния. Подробности см. В тексте.

Механизм флуоресценции должен был подождать до понимания квантованных энергий атомов в молекулах, но упрощенная версия механизма показана на рисунке 1. Атом или молекула поглощает фотон света (шаг 1 на рисунке 1).За конечное, но короткое время система находится в возбужденном состоянии, она теряет энергию через какой-то механизм, например, столкновения с молекулами растворителя или передачу колебательной энергии соседним атомам или молекулам. Этот шаг (шаг 2 на рисунке) обычно называют «безызлучательной релаксацией» или «безызлучательным распадом». Потеря энергии останавливается в некотором промежуточном, но более низком энергетическом состоянии. Затем система излучает фотон и возвращается в основное (или другое более низкое) состояние (шаг 3 на рисунке). Поскольку промежуточное состояние имеет более низкую энергию, чем начальное возбужденное состояние, испускаемый фотон имеет меньшую энергию, чем возбуждающий фотон, что приводит к кажущемуся сдвигу длины волны или цвета; это называется сдвигом Стокса в честь вышеупомянутого британского физика.Наконец, в процессах флуоресценции задействованные энергетические состояния имеют одинаковую множественность (то есть общий спин электрона), поэтому сдвиги между состояниями разрешены квантово-механически и поэтому происходят довольно быстро — порядка наносекунд. Таким образом, мы воспринимаем процессы флуоресценции, как непосредственно связанные с наличием источника возбуждающих фотонов. (Сравните это с фосфоресценцией, которая включает в себя запрещенный по спину переход и, следовательно, является относительно медленной, имея время жизни порядка минут или часов.)

Многие минералы и органические молекулы флуоресцируют. Геология использует флуоресценцию, чтобы помочь идентифицировать определенные минералы и драгоценные камни. Хинин, природное противомалярийное соединение, содержащееся в хинном дереве, флуоресцирует, как и вазелин. Зеленый флуоресцентный белок (GFP) — это белок из 238 аминокислот, широко используемый в молекулярной и клеточной биологии; его разработчики получили Нобелевскую премию по химии 2008 года в знак признания его важности. Флуоресцентная спектроскопия сама по себе является одним из основных видов спектроскопии, но это уже другая колонка.

Флуоресцентные лампы: разработка

В 1856 году немецкий стеклодув Генрих Гайсслер изобрел вакуумный насос на основе ртути, который мог откачивать стекло лучше, чем это было ранее. Когда через трубку пропускали электрический ток, остаточные пары ртути в трубке светились ярко-зеленым светом. (Давление паров ртути при комнатной температуре составляет около 0,002 торр, так что это был лучший вакуум, который Гейслер мог получить в то время.) Присутствие других газовых примесей в этих так называемых трубках Гейсслера могло давать другие цвета, поэтому они стали популярными. развлечения.Позже создание более качественного вакуума уменьшило количество производимого света, но трубки Гейсслера были предшественниками электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), которые были основой лампового телевидения; Трубки Крукса, эксперименты в которых привели к открытию электрона; и люминесцентные лампы.

В 1859 году Эдмон Беккерель (отец Анри Беккереля, открывшего радиоактивность) покрыл трубку Гейсслера флуоресцентным материалом, создав первый элементарный люминесцентный свет. Однако он работал недолго и давал очень слабый свет.Хотя Эдисон и Николай Тесла возились с подобными системами, только в 1895 году Дэниел Мур, бывший сотрудник Эдисона, сконструировал работоспособный флуоресцентный свет, используя углекислый газ в качестве излучающего вещества. Она была примерно в три раза эффективнее, чем лампы накаливания того времени, и по иронии судьбы стимулировала разработку более эффективных ламп накаливания, что в конечном итоге вытеснило лампу Мура с рынка.

