Mikroskop

Das Mikroskop ist ein optisches Gerät, das aus zwei Linsensystemen, dem Objektiv und dem Okular, besteht. Man unterscheidet das Lichtmikroskop und das Elektronenmikroskop.

Das Prinzip eines Lichtmikroskops besteht darin, dass von einem dünnen, durchleuchteten Objekt mithilfe des Objektivs, das wie eine Sammellinse wirkt, ein vergrößertes Bild (Abbild) erzeugt wird. Dieses betrachtet man dann mit dem Okular (praktisch einer Lupe), das das Bild noch weiter vergrößert. Mit einem Lichtmikroskop lassen sich aber maximal Punkte mit einem Abstand von 0,001 mm unterscheiden (das 100-Fache dessen, was das menschliche Auge vermag).

Deshalb sind mit einer 2 000-fachen Vergrößerung des Objektbilds die Möglichkeiten des Lichtmikroskops erschöpft. Daher wurde über andere Möglichkeiten nachgedacht.

Das Ergebnis war das Elektronenmikroskop. Der französische Physiker LOUIS DE BROGLIE (1892-1987) suchte nach Wegen, das Licht zu ersetzen. 1924 erkannte er, dass sich bewegende Elektronen kürzere Wellenlängen haben als Lichtstrahlen, sich bündeln lassen und genutzt werden können, um äußerst dünne Präparate zu durchleuchten. Das Elektronenmikroskop war „geboren“. Es wurde erst im Jahre 1931 von dem Deutschen ERNST RUSKA (1906-1988) gebaut. Damit konnte eine Vergrößerung des Objektbilds bis 2 000 000-fach erreicht werden. Auf diese Art und Weise war es z. B. möglich, den Aufbau von feinsten Strukturen der Lebewesen und Viren erstmals zu erkennen.

Aufbau eines Mikroskops

Bild 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Mikroskops. Das Mikroskop besitzt zwei Linsensysteme: das den Gegenständen (Objekten) zugewandte Objektiv und das dem Auge zugewandte Okular. Beide Systeme wirken wie Sammellinsen. Häufig sind mehrere Objektive verschiedener Brennweite vorhanden, die eine unterschiedliche Vergrößerung ermöglichen.

Der Abstand zwischen Objektiv und Okular wird durch die Länge des Tubus bestimmt. Der Tubus ist nichts weiter als ein lichtundurchlässiges Rohr.

Das Objekt befindet sich auf dem Objekttisch und wird von unten beleuchtet. Das kann durch eine eingebaute Lampe oder durch Tageslicht erfolgen, das durch einen Spiegel in Richtung Objekt reflektiert wird.
Um ein scharfes Bild zu erhalten, kann die Entfernung Objektiv-Objekt mithilfe eines Triebrads verändert werden.

Aufbau eines Mikroskops mit den wichtigsten Teilen

Aufbau eines Mikroskops mit den wichtigsten Teilen

Mikroskop
Mikroskop

Wirkungsweise eines Mikroskops

Die Wirkungsweise eines Mikroskops kann man aus dem Strahlenverlauf erkennen: Mit dem Objektiv, das dem Gegenstand zugewandt ist, wird ein vergrößertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und reelles (wirkliches) Zwischenbild des Gegenstands erzeugt. Damit das der Fall ist, muss sich der Gegenstand zwischen der einfachen und der doppelten Brennweite des wie eine Sammellinse wirkenden Objektivs befinden.

Dieses Zwischenbild wird durch das Okular hindurch betrachtet. Da es sich innerhalb der einfachen Brennweite des Okulars befindet, wirkt das Okular wie eine Lupe. Es entsteht also von dem Zwischenbild ein wiederum vergrößertes, aufrechtes, seitenrichtiges und virtuelles (scheinbares) Bild des Gegenstands. Dieses Bild kann mit den Augen betrachtet und auch fotografiert werden. Es ist ein vergrößertes, umgekehrtes, seitenvertauschtes und virtuelles Bild des Gegenstands.

