Mikroskop

Mikroskop to jeden z najważniejszych wynalazków wszech czasów. Przed jego skonstruowaniem nasze wyobrażenie o świecie ograniczało się do tego, co można było zobaczyć gołym okiem lub za pomocą prostych soczewek skupiających. Mikroskop otworzył przed ludzkim wzrokiem zupełnie nową rzeczywistość. Człowiek ujrzał po raz pierwszy setki "nowych", drobnych zwierzątek i roślin oraz wewnętrzną strukturę wszystkiego, od tkanek ludzkich po włókna roślinne. Do dnia dzisiejszego mikroskopy pomagają naukowcom odkrywać nowe gatunki roślin i zwierząt, a lekarzom leczyć choroby. Pierwsze mikroskopy wyprodukowano w Holandii u schyłku XVI wieku. Wynalazcą tego urządzenia mógł być holenderski okulista, Zacharias Jansen, lub też jego rodak - Hans Lippershey. Obaj skonstruowali nieskomplikowane mikroskopy o dwóch soczewkach, nie udało im się jednak za pomocą tych przyrządów zaobserwować niczego interesującego. Nieco później mikroskopów zaczęto używać do celów naukowych. Najpierw uczynił to włoski naukowiec - Galileusz. Oglądając przez mikroskop oko owada, dał nam pierwszy opis jego złożonej budowy. Innym prekursorem w tej dziedzinie był holenderski sukiennik, Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), który sam się nauczył trudnej sztuki szlifowania soczewek. Opisał on po raz pierwszy wiele mikroskopijnych organizmów, niewidzialnych gołym okiem.

W 1931 roku Ernst Ruska, konstruując mikroskop elektronowy, dokonał rewolucji w biologii. Przy użyciu tego urządzenia stało się możliwe obserwowanie obiektów o wielkości zaledwie jednej milionowej milimetra. Za swoje osiągnięcie Ruska uhonorowany został w 1986 roku Nagrodą Nobla.