В 1901 году американский инженер Питер Купер Хьюитт запатентовал газоразрядную трубку на основе паров ртути, аналогичную оригинальной трубке Гейсслера.Однако излучаемый ею свет был тяжелым сине-зеленым, что давало неестественный цвет. С другой стороны, они были гораздо более энергоэффективными, так как использовали гораздо более низкие напряжения для обеспечения такой же яркости, как лампа накаливания. Разработка трубок, содержащих пары ртути, продолжалась, но в основном в Европе. К 1930-м годам покрытия из флуоресцентных материалов использовались для коррекции цвета и увеличения количества излучаемого видимого света, а также в качестве балласта для регулирования тока на начальных этапах работы.Коммерческая продажа приемлемых, относительно современных люминесцентных ламп началась компанией General Electric в 1938 году, а к 1950-м годам в Соединенных Штатах флуоресцентные лампы производили больше света, чем лампы накаливания.

Современные люминесцентные лампы

Современные люминесцентные лампы (рис. 2) имеют длину от нескольких дюймов до нескольких метров. Обычно люминесцентный свет содержит несколько миллиграммов ртути, которые необходимо испарить, чтобы свет работал должным образом. Свет также заполнен несколькими торрами инертного газа, такого как неон или аргон — не слишком много, иначе газ внутри колбы будет настолько резистивным, что электрический ток не сможет пройти.Внутренняя часть колбы покрыта люминофором (довольно странный термин для материала в люминесцентных лампах, но слово «флюор» звучит забавно), который обычно представляет собой легированную соль металла. Старые люминофоры для люминесцентных ламп: (Sr, Mg) ₃ (PO ₄ ) ₂ с добавками олова и Ca ₅ (F, Cl) (PO ₄ ) ₃ с добавками сурьмы и марганца ; В современных люминесцентных лампах используются различные соли редкоземельных металлов, такие как LaPO ₄ , легированный тербием и церием, в сочетании с Y ₂ O ₃ , легированный европием.

Рисунок 2: Несколько моделей современных люминесцентных ламп (Getty Images).

Когда он включен, электроды люминесцентного света генерируют электроны, которые сталкиваются с атомами ртути и возбуждают электроны в ртути. Эти электроны возвращаются в свое основное состояние, испуская свет. Поскольку свет генерирует ионы, его проводимость увеличивается, поэтому ток должен регулироваться балластом, чтобы ограничить ток. Но, как упоминалось выше, большая часть генерируемого света находится в ультрафиолетовом и синем конце спектра.Этот свет возбуждает люминофорное покрытие на стеклянной колбе, которое флуоресцирует с эффективностью более 80%, то есть 80% УФ-фотонов преобразуются в фотоны видимого света (остальные преобразуются в тепло). Комбинированный спектр ртути и люминофора дает характерный свет люминесцентной лампы. Люминесцентные лампы преобразуют более 20% электроэнергии в свет, что в 10 раз эффективнее, чем лампы накаливания. Кроме того, они генерируют только около одной трети тепла, которое выделяет лампа накаливания, что значительно снижает тепловыделение при том же количестве света.

Хотя флуоресцентный свет приближается к естественному белому свету, спектр флуоресцентного света не является непрерывным спектром лампы накаливания. На рисунке 3 показано сравнение двух типов лампочек. Лампа накаливания излучает непрерывный спектр, так как он приближается к черному телу. Однако флуоресцентный свет состоит из широких, но дискретных частей спектра. Это то, что составляет воспринимаемую разницу между мощностью двух разных типов лампочек.

Рис. 3. Сравнение спектров (а) лампы накаливания и (б) типичного люминесцентного света. Лампа накаливания дает непрерывный спектр, а флуоресцентный свет дает дискретные линии, типичные для спектра ртути и люминофора.

(Хотите быстро определить, является ли свет лампы накаливанием или флуоресцентным? Воспользуйтесь компакт-диском или DVD-диском, чтобы создать спектр лампы — крошечные бороздки на диске действуют как решетка. Если свет накаливания, вы увидеть полный спектр.Если свет флуоресцентный, спектр будет разделен на определенные цвета, как на рисунке 3. Попробуйте! Это не повредит диску.)