Strahlenverlauf bei einem Mikroskop: Durch das Objektiv entsteht ein vergrößertes Zwischenbild, das durch das Okular weiter vergrößert wird.

Strahlenverlauf bei einem Mikroskop: Durch das Objektiv entsteht ein vergrößertes Zwischenbild, das durch das Okular weiter vergrößert wird.

Vergrößerung beim Mikroskop

Durch die Vergrößerung des Bilds des Gegenstands in zwei Stufen kann mit einem Mikroskop eine sehr starke Gesamtvergrößerung des Bilds erreicht werden. Hat z. B. das Objektiv eine 40-fache Vergrößerung und das Okular eine 8-fache Vergrößerung, so ergibt sich als Gesamtvergrößerung:

40 x 8 = 320

Allgemein kann man die Gesamtvergrößerung des Objektbilds eines Mikroskops mit folgender Gleichung berechnen:

V = V 1 V 2 V 1 Vergrößerung des Objektivs V 2 Vergrößerung des Okulars

Bei einem Lichtmikroskop wird mit Vergrößerungen von bis zu etwa 1 000 gearbeitet. Sind höhere Bildvergrößerungen notwendig, so nutzt man meist Elektronenmikroskope.

Regeln für die Handhabung eines Mikroskops

Beim Arbeiten mit einem Mikroskop sollte man die folgenden Regeln beachten, die zugleich eine zweckmäßige Schrittfolge darstellen:

  1. Lege zunächst den Objektträger mit dem zu untersuchenden Objekt so auf den Objekttisch, dass das Objekt über der Öffnung liegt! Klemme den Objektträger fest!
  2. Um dir einen Überblick über das zu untersuchende Objekt zu verschaffen, stelle mit dem Objektivrevolver die kleinste Vergrößerung ein.
  3. Bewege durch Drehen des Triebrads das Objektiv bis in die Nähe des Objekts. Kontrolliere dabei von der Seite, damit das Objektiv das Objekt nicht berührt, sonst können Objektiv und Objekt beschädigt werden.
  4. Schaue durch das Okular und stelle das Objekt scharf ein, indem du durch Drehen des Triebrads den Abstand Objekt-Objektiv langsam vergrößerst oder verkleinerst.
  5. Reguliere, wenn notwendig, die Helligkeit mithilfe der Blende oder des Spiegels.
  6. Verschiebe nun den Objektträger mit dem Objekt so lange auf dem Objekttisch, bis du eine Stelle des Objekts gefunden hast, die günstig betrachtet werden kann.
  7. Betrachte das Objekt genau! Fertige eine Übersichtsskizze an.
  8. Wähle eine stärkere Vergrößerung und betrachte das Objekt erneut! Ergänze die Skizze und beschrifte sie.

Elektronenmikroskope

Die Auflösung eines Lichtmikroskops ist durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. Um höhere Auflösungen und damit stärkere Bildvergrößerungen zu erzielen, wurden in den 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts Elektronenmikroskope entwickelt. Sie arbeiten mit Elektronenstrahlen und ermöglichen Vergrößerungen bis 500 000. Bild 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Mikroskops. Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt nicht mit Linsen, sondern mithilfe magnetischer bzw. elektrischer Felder.

Die Entwicklung solcher Elektronenmikroskope ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass man mit ihnen auch einzelne atomare Strukturen abbilden kann. Bild 6 zeigt ein Beispiel dafür: zu sehen ist die elektronenmikroskopische Aufnahme eines Kristalls mit Kupfer- und Chloratomen. Der angegebene Maßstab ist 1 Nanometer (1 nm): das ist der milliardste Teil eines Meters.

Herstellen von Mikropräparaten

Objekte, die mit einem Mikroskop betrachtet werden sollen, müssen meist erst dafür hergerichtet werden. Es muss ein Mikropräparat hergestellt werden. Bei vielen trockenen Objekten (z. B. Blütenstaub, Fischschuppen, Haaren, Flügeln von Insekten) ist das leicht. Sie können ohne vorherige Bearbeitung auf einen Objektträger gelegt und mikroskopisch untersucht werden. Man stellt von ihnen also Trockenpräparate her.