MIKROSKOPY OPTYCZNE

Przyrząd optyczny służący do uzyskiwania silnie powiększonych obrazów małych przedmiotów. Budowa mikroskopu to splecenie dwóch układów: optycznego i mechanicznego. Układ optyczny służy do oświetlenie obiektu oraz powiększenia jego obrazu. Układ mechaniczny ma zapewniać właściwe położenie poszczególnych elementów układu optycznego. Kluczowa jest stabilność, wzajemna równoległość i współśrodkowość składowych układu optycznego; pożądane wszelkie regulacje temu służące.
Elementy mechaniczne to :
 statyw, korpus mikroskopu: zapewnia sztywność całej konstrukcji, generalnie im sztywniejszy i cięższy tym lepiej.
Konstrukcja statywu determinuje, czy dla regulacji odległości obiektyw-przedmiot (nastawiania na ostrość) opuszczamy-podnosimy stolik przedmiotowy, czy też wykonujemy te ruchy tubusem (wraz z mocowanymi do niego obiektywami, okularami i innymi akcesoriami).
Rozwiązanie pierwsze (podnoszony-opuszczany stolik) jest pod każdym względem lepsze i stosowane w nowszych mikroskopach. Zapewnia ono stałą wysokość okularów - co jest istotne z ergonomicznego punktu wiedzenia. Ważniejsza jest eliminacja wady tradycyjnej konstrukcji w której dla nastawiania ostrości opuszczany-podnoszony jest tubus z obiektywami i innymi elementami. W takim wypadku część ruchoma ma niejednokrotnie znaczny ciężar co powoduje zjawisko samoistnego opadania, "płynięcia". Walka z tym wymaga odpowiedniego dobrania oporu stawianego przez śrubę ruchu pionowego i niezależnie od regulacji z upływem czasu ponawia się tendencja do "płynięcia". Ta wada wpisana w konstukcję może wręcz uniemożliwić stosowanie ciężkich nasadek fotograficznych lub innych urządzeń umieszczanych na tubusie. Takiej wady nie ma nowoczesna konstrukcja z podnoszonym stolikiem przedmiotowym, którego ciężar jest z reguły nieduży,
 stolik przedmiotowy: służy do umocowania preparatu i jego przesuwu w poziomie w osiach X, Y, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego (patrz uwagi przy statywie mikroskopu) przez jego ruch w pionie reguluje się odległość obiektyw-przedmiot (tj. nastawia się ostrość). Mogę też być stoliki specjalnego przeznaczenia np. obrotowy do pracy w świetle spolaryzowanym.
 śruba makro- i mikrometyczna: śruby służące do ustawiania odległości przedmiot-obiektyw (nastawiania ostrości).
W zależności od konstrukcji śruba podnosi-opuszcza stolik przedmiotowy lub tubus z obiektywami. Śruba ruchu drobnego - mikrometryczna, zaopatrzona jest zwykle w poddziałkę mikrometyczną. Może ona wtedy służyć do pomiaru grubości (wysokości) obiektu. Wartości mierzone tą techniką nie odpowiadają wprost odczytowi z podziałki śruby
 Parafokalność: w nowszych modelach mikroskopów (od połowy XX w.) mamy doczynienia z tzw. układem parafokalnym, tzn. różne obiektywy mają niemal tą samą odległość przedmiotową tzn. po nastawieniu ostrości jednym obiektywem, i następnie po zmianie na obiektyw o innym powiększeniu, obraz jest nadal ostro widoczny; ewentualnie wymagana jest nieduża korekta ostrości. W starszych konstrukcjach nie jest to prawdą i przy zmianie obiektywu potrzebna jest nieraz istotna korekta odległości obiektyw-przedmiot.
 rewolwer: obiektywy mikroskopu są osadzone w gniazdach obrotowej tarczy - rewolweru, jego obracanie umożliwia prostą zmianę obiektywu a tym samym używanego powiększenia,
 tubus: przestrzeń pomiędzy obiektywem a nasadką okularową, w której następuje formowanie się obrazu; długość tubusu (tzw. optyczna tubusu) w starszych konstrukcjach jest ustandaryzowana na 160mm (Zaiss i wielu innych) lub 170mm (Laica i nieliczni) i pod jedną lub drugą długość są projektowany obiektywy (ta długość jest wygrawerowana na obiektywach); w nowszych układach (koniec XX w. i obecnie) stosuje się przeważnie tzw. optykę nieskończoną i odpowiednie do tego obiektywy z wygrawerowanym symbolem nieskończoności,
 układ oświetleniowy: w najprostszym przypadku składa się z lusterka, w bardziej złożonych jest to specjalna lampa, z układem kolektora i rozmaitymi regulacjami; oświetlenie jest krytycznym elementem mikroskopowania i znajdziesz tu kilka artykułów poświęconych temu tematowi,
 układ mechaniczny kondensora: pozwala na regulacje położenia kondensora w pionie oraz w bardziej zaawansowanych modelach możliwe jest też centrowanie kondensora względem osi optycznej mikroskopu, niektóre mikroskopy posiadają mechniczną blokadę (hamulec) zabezpieczający przed "wjechaniem" kondensorem w szkiełko przedmiotowe,
Elementy optyczne to :
 oświetlacz: w prostych mikroskopach będzie to lusterko, może też być wbudowana żarówka z reflektorem, lub pełnowymiarowy układ oświetlający z kolektorem, regulacją odległości, centrowaniem, osobnym zasilaniem z regulacją napięcia itd.
 kondensor: jest wtórym źródłem oświetlenia, bezpośrednio oświetla przedmiot,
 szkiełko przedmiotowe, przedmiot, szkiełko nakrywkowe,
imersja: wypełnienie cieczą przestrzeni pomiędzy szkiełkami a obiektywem i kondensorem,
 obiektywy: zbierają światło wychodzące z przedmiotu i tworzą jego powiększony obraz,
 tubus: tutaj formuje się obraz,
 nasadka okularowa: dłuży do osadzenia okularów i zmiany biegu promieni świetlnych na bardziej ergonomiczy dla obserwatora - pochylony; nasadki okularowe mogą być jednookularowe (w prostszych mikroskopach), dwuokularowe (binokularne) pozwalające na wygodną obserwację dwoma oczami - ważne nie tylko ze względu na ergonomię ale i dla zdrowia, w przypadku nasadek binokularnych może być dostępna regulacja rozstawu okularów (stosownie do odległości pomiędzy źrenicami obserwatora) oraz regulacja dioptrii (dostępna w jednym z okularów) dla wyrównania różnić pomiędzy oczami obserwatora; wreszcie nasadka może mieć wyjście do podłączenia aparatu fotograficznego, kamery cyfrowej, może to być tzw. nasadka trójokularowa lub dedykowana,
stereoskopia - mikroskop z nasadką binokularną to nie to samo co mikroskop stereoskopowy, w mikroskopii stereoskopowej obraz dochodzący do każdego z oczu różni się, obserwator ma wrażenie postrzegania głębi obrazu, w mikroskopie binokularnym jest ten sam; mikroskopy stereoskopowe, ze względów konstrukcyjnych, najczęściej operują na powiększeniach (obiektyw x okular) poniżej 100x,
 okulary: służą do powiększenia (i obserwacji ocznej) obrazu tworzonego przez obiektyw mikroskopu, dodatkowo mogą korygować wady obrazu z obiektywu,