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) вошли в моду для замены обычных лампочек в лампах. Хотя они были впервые построены в середине 1970-х годов, они не были коммерчески доступны до середины 1990-х годов и с тех пор пользуются все большей популярностью. Почему им потребовалось так много времени, чтобы стать коммерчески жизнеспособными? Потому что для таких маленьких ламп нужно было разработать новые балласты.Требуется стандартная 4-футовая люминесцентная лампа, ну, 4 фута для установки, и балласт может быть такого же большого размера. Но для того, чтобы вставить люминесцентную лампу в настольную лампу, потребовалось, чтобы балласт был намного меньше, если вся конструкция должна была заменить вашу стандартную лампу накаливания мощностью 100 Вт.

Дэвид В. Болл — профессор химии в Кливлендском государственном университете в Огайо. Многие из его колонок «Базовый уровень» были переизданы как Основы спектроскопии , доступные через SPIE Press.Профессор Болл рассматривает спектроскопию с точки зрения физической химии, потому что это его опыт. Недавно он работал заслуженным приглашенным профессором в Академии ВВС США, но сейчас вернулся домой в Огайо. С ним можно связаться по адресу [email protected].

Дэвид В. Болл

Люминесцентные лампы | B&H Photo Video

Выбор флуоресцентного света для фотографии

Выбор подходящего люминесцентного освещения для студии означает понимание его преимуществ.Люминесцентные лампы обеспечивают непрерывный свет, который можно приглушить или сделать ярче во время фотосессии. При непрерывном студийном освещении, таком как флуоресцентные или вольфрамовые лампы, освещение, которое вы наблюдаете в студии, отражается на фотографиях.

Из чего сделаны люминесцентные лампы?

Цветные люминесцентные лампы бывают белого, зеленого, теплого желтого или красного оттенков. Люминесцентные лампы — это энергоэффективные искусственные источники света, которые создаются путем смешивания паров аргона и ртути с последующей зарядкой химических веществ металлическими электродами с щелочным покрытием.Электричество соединяется с газом и ионизирует его, а затем люминофор превращает его в свет. Другими формами энергоэффективного искусственного освещения для фотографии являются светодиодные фонари, которые производят освещение, подобное естественным источникам, таким как солнце.

Использование люминесцентных ламп в фотографии

Новые люминесцентные лампы излучают мягкий свет, как лампы накаливания, что делает их отличным вариантом для портретной фотографии. Еще одно распространенное использование флуоресцентных ламп для фотосъемки — это изображения продуктов.При использовании компактных люминесцентных ламп выберите параметры с индексом цветопередачи или CRI 90 или выше для достижения наилучших результатов при смешивании с дневным светом. Другие версии, такие как 8-футовые люминесцентные лампы, которые покрывают большую площадь, хорошо подходят для съемки на открытом воздухе и моделирования. Подставки для розеток люминесцентных ламп могут поставляться в комплектах с вариантами зонтов, отражателей или зеленых экранов для увеличения диапазона фотографии. Выбирайте люминесцентные подставки для розеток, которые имеют от одной до семи розеток, для небольшой или большой зоны покрытия.

B&H Photo and Video предлагает комплекты люминесцентного и непрерывного освещения для профессиональных фотографов и любителей. Подберите подходящие варианты освещения люминесцентными, светодиодными и лампами накаливания для своей студии.

Недостатки люминесцентного освещения — энергоэффективное освещение

Люминесцентные лампы — это особый тип газовых светильников, которые излучают свет в результате химической реакции, в которой газы и пары ртути взаимодействуют с образованием ультрафиолетового света внутри стеклянной трубки.Ультрафиолетовый свет освещает люминофорное покрытие на внутренней стороне стеклянной трубки, которое излучает белый «флуоресцентный» свет. Флуоресцентные лампы имеют множество преимуществ перед старыми осветительными приборами, такими как лампы накаливания. Они намного эффективнее, поэтому потребляют меньше энергии. Они также имеют более продолжительный срок службы — примерно в 13 раз дольше, — поэтому их не нужно менять так часто.

