Lichtmikroskop

Bereits vor über 2000 Jahren beschrieben Römer (Seneca) das Prinzip der Vergrößerung durch mit Wasser gefüllte Glasschalen. Die Lichtmikroskopie wurde etwa im Jahr 1595 von den Brillenschleifern Hans Janssen sowie später durch dessen Sohn Zacharias Janssen aus den Niederlanden entwickelt und zählt zu den ältesten bekannten Mikroskopiertechniken.


 

Was ist ein Lichtmikroskop?

Ein Lichtmikroskop ist ein Gerät, mit dem man von kleinen, oft für das Auge nicht sichtbare Objekte wie Organismen, Kleinlebewesen oder aber auch Gegenstände sowie Strukturen mit Hilfe von Linsen und Licht vergrößert. Das Wort Mikroskop stammt aus dem griechischen und bedeutet micros „sehr klein“ und skopie „ansehen, anschauen oder betrachten“. Im Gegensatz zu Lupen haben Lichtmikroskope ein wesentlich höheres Auflösungsvermögen. Durch die sensationelle Erfindung des Mikroskops ist es u. a. gelungen, wichtige Fragen der Naturwissenschaft zu beantworten oder beispielsweise in der Medizin Krankheitserreger ausfindig zu machen und zu analysieren. Die Mikroskopie ist in vielen Bereichen von unschätzbarem Wert. Der Physiker Ernst Abbe entwickelte optische Gläser mit maximal erreichbaren mikroskopischem Auflösungsvermögen, erforschte die Bildentstehung im Mikroskop unter Berücksichtigung der Beugung des Lichts und optimierte die Lage und Größe der Blenden. Ernst Abbe entwickelte eine Formel (Abbesche Sinusbedingung), die eine notwendige Bedingung für Mikroskope darstellt, um ein kleines achsnahes und achssenkrechtes Flächenelement abzubilden, welches frei von Bildfehlern ist. Durch seine Formeln, u. a. auch noch die der „Auflösungsformel nach Abbe sowie die verfeinerte Theorie der Bildfehler sowie der Zusammenarbeit mit dem deutschen Unternehmer Carl Zeiss, gelang Ende des 19. Jahrhunderts der Durchbruch eines ausgereiften, vor allem wegen seiner Abbildungsschärfe sowie der Optimierung der Blende, bis heute noch als vollkommen in seiner Perfektion zu bezeichnendes Mikroskops.


 

Wer benötigt ein Lichtmikroskop und welche Mikroskop-Arten werden eingesetzt?

Mikroskope finden in zahlreichen Berufssparten ihre Anwendung. Geologen beschäftigen sich mit der Exploration von Öl und Gas und verwenden beispielsweise das Polmikroskop. Fischzüchter untersuchen hingegen beispielsweise Gewässer auf deren Inhalt nach Plankton bzw. nach Krankheiten mit Hilfe des Stereomikroskops. Ebenfalls werden Gravuren oft mit dem Stereomikroskop angefertigt. Während Mühlen den Ausmahlgrad und die Reinheit des Mehls mit dem Durchlichtmikroskop kontrollieren, benötigen Automobilhersteller Auflichtmikroskope zur Qualitätskontrolle, für die Entwicklung oder z. B. für das Vermessen von Lackschichten. Der Baubiologe führt baubiologische Messtechniken durch, um Schadstoffe und Schimmelpilze in Gebäuden und Wohnungen zu analysieren. Hierzu wird u. a. ein Fluoreszenzmikroskop verwendet. Heilpraktiker benötigen für die Untersuchung des Blutes ein Dunkelfeldmikroskop. Bei dieser Mikroskopierart können Blutzellen im Dunkelfeld in Vergrößerungen bis 1000fach beobachtet werden, wobei eine qualitative Beurteilung des Blutes stattfindet. Dieser sogenannte 3-Stufen-Bluttest gibt Einblicke über freie Radikale und evtl. Störungen in den Organsystemen. Die Textilindustrie verwendet Fluoreszenzmikroskope zur berührungslosen Profil- Rauheit- und Schichtdickenmessung um mögliche Fehlerware bei der Produktion von Textilien frühzeitig zu erkennen. Ebenso werden bei der Verwendung von natürlichen Fasern wie z. B. die Baumwolle, Schurwolle, Leinen etc. die Materialien auf Sauberkeit, Stapel oder Struktur der Zellwände hin untersucht, bevor sie weiter verarbeitet werden. Gleiches gilt für synthetische Stoffe, die auf u. a. Zugfestigkeit, Faserausrichtung, Länge und Durchmesser mikroskopisch untersucht werden. Hierbei werden speziell Durchlicht-Polarisationsmikroskope verwendet. Bei der Herstellung von Papier werden Mikroskope in der Papierindustrie als Hilfsmittel in der Papieranalytik und bei nass-chemischen Untersuchungen verwendet. Mit Licht- und Elektronenmikroskopen werden die Oberflächeneigenschaften überwacht, die Rauigkeit wird analysiert sowie Struktur und Form untersucht werden. Die Druckindustrie überwacht mit Hilfe von Durchlichtmikroskopen die Druckqualität sowie die optischen Papiereigenschaften. Hierzu zählen u. a. die Oberflächentopografie, die Textur, die Zugfestigkeit sowie die Dicke der Tintenschichten und die Größe der Tintentropen. Auch werden mit Hilfe des Mikroskops die Strukturwalzen überwacht.

