Mikroskopieren: Wissenschaft und spannendes Hobby

Mikroskop.jpgBei einem Mikroskop handelt es sich um ein Gerät, das es ermöglicht, Objekte zu vergrößern oder bildlich darzustellen. Zumeist handelt es sich dabei um Objekte bzw. der Struktur von Objekten, deren Größe unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegt. Die Technik, die von einem Mikroskop eingesetzt wird, wird als Mikroskopie bezeichnet. Die Mikroskope sind vor allem ein wesentliches Hilfsmittel in der Biologie, der Medizin und der Materialwissenschaft.

Ganz unterschiedlicher Natur können die physikalischen Prinzipien sein, die für den Vergrößerungseffekt ausgenutzt werden. Die Lichtmikroskopie ist die älteste Mikroskopietechnik, die um 1595 von Brillenschleifern oder Linsenmachern in den Niederlanden entwickelt wurde. Hier wird ein Objekt durch eine oder mehrere Glaslinsen betrachtet. Was die physikalisch maximale höchste Auflösung von einem klassischen Lichtmikroskop ist, das ist von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängig und bestenfalls auf 0,2 Mikrometer beschränkt und wird als Abbe-Limit bezeichnet. Der Grund für die Bezeichnung dieser Grenze ist die zugrunde liegende Gesetzmäßigkeit die Ende des 19. Jahrhunderts von Ernst Abbe beschrieben wurde.

Jenseits der von Ernst Abbe beschriebenen Auflösungsgrenze wurden seit 1963 folgende lichtmikroskopischen Verfahren entwickelt:

  • 3D-SIM-Mikroskopie
  • 4Pi-Mikroskopie
  • STED-Mikroskopie

Die Elektronenmikroskope, die seit den 1930er Jahren entwickelt wurden, ermöglichen eine höhere Auflösung, denn die Elektrostrahlen weisen eine kleinere Wellenlänge auf als Licht. Die Rasterkraftmikroskope arbeiten nach einem ganz anderen Prinzip und verfügen über sehr feine Nadeln, mit denen die Oberfläche abgetastet wird. Des Weiteren gibt es noch folgende Arten des Mikroskopierens:

  • Die abbildende und rasternde Mikroskopie.

Die klassischen Lichtmikroskop-Typen beruhen alle auf einem abbildenden Prinzip: In dem Gerät wird, ähnlich wie bei der Fotografie, ein Bild durch eine Reihe von Linsen hindurch erzeugt, dass in einem Stück gesehen oder aufgenommen wird.

Besonders Mikroskope oder manche lichtmikroskopischen Verfahren, die auf einem anderen physikalischen Prinzip beruhen, setzen hingegen auf ein Abrastern – Scanning – des Objektes. Dabei werden die einzelnen Punkte des vergrößerten Bildes nacheinander, Zeile für Zeile erzeugte. Dazu zählen beispielsweise:

  • Laser-Scanning-Mikroskope
  • Elektronenmikroskope
  • Rasterkraftmikroskope
  • Das Mikroskopieren nach dem physikalischen Prinzip

Rastersonden-, Licht- und Elektronen-Mikroskope werden in zahlreichen Varianten hergestellt und verwendet. Jedoch gibt es neben diesen auch zahlreiche Mikroskope, die auf anderen physikalischen Prinzipien aufgebaut sind:

  • Fotonisches Kraftmikroskop
  • Magnetresonanzmikroskop
  • Röntgenmikroskop
  • Raster-SQUID-Mikroskop
  • Focused-Ion-Beam-Mikroskop
  • Helium-Ionen-Mikroskop
  • Ultraschallmikroskop / akustisches Mikroskop
  • Fotonisches Kraftmikroskop

Die Lichtmikroskopie

Durch die Ausnutzung optischer Effekt erzeugen Lichtmikroskope stark vergrößerte Bilder von kleinen und oftmals für das Auge nicht sichtbare Strukturen oder Objekten. Es existiert eine Vielzahl von lichtmikroskopischen Spezialverfahren, neben der konventionellen Lichtmikroskopie, wie beispielsweise:

  • Phasenkontrastmikroskopie
  • Interferenzkontrastmikroskopie
  • Fluoreszenzmikroskopie
  • Polarisationsmikroskopie

Bereits von den Römern wurde das Prinzip der Vergrößerung mit Hilfe von Wasser gefüllten Glasscheiben beschrieben und im 16. Jahrhundert waren bereits die Vergrößerungslinsen bekannt.