Благодаря широкой доступности люминесцентных ламп, их можно найти практически везде — в школах, больницах, продуктовых магазинах, офисных зданиях, торговых центрах и наших домах. Хотя в ближайшем будущем технология светодиодов (светоизлучающих диодов) должна заменить люминесцентные лампы в качестве «короля выбора зеленого освещения», многие руководители предприятий продолжают использовать люминесцентные лампы в своих зданиях. На данный момент люминесцентные осветительные приборы могут быть дешевле, чем их более эффективные светодиодные аналоги, но у люминесцентного освещения есть недостатки, которые необходимо учитывать.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и люминесцентные лампы

Основное различие между ними — размер и применение.Большинство компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) имеют особую форму, которая позволяет их вставлять в стандартные бытовые розетки. Еще одно отличие состоит в том, что для линейных люминесцентных ламп требуется независимый балласт, отдельный от лампы, тогда как в большинстве компактных люминесцентных ламп балласт встроен в цоколь.

И линейные, и компактные люминесцентные лампы излучают искусственный свет по той же технологии. В компактных люминесцентных лампах по-прежнему используются лампы, но, как следует из названия, они намного меньше, чем их аналоги с линейными лампами.Лампы CLF были разработаны для замены стандартных применений для ламп накаливания и представляют собой просто усовершенствования линейной люминесцентной технологии за счет увеличения срока службы и более эффективного освещения.

Использование флуоресцентного освещения

Раньше люминесцентным лампам требовался период «прогрева», чтобы испарить их внутренние газы в плазму. С тех пор было разработано несколько технологий почти мгновенного запуска, включая «быстрый запуск», «мгновенный запуск» и «быстрый запуск».”

Поскольку люминесцентные лампы нагреваются, для их работы требуется большее напряжение. Требуемое напряжение регулируется балластом — магнитным устройством, регулирующим напряжение, ток и т. Д., — который необходим для зажигания люминесцентной лампы. По мере того как люминесцентный свет стареет и со временем становится все менее и менее эффективным, ему требуется все больше и больше напряжения для получения того же количества света, пока напряжение в конечном итоге не превысит возможности балласта и свет не выйдет из строя.

Недостатки люминесцентного освещения

Флуоресцентное освещение существует уже более 100 лет и остается недорогим вариантом для модернизации старых осветительных приборов.Флуоресцентные лампы обычно являются высокоэффективным способом освещения большой площади, они более эффективны и служат дольше, чем лампы накаливания; однако показано, что использование исключительно флуоресцентного освещения оказывает негативное влияние на эргономику и здоровье.

1. Люминесцентные лампы содержат токсичные материалы.

Ртуть и фосфор внутри люминесцентных ламп опасны . Если люминесцентная лампа разбита, небольшое количество токсичной ртути может выделяться в виде газа, загрязняя окружающую среду.Остальное содержится в люминофоре на самом стекле, который часто считается более опасным, чем пролитая ртуть.

При чистке разрыва люминесцентной лампы EPA рекомендует проветривать место разрыва и использовать влажные бумажные полотенца для сбора битого стекла и других мелких частиц. Утилизированное стекло и использованные полотенца следует поместить в герметичный пластиковый пакет. Избегайте использования пылесосов, так как они могут привести к попаданию частиц в воздух.

2. Частое переключение приводит к раннему выходу из строя.

Люминесцентные лампы значительно стареют, если они установлены в месте, где они часто включаются и выключаются. В экстремальных условиях срок службы люминесцентной лампы может быть намного короче, чем у дешевой лампы накаливания. Как бы то ни было, срок службы люминесцентной лампы можно продлить, если оставить ее включенной в течение длительного времени.

Если вы используете флуоресцентные лампы в сочетании с элементами управления освещением, такими как датчики движения, которые часто срабатывают и по истечении времени ожидания, следует учитывать аспект ранней частоты отказов.

3. Свет люминесцентных ламп является всенаправленным.

Свет, исходящий от люминесцентных ламп, является всенаправленным. Когда люминесцентная лампа горит, она рассеивает свет во всех направлениях или на 360 градусов вокруг лампы. Это крайне неэффективно, потому что используется только около 60-70% света, излучаемого лампой, а остальная часть тратится впустую. Некоторые области, как правило, становятся чрезмерно освещенными из-за растраченного света, особенно в офисных зданиях, и могут потребоваться дополнительные аксессуары в самом осветительном приборе, чтобы правильно направить выход лампы.

4. Люминесцентные лампы излучают ультрафиолетовый свет.