Von anderen Objekten (z. B. Blättchen von Moosen, Bild 10) stellt man Feuchtpräparate her. Die Objekte werden in einen Wassertropfen auf dem Objektträger gelegt und mit einem Deckgläschen abgedeckt.

Bei wieder anderen Objekten, beispielsweise dem Holundermark, dem Kork oder dem Kürbis- und Maisstängel, müssen erst dünne Schnitte angefertigt werden, damit Licht hindurchtreten kann. Erst dann können diese Objekte mithilfe des Mikroskops betrachtet werden.

Bei den Trocken- und Feuchtpräparaten handelt es sich um Frischpräparate. Diese halten sich meist nicht lange.

Durch besondere Behandlung können Mikropräparate auch lange haltbar gemacht werden. Die Objekte werden in Harz oder Gelatine eingeschlossen. Solche Präparate werden dann Dauerpräparate genannt.

Man unterscheidet bei den Mikropräparaten Frisch- und Dauerpräparate. Das Mikropräparat besteht aus dem Objektträger, dem Objekt, oftmals einem Einschlussmittel (z. B. Wasser) und einem Deckgläschen. Will man von den Objekten alle Einzelheiten untersuchen und diese genau betrachten, müssen die Objekte angefärbt werden. Man benötigt also spezielle Färbemittel.

Für die Herstellung eines Mikropräparats werden einige Geräte und Chemikalien gebraucht. Dabei müssen bestimmte Arbeitsschritte eingehalten werden.

Mikroskopische Zeichnung

Zeichne möglichst genau das mikroskopische Bild (mikroskopisches Bild und Zeichnung vom Querschnitt des Holundermarks).

Geschichte der Mikroskopie

Antike
Bereits um 500 vor Christus benutzten die Griechen und Römer Lupen als Brenngläser, um Objekte zu vergrößern. Die Erkenntnisse der frühen Forschung auf dem Gebiet der Optik hielt um 1000 Alhazen (eigentlich Ibn Al Haitam 965-1038) fest und beschrieb im „Thesaurus Opticus“ den von ihm erfundenen Lesestein.

Mittelalter
Auch im Mittelalter stagnierte die Entwicklung neuer Geräte nicht. Im 13. Jahrhundert gelang es dem englischen Mönch ROGER BACON (1214-1292), Glaslinsen für Brillen zu schleifen. Die Kunst des Glasschleifens war eine wichtige Voraussetzung für die Erfindung des Mikroskops. Mode war es zur damaligen Zeit, ein „Flohglas“ bei sich zu tragen. Dabei handelte es sich um ein Metallrohr, so groß wie ein Daumen, mit einer Linse am Ende.
Um 1590 entdeckte dann der holländische Brillenmacher ZACHARIAS JANSSEN (1588-1631), dass alles, was er durch zwei Linsen hintereinander betrachtete, vergrößert erschien. Er entwickelte auf diese Art und Weise das zusammengesetzte Mikroskop, verfolgte seine Entdeckung aber nicht weiter.
GALILEO GALILEI (1564-1642), italienischer Naturforscher, verbesserte um 1609 das von JANSSEN entwickelte Gerät und untersuchte damit bereits die Augen von Insekten.
Nahezu zeitgleich beschäftigte sich auch JOHANNES KEPLER (1571-1630), ein deutscher Sternenforscher, mit der Optik und entwickelte um 1611 das astronomische Fernrohr, welches aus zwei Sammellinsen bestand.
Ein Exemplar des von JANSSEN entwickelten Instruments gelangte in den Besitz von CORNELIUS DREBBEL (1572-1633), welcher das Gerät untersuchte und verbesserte. So entstanden die von DREBBEL entwickelten zusammengesetzten Mikroskope, welche 1622 nach London und Rom gelangten.