Oftmals werden die niederländischen Brillenschleifer Hans Janssen und sein Sohn Zacharias Janssen als Erfinder des ersten zusammengesetzten Mikroskops im Jahr 1590 angesehen. Jedoch basiert das auf einer Erklärung von Zacharias Janssen, die er selbst Mitte des 17. Jahrhunderts gemacht hat. Dabei ist das Datum fragwürdig, denn Zacharias Janssen wurde erst 1590 geboren. Das Occhiolino wurde 1609 von Galileo Galilei entwickelt, bei dem es sich um ein zusammengesetztes Mikroskop handelt, dass aus einer konvexen und einer konkaven Linse bestand. Allerdings wurde von Zacharias Janssen ein Gerät auf der Frankfurter Messe bereits ein Jahr zuvor vorgeführt, dass über das gleiche Funktionsprinzip verfügte. Von der „Akademie der Luchse“ wurde Galileis Mikroskop in Rom gefeiert, die 2603 von Frederico Cesi gegründet wurde.

Bis weit in das 19. Jahrhundert wurden immer wieder gute zusammengesetzte Mikroskope durch Ausprobieren und anhand von Erfahrungswerten produziert. Von Ernst Abbe wurden um 1873 die noch heute gültigen physikalischen Grundlagen erarbeitet, die erforderlich sind, für den Bau besserer Mikroskope. Die Folge war, dass es zum ersten Mal gelang, ein Objektiv zu bauen, dessen Auflösungsgrenze durch die physikalischen Beugungsgesetze limitiert wurde und nicht durch die Materialgüte. Die entsprechenden Mikroskope wurden zusammen mit Carl Zeiss in desen optischen Werkstätten produziert und dabei profitierte man von den optischen Gläsern, die von Otto Schott entwickelt wurden und auch von dem entwickelten Beleuchtungsapparat von August Köhler (Köhlerischen Beleuchtung).

Die Lichtmikroskop Typen

  • Bei einem Auflichtmikroskop wird das Licht von einer Seite eingestrahlt und von dieser auch beobachtet. Dieses Mikroskop wird verwendet bei undurchsichtigen Präparaten und in der Fluorenzmikroskopie. Die üblichere Anordnung, bei der das Präparat durchstrahlt wird, wird in Abgrenzung als Durchlichtmikroskopie bezeichnet.
  • Für beide Augen getrennte Strahlengänge sind bei dem Stereomikroskop vorhanden. Hier wird das Präparat aus verschiedenen Winkeln gezeigt, sodass ein dreidimensionaler Eindruck entsteht.
  • Bei dem Strichmikroskop handelt es sich um eine Ablesevorrichtung an einem Theodolit, bei dem es sich um ein Winkelmessgerät in der Vermessungskunde handelt.
  • Das Operationsmikroskop wird im Operationssaal von Ärzten genutzt.
  • Beim Fleischbeschau zum Nachweis von Trichinen (Fadenwürmern) wird das Thichinoskop eingesetzt.
  • Das Vibrationsmikroskop dient der Untersuchung der Schwingungen der Saiten bei Saiteninstrumenten.
  • Bei dem Messmikroskop handelt es sich um eine Zusatzeinrichtung, die eine Vermessung des Präparates ermöglicht.
  • An einem Computer beispielsweise kann das Computer-Mikroskop per USB-Kabel zum Beispiel angeschlossen werden, der dann zur Anzeige der Abbildung genutzt wird.

Die Durchlichtmikroskope oder Auflicht-Mikroskopie

Ein Mikroskop mit Durchlicht- oder Auflichtmikroskopie kann je nach der angewendeten Beleuchtungstechnik verwendet werden. Das Licht wird bei der Durchlichtmikroskopie durch das Präparat hindurchgeleitet, bevor es dann von dem Objektiv des Mikroskops aufgefangen wird. Aus diesem Grund sind durchsichtige oder dünn geschnittene Präparate erforderlich. Anders bei der Auflichtfotografie wird das Licht des Mikroskops genutzt, dass dann durch das Präparat geleitet wird oder es wird von der Seite eingestrahlt. Vom Objektiv fängt auch hier vom Präparat reflektierte Licht auf. Bei dieser Art des Mikroskopierens werden in der Regel undurchsichtige Präparate verwendet. Diese sind beispielsweise in der Materialwissenschaft häufig zu finden, wo Material-Probestücke geschliffene und polierte, aber auch angeätzte Oberflächen enthalten, die dann mit dem Mikroskop untersucht werden.

Die einfachen oder zusammengesetzten Mikroskope

Die optischen Linsen, die eine starke Vergrößerung ermöglichen, werden als einfache Mikroskope bezeichnet. Dabei ist der Übergang zu einer im Prinzip genauso funktionierenden Lupe, die jedoch schwächer ist, fließend. Die heutigen üblichen Mikroskope sind allerdings die zusammengesetzten Mikroskope. Diese werden daher so bezeichnet, da sie aus zwei Linsensystemen bestehen: Das vorderste optische Element – das Objekt, das ein Zwischenbild erzeugt, welches dann von dem Okular erneut vergrößert wird.