В исследовании 1993 года исследователи обнаружили, что воздействие ультрафиолета при сидении под флуоресцентными лампами в течение восьми часов эквивалентно одной минуте пребывания на солнце. Проблемы со здоровьем, связанные с светочувствительностью, могут усугубляться искусственным освещением у чувствительных людей. Исследователи предположили, что УФ-излучение, излучаемое этим типом освещения, привело к увеличению числа заболеваний глаз, в первую очередь катаракты. Другие медицинские работники предположили, что повреждение сетчатки, миопия или астигматизм также могут быть объяснены побочными эффектами флуоресцентного света.

Ультрафиолетовый свет также может повлиять на ценные произведения искусства, такие как акварель и текстиль. Произведения искусства должны быть защищены дополнительными стеклянными или прозрачными акриловыми листами, помещенными между источником света и картиной.

5. Старые флуоресцентные лампы терпят непродолжительный период прогрева.

Обычно приходится ждать где-то 10-30 секунд, чтобы старые флуоресцентные лампы достигли полной яркости. Многие новые модели теперь используют «быстрый» запуск или аналогичные технологии, подобные упомянутым выше.

6. Балласт или жужжание.

Магнитные балласты необходимы для работы люминесцентных ламп. Электромагнитные балласты с незначительным дефектом могут издавать слышимый гудящий или жужжащий шум. Однако шум можно устранить, используя лампы с высокочастотными электронными балластами.

7. Воздействие на окружающую среду и стоимость переработки.

Как упоминалось ранее, утилизация люминофора и, что более важно, токсичной ртути в люминесцентных лампах является экологической проблемой.Постановления, введенные правительством, требуют специальной утилизации люминесцентных ламп отдельно от обычных и бытовых отходов.

В большинстве случаев экономия энергии перевешивает затраты на переработку, но переработка остается дополнительными расходами для обеспечения правильной утилизации ламп. В некоторых случаях, если утилизация ламп обходится слишком дорого, людям больше не рекомендуется утилизировать их.

8. Чувствительность люминесцентного света

В течение последних нескольких десятилетий исследование за исследованием показывали случайную связь между воздействием флуоресцентного света и различными негативными эффектами.Все эти проблемы связаны с качеством излучаемого света и основным состоянием людей. Из более чем 35 миллионов человек, страдающих мигренью, большинство из них, вероятно, перенесут общую светочувствительность. Девять из каждых десяти аутичных людей имеют чувствительность к окружающей среде, которая, как сообщается, часто ухудшается при флуоресцентном освещении. Доказано, что при некоторых типах эпилепсии искусственное освещение вызывает приступы.

Подобно другим симптомам светобоязни (или светочувствительности), флуоресцентное освещение может вызывать головные боли / приступы мигрени, напряжение глаз и воспаление, трудности с чтением или фокусировкой, тошноту, чувство тревоги и депрессии, нарушение режима сна и многое другое.Свойства, связанные с флуоресцентным освещением, которые, как считается, влияют на уровень толерантности человека, включают: большое количество синего света, низкочастотное мерцание и общую яркость.

9. Сезонное аффективное расстройство

Сезонное аффективное расстройство, также известное как «Зимняя блюз», часто возникает у людей в зимние месяцы. Это связано с отсутствием полного спектра света, который мы обычно получаем от солнечного света. В унылое серое небо в зимние месяцы большая часть светового спектра блокируется, и наши тела реагируют негативно.

Многие люди сообщают о подобных симптомах, когда они работают при флуоресцентном освещении и не выходят на улицу в течение дня. Без полного спектра света, который мы получаем от дневного света, некоторые функции организма не запускаются и не поддерживаются, что заставляет нас чувствовать себя подавленными на свалках.

LED против флуоресцентных и CFL

Вам интересно, что лучше: люминесцентные лампы (включая компактные люминесцентные лампы или КЛЛ) или светоизлучающие диоды (светодиоды)? Что ж, вот прямое сравнение этих двух с последующим подробным обсуждением каждой технологии по очереди.

Флуоресцентный (или CFL):

Что такое люминесцентный свет или КЛЛ?