17. Jahrhundert
Im 17. Jahrhundert entwickelte sich das zusammengesetzte Mikroskop rasch weiter. Ein Grund dafür waren unter anderem die vielen wissenschaftlichen Forschungen und Abhandlungen auf dem Gebiet der Physik, insbesondere der Optik. So erschien beispielsweise 1637 das Buch „Dioptrique“ des Philosophen und Naturwissenschaftlers RENÉ DESCARTES (1596-1650) über das Brechungsgesetz und 1665 das Werk „Micrographia“ von ROBERT HOOKE (1635-1703), in welchem er detaillierte, mikroskopische Zeichnungen veröffentlichte. Außerdem stellte dieser selbst Linsen her.
1666 führte ISAAC NEWTON (1643-1727) seine berühmten optischen Versuche durch. Er hielt damals die Achromatisierung für unmöglich, da zu seiner Zeit die Linsen der Mikroskope das weiße Licht immer in seine Regenbogenfarben zerlegten. So waren kleine Objekte von Farbringen umgeben, welche das Erkennen kleinster Einzelheiten unmöglich machten. Erst rund 100 Jahre später waren die Forscher in der Lage, achromatische Mikroskope zu konstruieren.
Der holländische Tuchhändler ANTONY VAN LEEUWENHOEK (1632-1723), baute um 1637 ein „Mikroskop“ nach seinen Vorstellungen und untersuchte damit die verschiedensten Dinge – er beobachtete den Aufbau von Samen, Früchten, Blüten, Augen verschiedener Tiere und den Blutkreislauf von Kaulquappen, sowie Spermien. Er fertigte für jedes Präparat ein separates Mikroskop an und gehörte zu den Ersten, welche die mikroskopischen Objekte genau aufzeichneten und beschrieben. Seine Aufzeichnungen veröffentlichte er in wissenschaftlichen Briefen an die Royal Society of London. 1683 verblüffte er die Leser mit der Feststellung, dass es in seinem Munde mehr Lebewesen als Menschen in den Niederlanden gäbe. Grund für diese Behauptung war die Untersuchung des Zahnbelags eines achtjährigen Jungen. LEEUWENHOEK hatte somit als Erster jene Lebewesen entdeckt, die wir heute als Bakterien bezeichnen. Da er die Kunst des Linsenschleifens als sein Geheimnis hütete, konnten Bakterien erst wieder im 19. Jahrhundert beobachtet werden, als man die Technik des Mikroskopbaus besser beherrschte.
1669 benutze MARCELLUS MALPIGHI (1628-1694) als Erster das Mikroskop zu systematischen biologischen Untersuchungen und ROBERT HOOKE, englischer Wissenschaftler, entdeckte mit seinem selbst gebauten Mikroskop im Jahr 1667, dass Kork aus kleinen voneinander getrennten „Schachteln“ (Zellen) besteht. Somit war HOOKE der Entdecker der Pflanzenzelle.
Nun schritt die Entwicklung des Mikroskops rasch voran: 1694 baute NICOLAAS HARTSOEKER (1654-1725) das einfache Mikroskop mit Gewindetubus, gegen 1700 entwickelte CHRISTIAN HUYGENS (1629-1695) ein zweilinsiges Okular (Huygens-Okular) mit der Feldlinse vor der Bildebene des Objektivs.