Obiektyw mikroskopu optycznego daje rzeczywisty, odwrócony i powiększony obraz przedmiotu, okular pełni rolę lupy, przez którą ogląda się obraz dawany przez obiektyw. Obraz oglądany w okularze jest obrazem pozornym i silnie powiększonym, powiększenie kątowe mikroskopu optycznego wyraża się wzorem: w=(xD)/(fF), gdzie x - długość rury tubusa, D - odległość dobrego widzenia (250 mm), f i F odpowiednio: ogniskowa obiektywu i okularu. Przy znanych oddzielnie powiększeniach okularu i obiektywu powiększenie mikroskopu optycznego jest iloczynem tych powiększeń. W praktyce stosuje się powiększenia od kilkudziesięcio- do ponad tysiąckrotnych.
Najlepsze mikroskopy optyczne pozwalają dostrzegać szczegóły przedmiotu o rozmiarach kilkuset nm. Dalszy wzrost zdolności rozdzielczej jest ograniczony długością fali światła, pewne poprawienie zdolności rozdzielczej można uzyskać konstruując mikroskop optyczny do obserwacji w nadfiolecie (tzw. mikroskopy ultrafioletowe). Jasność obrazu mikroskopu optycznego jest proporcjonalna do rozwartości kąta wiązki wchodzącej do obiektywu (tzw. apertura wejściowa mikroskopu optycznego, imersyjny obiektyw mikroskopu).
W konstrukcji obiektywu pożądane jest też uzyskanie jak najmniejszej ogniskowej, oba te czynniki powodują, że bieg promieni daleki jest od biegu promieni przyosiowych, stąd poważnym problemem przy wykonywaniu obiektywów mikroskopowych jest usunięcie powstających wad optycznych (aberracje układów optycznych). W tym celu jako obiektywy stosuje się skomplikowane, wielosoczewkowe układy optyczne (najprostszy z nich, tzw. obiektyw aplanatyczny Amiciego, posiada 6 soczewek). Jako okular stosuje się układ Huygensa (rzadziej Ramsdena).
Często używane są mikroskopy stereoskopowe, będące układem dwóch prawie równoległych mikroskopów optycznych, lub mikroskopy wyposażone w tzw. binokular (dwuoczny okular). Możliwe jest też stosowanie różnych specjalistycznych nakładek okularowych umożliwiających fotografowanie lub odrysowywanie obserwowanych przedmiotów.
Ze względu na warunki oświetlenia preparatu wyróżnia się kilka metod obserwacji mikroskopowych:
a) metoda obserwacji jasnego pola w świetle przechodzącym (preparaty częściowo pochłaniające światło, np. przezroczyste, ale zabarwione),
b) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle przechodzącym (preparaty przezroczyste niebarwione, wykorzystane jest tylko światło rozproszone),
c) metoda obserwacji ciemnego pola w świetle odbitym (preparaty nieprzezroczyste, wykorzystuje się światło rozproszone),
d) metoda kontrastu fazowego (do obserwacji przedmiotów przezroczystych i bezbarwnych, zastosowanie specjalnego układu optycznego ujawnia różnice w drogach optycznych różnych promieni, F. Zernike),
e) metoda interferencyjna (obserwacja interferencji światła przechodzącego przez przezroczysty preparat).
Mikroskop optyczny został wynaleziony ok. 1590 w Niderlandach przez Z. van Jansena (luneta), udoskonalony i zastosowany do badań w 1. poł. XVII w. przez A. van Leeuwenhoeka. Teorię mikroskopu optycznego podał E. Abbe (1873).