Люминесцентные лампы представляют собой особый тип газоразрядного света (также известный как разряд высокой интенсивности, HID или дуговая лампа). CFL — это аббревиатура, обозначающая компактную люминесцентную лампу . Стандартные люминесцентные лампы доступны в трубках (обычно от 48 до 84 дюймов в длину). КЛЛ намного меньше. Это все еще трубки, но они, как следует из названия, «компактные.«КЛЛ были разработаны, чтобы заменить стандартные лампы накаливания, поскольку они более эффективны и долговечны.

Люминесцентные лампы излучают свет путем преобразования ультрафиолетового излучения с помощью флуоресцентного покрытия на внутренней стороне лампы. УФ-излучение создается в первую очередь электрическим зарядом, который проходит через инертное ртутное стекло внутри колбы. Газ возбуждается электричеством и, как следствие, испускает ультрафиолетовое излучение. Люминесцентные лампы требуют зажигания, которое обычно обеспечивается импульсом напряжения или третьим электродом (дополнительной металлической частью) внутри лампы.Запуск относительно прост с небольшими лампами, но может потребоваться значительное напряжение с большими лампами.

Люминесцентным лампам раньше требовался период «разогрева», чтобы испарить внутренний газ в плазму, но теперь есть несколько технологий почти мгновенного пуска для люминесцентных ламп (к ним относятся «быстрый запуск», «мгновенный запуск», и «быстрый старт»). Кроме того, по мере того, как свет нагревается, для работы требуется дополнительное напряжение. Требования к напряжению в люминесцентных лампах уравновешиваются балластом (магнитное устройство в старых лампах и электрическое в новых люминесцентных технологиях).По мере старения люминесцентного света требуется все больше и больше напряжения для получения того же количества света, пока в конечном итоге напряжение не превысит фиксированное сопротивление, обеспечиваемое балластом, и свет не погаснет (не сработает). Флуоресцентные лампы со временем становятся все менее и менее эффективными, потому что они должны использовать все большее и большее напряжение для обеспечения того же светового потока, что и свет.

В чем преимущество люминесцентных ламп?

Флуоресцентная технология существует уже более 100 лет и обычно представляет собой высокоэффективный способ освещения обширной территории.Светильники намного эффективнее и долговечнее, чем лампы накаливания, однако они терпят неудачу в обеих категориях по сравнению со светодиодами.

Каковы основные недостатки люминесцентных ламп?

Среди недостатков люминесцентного освещения можно выделить следующие:

1. Флуоресцентные лампы содержат токсичную ртуть. Ртуть, а также люминофор внутри ламп являются опасными материалами, которые создают проблему утилизации отходов в конце срока службы лампы.Разбитые лампы выделяют небольшое количество токсичной ртути в виде газа, а остальная часть содержится в самом стекле.
2. Люминесцентные лампы значительно стареют, если их часто включать и выключать. Типичный срок службы лампы для КЛЛ составляет около 10 000 часов, но он может снизиться из-за частого включения (включения и выключения). Срок службы увеличивается, если лампы остаются включенными в течение длительного времени. Об этом стоит подумать в том случае, если вы используете КЛЛ в сочетании с датчиками движения, которые часто срабатывают и выходят из строя.
3. Люминесцентные лампы всенаправленные. Всенаправленные фонари излучают свет на 360 градусов. Это большая неэффективность системы, потому что по крайней мере половина света должна отражаться и перенаправляться в желаемую освещаемую область. Это также означает, что в самом осветительном приборе требуется больше дополнительных деталей, чтобы отражать или фокусировать световой поток лампы (что увеличивает стоимость единицы).

Каковы незначительные недостатки люминесцентных ламп?

Среди незначительных недостатков люминесцентного освещения можно выделить следующие:

1. Старые люминесцентные лампы имеют короткий период прогрева .Как только дуга зажигается, она плавится и испаряет соли металлов внутри устройства. Свет не достигает полной мощности, пока соли полностью не испарятся в плазму. Это исправлено во многих новых моделях, использующих «быстрый запуск» или аналогичные технологии.
2. Флуоресцентное освещение излучает небольшое количество УФ-излучения. Известно, что ультрафиолетовый свет вызывает выцветание окрашенных предметов или картин, подвергшихся воздействию их света.
3. Люминесцентные лампы требуют пускорегулирующего устройства для стабилизации света. В случае незначительной неисправности балласта свет может издавать слышимый гул или гудение.