18./19. Jahrhundert
JAMES WILSON (1665-1730), GEORGE ADAMS (1708-1773) u. a. entwickelten die Mikroskope weiter. Das Zirkelmikroskop von WILSON arbeitete noch mit Auflicht, HERTEL (1683-1743) setzte schon eine Durchlichtbeleuchtung ein.
Um 1740 griff JOHANN NATHANIEL LIEBERKÜHN (1711-1756) DESCARTES’ Idee vom Hohlspiegel wieder auf und konstruierte Sonnenmikroskope.
Um 1770 bauten JAN (1715-1801) und HARMANUS (1738-1809) VAN DEYL das erste achromatische Mikroskopobjektiv.
MATTHIAS JAKOB SCHLEIDEN und THEODOR SCHWANN, deutsche Wissenschaftler, begründeten die Zelltheorie: Sie gingen davon aus, dass Zellen die Grundbausteine aller Pflanzen und Tiere sind. Ein Studium der Natur ohne mikroskopische Untersuchungen war für sie undenkbar. Andere Wissenschaftler meinten, dass es auch ohne Mikroskop noch genügend zu entdecken gäbe. Die kleinen Werkstätten verbesserten ihre Mikroskope trotzdem weiter.
ROBERT KOCH (1843-1910), deutscher Bakteriologe, entdeckte dann 1882 mithilfe des Mikroskops die stäbchenförmigen Tuberkelbakterien, die Erreger der Tuberkulose, einer damals gefährlichen Infektionskrankheit, gegen die heutzutage geimpft wird.
Es entstanden Unternehmen zur Herstellung mechanisch-optischer Geräte, z. B. von CARL ZEISS (1816-1888) 1846 in Jena oder die von OTTO SCHOTT (1851-1935) 1884 gegründete Glashütte zur Schmelzung und Herstellung von Glas.
ERNST ABBE (1840-1905), deutscher Physiker, begann dort die wissenschaftlichen Grundlagen für den Bau der Mikroskope zu erarbeiten. 1872 entwickelte er die Theorie zur Bildentstehung im Mikroskop. Daraufhin wurden Lichtmikroskope produziert, deren Vergrößerung darauf beruht, dass Licht vom Präparat durch zwei Glaslinsen dringt, die Objektivlinse und das Okular.
Eine stete Verbesserung der Ergebnisse des Mikroskopierens erfolgte auch durch die Erfindung der histologischen Färbung von JOSEPH VON GERLACH 1855, mit deren Hilfe beispielsweise Körperzellen besser sichtbar wurden, und 1893 durch die Entwicklung der Köhlerschen Beleuchtung mit separater Regulierung von Leuchtfeld- und Kondensorblende von AUGUST KÖHLER (1866-1948).

20./21. Jahrhundert
Im 20. Jahrhundert wurde die Technik des Lichtmikroskops weiterentwickelt und überholt. 1903 entwickelten HENRY SIEDENTOPF (1872-1940) und RICHARD ZSIGMONDY (1865-1929) das Ultramikroskop. Für diese Entwicklung erhielten sie 1925 den Nobelpreis. Im Jahre 1904 wurde auch ihre Erfindung überholt und das Ultraviolettmikroskop von AUGUST KÖHLER und MORITZ VON ROHR (1868-1940) hergestellt. 1911 entwickelte CARL REICHERT (1851-1922) das Lumineszenzmikroskop.
Im Jahr 1931 gelang es dann ERNST RUSKA (1906-1988) und MAX KNOLL (1897-1969) zusammen, das erste Elektronenmikroskop zu entwickeln. Es funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie das Lichtmikroskop. Allerdings wird der Lichtstrahl durch einen Elektronenstrahl und die optischen Linsen werden durch elektromagnetische Linsen ersetzt. Aufgrund dessen ist die Auflösung des Elektronenmikroskops um einiges höher als die des Lichtmikroskops.
1941 erfand FRITS ZERNIKE (1888-1966) den Phasenkontrast, mit dessen Hilfe es möglich ist, in einem Lichtmikroskop kontrastreiche Bilder zu erhalten, ohne diese vorher färben zu müssen. Für diese Entdeckung erhielt er 1953 den Nobelpreis.
Im 21. Jahrhundert wurden dann die Elektronenmikroskope verbessert und weiterentwickelt.
Mithilfe der 1981 entwickelten sogenannten Rastertunnelmikroskope können sogar Atome betrachtet werden. Durch die Entwicklung des Rastertunnelelektronenmikroskops und ähnlicher Mikroskope ist es möglich geworden, in Bereichen von einem Millionstel Millimeter Dinge zu betrachten, zu bearbeiten oder herzustellen. Seine Erfinder, GERD BINNIG (*1947) und HEINRICH ROHRER (*1933), wurden 1986 für ihre Arbeiten mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Im Jahr 1985 demonstrierte WIJNAENDTS VAN RESANDT „optisches Schneiden“, mit dessen Hilfe es möglich ist, ein dreidimensionales Abbild des zu mikroskopierenden Objekts zu erhalten.

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