MIKROSKOPY NIEOPTYCZNE

Przyrządy pozwalające uzyskiwać powiększone obrazy małych przedmiotów, nie wykorzystujące w tym celu fal świetlnych. Zgodnie z teorią mikroskopu (E. Abbe) obraz w mikroskopie (mikroskop optyczny) powstaje na skutek nałożenia się zjawisk dyfrakcyjnych, stąd istnieje fizyczne ograniczenie zdolności rozdzielczej każdego mikroskopu, pozwalające dostrzec szczegóły powierzchni nie mniejsze od poł. użytej do obserwacji długości fali.
Mikroskopy elektronowe

Wraz z odkryciem falowej natury cząstek (fale Broglie, dualistyczna natura promieniowania) pojawiły się możliwości skonstruowania przyrządów pozwalających znacznie zwiększyć zdolność rozdzielczą. Pierwszą taką konstrukcją był mikroskop elektronowy prześwietleniowy. Jest to przyrząd, w którym preparat oświetlony jest skolimowanym strumieniem przyspieszonych elektronów. Zjawiska dyfrakcyjne powstające przy oddziaływaniu elektronów z przedmiotem (wykorzystuje się falowe własności wiązki elektronów) przetwarzane są na obraz. Wiązka elektronów ogniskowana jest za pomocą soczewek magnetycznych (odpowiednie elektromagnesy lub magnesy trwałe).
Mikroskop elektronowy pozwala uzyskać powiększenia 250 000 razy. Powiększenie sięgające 5 mln razy można uzyskać w podobnych konstrukcjach, przy zastąpieniu elektronów wiązką jonów (mikroskop jonowy), w szczególności jonów wodoru, czyli protonów (mikroskop protonowy). Istnieją mikroskopy rentgenowskie, w których próbka oświetlana jest zogniskowaną wiązką (optyka rentgenowska) niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego.
Mikroskopy skaningowe
Innym rodzajem mikroskopu nieoptycznego są mikroskopy skaningowe (rastrowe). W konstrukcjach tych nad próbką przesuwa się sonda skanująca, zależnie od konstrukcji może ona wysyłać wiązkę elektronów (skaningowy mikroskop elektronowy emisyjny), rejestrować prąd płynący pomiędzy sondą a próbką na skutek efektu tunelowego (skaningowy mikroskop tunelowy) lub rejestrować zmiany pola elektrycznego (skaningowy mikroskop polowy). Uzyskane informacje przetwarzane są na obraz. Te konstrukcje mikroskopów pozwalają dostrzec przedmioty rozmiarów pojedynczych atomów.

Rozwój technik mikroskopii elektronowej i polowej uhonorowano przyznaniem w 1986 Nagród Nobla (E. Ruska, H. Rohrer, G. Binnig). Pewnego rodzaju mikroskopem nieoptycznym jest każdy akcelerator służący do badań (w zależności od energii przyspieszanych cząstek) struktury jądra (jądro atomowe) lub cząstek elementarnych.