Где обычно используются люминесцентные лампы?

Обычно флуоресцентное освещение применяется в складских помещениях, школах или коммерческих зданиях. КЛЛ также используются в качестве замены ламп накаливания во многих жилых помещениях.

Светодиодное освещение:

Что такое светоизлучающий диод (светодиод)?

LED — светодиод. Диод — это электрическое устройство или компонент с двумя электродами (анодом и катодом), через которые протекает электричество — обычно только в одном направлении (внутрь через анод и через катод). Диоды обычно изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как кремний или селен — твердые вещества, которые проводят электричество в одних обстоятельствах и не проводят в других (например, при определенных напряжениях, уровнях тока или интенсивности света).

Когда ток проходит через полупроводниковый материал, устройство излучает видимый свет. Это полная противоположность фотоэлементу (устройству, преобразующему видимый свет в электрический ток).

Если вас интересуют технические подробности работы светодиода, вы можете прочитать об этом здесь.

• Преимущества светодиодного освещения по сравнению с люминесцентными лампами

Что главное у светодиодных фонарей?

У светодиодного освещения есть четыре основных преимущества:

1. Светодиоды имеют чрезвычайно долгий срок службы по сравнению со всеми остальными осветительными приборами (включая люминесцентные лампы).Срок службы новых светодиодов составляет от 50 000 до 100 000 часов и более. Для сравнения, типичный срок службы люминесцентной лампы составляет в лучшем случае 10-25% (примерно 10 000 часов).
Светодиоды
2. на чрезвычайно энергоэффективны по сравнению с любой другой коммерчески доступной осветительной техникой. Для этого есть несколько причин, в том числе тот факт, что они тратят очень мало энергии в виде инфракрасного излучения (сильно отличается от большинства обычных источников света, включая люминесцентные лампы), и они излучают свет направленно (более 180 градусов по сравнению с 360 градусами, что означает гораздо меньше потерь из-за необходимости перенаправлять или отражать свет).
3. Очень высокое качество света
4. Очень низкие эксплуатационные расходы и хлопоты

Какие незначительные преимущества у светодиодных фонарей?

Помимо основных преимуществ, светодиодные фонари предлагают еще несколько дополнительных преимуществ . К ним относятся следующие:

1. Аксессуары: Светодиоды требуют гораздо меньшего количества дополнительных деталей лампы.
2. Цвет: Светодиоды могут быть разработаны для генерации всего спектра цветов видимого света без использования традиционных цветных фильтров, необходимых для традиционных световых решений.
3. Направленность: светодиода имеют естественную направленность (по умолчанию они излучают свет на 180 градусов).
4. Размер: Светодиоды могут быть намного меньше других источников света.
5. Прогрев: светодиода имеют более быстрое переключение (без периода прогрева или охлаждения).

В чем обратная сторона светодиодного освещения?

Принимая во внимание положительные стороны, можно подумать, что светодиодные фонари — это не проблема. Несмотря на то, что это становится все более актуальным, при выборе светодиода необходимо сделать несколько компромиссов.

В частности, светодиодные фонари относительно дороги. Первоначальные затраты на проект светодиодного освещения обычно выше, чем у большинства альтернатив. Это, безусловно, самый большой недостаток, который необходимо учитывать. Тем не менее, цена на светодиоды быстро снижается, и, поскольку они продолжают массово применяться, цена будет продолжать падать. (Если вы получили предложение о светодиодных лампах, которые стоят слишком дорого, не теряйте надежды. Оптимизация затрат может помочь.)

Где обычно используются светодиоды?

Первое практическое использование светодиодов было в печатных платах для компьютеров.С тех пор они постепенно расширили свои области применения, включив светофоры, световые указатели, а в последнее время — внутреннее и внешнее освещение. Как и люминесцентные лампы, современные светодиодные лампы — прекрасное решение для спортзалов, складов, школ и коммерческих зданий.

