Mikroskọp

Gerät zur vergrößernden Betrachtung und Abbildung von kleinen Gegenständen. Das Lichtmikroskop, dessen Entwicklung eng mit derjenigen der Optik verknüpft ist, besteht im Wesentlichen aus zwei Linsensätzen, die in einem Verbindungsrohr (Tubus) montiert sind, sowie der Beleuchtungseinrichtung und einer Halterung für das Beobachtungsobjekt. Der dem Objekt zugewandte Linsensatz, das Objektiv, hat eine kleine Brennweite; er wirkt wie eine Sammellinse und erzeugt ein vergrößertes, umgekehrtes reelles Bild des Gegenstands (Zwischenbild). Dieses Zwischenbild wird durch den als Lupe wirkenden zweiten Linsensatz, das Okular, durch den man in das Mikroskop hineinschaut, nochmals vergrößert. Insgesamt sind Vergrößerungen bis etwa zum 1400-Fachen möglich. In sog. Stereomikroskopen verwendet man zwei Strahlengänge mit Objektiv, Tubus und Okular, die leicht unterschiedliche Blickwinkel aufweisen und die räumlichen Beobachtung und Präparation von Objekten mit beiden Augen ermöglichen.

Die Entfernung des Objektivs vom Objekt – und damit die Scharfeinstellung des Bilds – lässt sich durch ein Mikrometergetriebe feinregulieren. Da ein Mikroskop nur in einer Ebene scharf abbildet, muss das Beobachtungsobjekt sehr flach sein und sich genau in dieser Ebene befinden. Meist wird es auf einer dünnen Glasplatte, dem Objektträger, fixiert und mit einem noch dünneren Deckglas abgedeckt.

Je nach Art des Objekts wählt man die Beleuchtung aus: Bei der klassischen Durchlichtmikroskopie werden transparente Objekte von unten durchstrahlt, bei der Auflichtmikroskopie werden dagegen beliebige Objekte von oben beleuchtet und das reflektierte Licht in das Mikroskop geleitet. Bei der Durchlichtmikroskopie werden Unterschiede in der Streuung bzw. Absorption des Objekts, bei der Auflichtmikroskopie die unterschiedlichen Reflexionen an der Objektoberfläche als Helligkeitsvariationen sichtbar. Der so erzielbare Kontrast ist jedoch normalerweise gering. Es wurden daher verschiedene Verfahren entwickelt, um den Kontrast zu erhöhen. So wird das Objekt in der Dunkelfeldmikroskopie sehr schräg beleuchtet (Auflicht oder Durchlicht); das Gesamtbild erscheint dabei dunkel, nur feine Strukturen wie Kratzer oder Stufen, an denen das einfallende Licht gestreut wird, sind sichtbar. Speziell in der Durchlichtmikroskopie lassen sich mit speziellen Objektiven auch die (mit dem bloßen Auge nicht sichtbaren) Phasenverschiebungen des gestreuten Lichts zur Kontrasterhöhung nutzbar machen (sog. Phasenkontrastmikroskopie).

Die Güte eines Mikroskops, insbesondere sein Auflösungsvermögen, hängt von der numerischen Apertur A = n · sin α (n Brechungsindex des Mediums zwischen Objektiv und Deckglas, α halber Öffnungswinkel des Objektivs) des Objektivs sowie von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts ab. Zwei Objektpunkte können gerade noch getrennt abgebildet werden, wenn ihr Abstand d nicht kleiner ist als d = λ/(2 · A). Die Auflösung liegt somit in der Größenordnung einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts, bei sichtbarem Licht mit einer Wellenlänge von z. B. λ = 550 nm und A ≈ 0,90 für Luft (n = 1) gilt also d ≈ 300 nm. Sie lässt sich durch Einbettung der Probe in hochbrechende Materialien wie Kanadabalsam oder durch Eintauchen der gesamten Optik in bestimmte Öle (n = 1,5) auf d ≈ 200 nm steigern (Ölimmersion); durch Verwendung von sehr kurzwelligem Licht (Ultraviolettmikroskopie) kann man d bis etwa 130 nm verbessern.

Die Abbildungseigenschaften optischer Mikroskope lassen sich mit der klassischen Strahlenoptik allein nicht erklären. Nach der von E. Abbe entwickelten Theorie erzeugen die vom Objekt gebeugten Lichtstrahlen (Beugung) als Bild ein Interferenzobjekt, das dem untersuchten Objekt umso ähnlicher ist, je mehr Beugungsordnungen in das Okular gelangen. Erhöht man die Apertur, lassen sich zwar Bildqualität und Auflösungsvermögen verbessern, aber der Kontrast nimmt ab. Verkleinert man jedoch die Apertur, um den Kontrast zu erhöhen, so tritt irgendwann das gebeugte Licht nicht mehr in das Objektiv ein, und es ist nichts mehr zu sehen. Eine mikroskopische Untersuchung ist also immer ein Kompromiss aus guter Abbildung und guter Sichtbarkeit.

Ohne die Begrenzung des Auflösungsvermögens durch die Wellenlänge arbeitet das Nahfeldmikroskop, das anders als das klassische Lichtmikroskop nicht im Fernfeld, sondern im Nahfeld der Probe arbeitet. Hierbei wird das Ende einer Glasfaser in sehr geringem Abstand rasterartig über die Oberfläche des Objekts geführt; das von jedem Rasterpunkt abgestrahlte Licht gelangt durch die Faser zu einem Fotomultiplier (Sekundärelektronenvervielfacher) und wird dort nachgewiesen. Die Auflösung ist hier nur durch die Rasterweite begrenzt und kann unter 10 nm liegen. Mit ähnlichen Rastermechanismen arbeiten auch das Rasterelektronenmikroskop oder das Rastertunnelmikroskop. Elektronenmikroskop.