Они также могут быть адаптированы для больших общественных мест (требующих мощного и эффективного освещения на большой площади), дорожного освещения (которое дает значительные преимущества в цвете по сравнению с натриевыми лампами высокого и низкого давления) и парковок. Чтобы узнать больше об истории уличного освещения в Соединенных Штатах, читайте здесь.

Дальнейшее качественное сравнение

В чем разница между люминесцентными и светодиодными лампами?

Две разные технологии — это совершенно разные методы получения света. Люминесцентные лампы содержат инертный газ в стеклянном корпусе, а светодиоды — это твердотельная технология. Флуоресцентные лампы производят УФ-излучение, а затем преобразуют его в видимый свет за счет использования люминофорного покрытия внутри лампы.Светодиоды излучают электромагнитное излучение в небольшой части спектра видимого света и не тратят энергию на выброс тепла или невидимого электромагнитного излучения (например, УФ). Есть такая вещь, как IRED (инфракрасный излучающий диод), который специально разработан для излучения инфракрасной энергии.

Почему светодиоды вытеснят люминесцентные лампы из бизнеса?

За последние несколько лет эффективность светодиодов превзошла эффективность люминесцентных ламп, и ее повышение эффективности продвигается гораздо более быстрыми темпами.Кроме того, люминесцентные лампы требуют использования балласта для стабилизации внутреннего тока, излучающего свет. Когда балласт имеет незначительные дефекты или поврежден, свет может издавать слышимый жужжащий шум. К другим недостаткам можно отнести следующие:

• Люминесцентные лампы могут вызвать проблемы при модернизации из-за своей удлиненной формы.
• Люминесцентные лампы могут создавать проблемы с утилизацией отходов из-за их зависимости от ртути.
• Флуоресцентные лампы ненаправленные, то есть они излучают свет на 360 градусов.Как и следовало ожидать, большая часть этого света тратится зря (например, та часть, которая направлена ​​на потолок).

Почему светодиоды вытеснят компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) из бизнеса?

Эффективность люминесцентного света не изменилась, а светодиоды лучше (и продолжают улучшаться более быстрыми темпами). Пока работают люминесцентные лампы, светодиодные лампы служат намного дольше. Кроме того, люминесцентные лампы требуют использования балласта для стабилизации внутреннего тока, излучающего свет.Когда балласт имеет незначительные дефекты или поврежден, свет может издавать слышимый жужжащий шум. К другим недостаткам относятся проблемы с удалением отходов (из-за того, что КЛЛ используют ртуть) и генерацию ненаправленного света. Генерация ненаправленного света намного важнее, чем вы думаете. Например, свет, который направлен на потолок, а не в комнату, является потерянным светом. Следовательно, КЛЛ (а также соответствующие стандартные люминесцентные лампы) могут иметь хорошую «эффективность источника» (т.е.е. это хорошо выглядит на бумаге), но будет уступать светодиоду, когда дело доходит до более важного показателя: «эффективность системы» (фактическая эффективность в реальных приложениях).

Прочтите все наши статьи о сравнении освещения!

Люминесцентная лампа | Britannica

Люминесцентная лампа , электрическая разрядная лампа, более холодная и более эффективная, чем лампы накаливания, излучающая свет за счет флуоресценции люминофорного покрытия.Люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, заполненную смесью паров аргона и ртути. Металлические электроды на каждом конце покрыты оксидом щелочноземельного металла, который легко испускает электроны. Когда ток проходит через газ между электродами, газ ионизируется и испускает ультрафиолетовое излучение. Внутренняя часть трубки покрыта люминофором — веществами, которые поглощают ультрафиолетовое излучение и флуоресцируют (переизлучают энергию в виде видимого света).

Компактные люминесцентные лампы (лампочки).

Encyclopædia Britannica, Inc.

Поскольку люминесцентная лампа не излучает свет за счет постоянного нагрева металлической нити накаливания, она потребляет гораздо меньше электроэнергии, чем лампа накаливания — по некоторым оценкам, только четверть электричества или даже меньше.

Флуоресцентного: Флуоресцентный микроскоп. Лабораторные микроскопы