  • Geologen benötigen für die Exploration von Gas und Öl das Polmikroskop
  • Fischzüchter untersuchen Gewässer mit dem Stereomikroskop
  • Gravuren werden mit Hilfe des Stereomikroskops angefertigt
  • Mühlen zur Untersuchung des Mehls auf Ausmahlgrad und Reinheit mit dem Durchlichtmikroskop
  • Automobilhersteller benötigen Auflichtmikroskope für die Qualitätskontrolle, Entwicklung, Vermessen von Lackschichten
  • Baubiologen untersuchen Gebäude und Wohnungen auf Schimmelpilze und Schadstoffe mit einem Fluoreszenzmikroskop
  • Heilpraktiker benötigen Dunkelfeldmikroskope zur Untersuchung des Blutes
  • Die Textilindustrie verwendet Durchlichtpolarisationsmikroskope zur Analysierung von Faserstoffen
  • Die Papierindustrie verwendet Auflicht- bzw. Elektonenmikroskope zur Analyse der Rauigkeit, zur Überwachung der Oberflächenbeschaffenheit oder der Untersuchungen der Form und Struktur.
  • Druckereien brauchen Durchlichtmikroskope u. a. zur Überwachung der Druckqualität sowie der optischen Papiereigenschaften
  • Die Polizei auf der Suche nach Fälschungen
  • Gutachter in der Kunst

 


 

Formen, Typen und Arten

Mikroskope unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Funktionsweise aber auch hinsichtlich ihrer Art voneinander. In der Regel unterscheidet man zwischen zwei Varianten: Bei der einen Variante wird das Objekt durchleuchtet und muss dementsprechend durchsichtig sein; es wird das Durchlichtmikroskop verwendet. Auf der anderen Seite werden die Objekte angeschienen und die Oberflächenstruktur des Präparates untersucht, welches mit einem Auflichtmikroskop geschieht.

Das Durchlichtmikroskop

Bei der Durchlichtmikroskopie werden Objekte betrachtet, die durchsichtig und sehr dünn geschnitten sind. Umso dünner das Präparat geschnitten wird, desto genauer kann es abgebildet werden. Bei Durchlichtmikroskopen gibt es die Möglichkeit, dass das Licht von unten kommt und das Objekt von oben betrachtet wird, oder die Lichtquelle erfolgt von oben und das Objekt wird von unten betrachtet. Bei der Durchlichtmikroskopie verläuft das Licht durch das zu betrachtende Präparat. Bei den klassischen Durchlichtmikroskopen kommt das Licht von unten und das Objekt wird von oben betrachtet. Inversmikroskope (Umkehrmikroskope) sind beispielsweise spezielle Durchlichtmikroskope. Bei dieser Mikroskopart erfolgt der Lichteinfall von oben und das zu betrachtende Objekt wird von unten beobachtet. Inversmikroskope werden u. a. in der Biomedizin, der Hydrobiologie oder Hydrogeologie eingesetzt, da in diesem Bereich oft Lebendproben am Boden von Kulturschalen untersucht werden, die nicht umgedreht werden dürfen. Ebenfalls findet das Spezialmikroskop seinen Einsatz z. B. sowohl in Wasserwirtschaftsämtern, in Forschungsinstituten, in der Human- und Veterinärmedizin, der Gewässerkunde als auch in der Landwirtschaft. Auf Grund des großen Abstandes zwischen Objekt und Objektiv ist auch eine Betrachtung dickerer Präparate möglich.

Das Auflichtmikroskop

Beim Auflichtmikroskop wird das Licht von oben durch das Objektiv auf das Präparat gestrahlt oder es wird von der Seite schräg eingestrahlt und auch das Objekt wird von oben betrachtet. Auf diese Weise können lichtundurchlässige und auch sehr dicke Objekte wie z. B. Insekten beobachtet werden. Diese Mikroskope werden häufig in der Mineralogie (Materialwissenschaften) sowie in der Fluoreszenzmikroskopie verwendet. Man unterscheidet im Prinzip zwischen zwei Arten von Auflichtmikroskopen:

  • Das aufrecht stehende Auflichtmikroskop besitzt einen ähnlichen Aufbau wie die herkömmlichen Durchlichtmikroskope: Sowohl das Objektiv, wie auch der Tubus und das Okular befinden sich über dem Objekttisch.
  • Das inverse Auflichtmikroskop ist umgekehrt, dies bedeutet, das der optische Apparat sich unter dem Objekttisch befindet und die Unterseite der Präparate beobachtet werden können. Der Vorteil dieses Auflichtmikroskop besteht darin, dass vor allem große und sperrige Objekte untersucht werden können, was bei Mikroskopen, bei denen das Präparat zwischen Objekttisch und Objektiv gelegt wird, nicht möglich ist.

 


 

Aufbau, Funktion und Wirkungsweise

Ein Mikroskop besteht aus einem Mikroskopfuß, einer Lichtquelle, dem Kondensor, einem Objekttisch, dem Objektträger, aus mehreren Objektiven, einem Revolverkopf, dem Tubus und dem Okular, einem Stativ, zwei Objekthaltern sowie dem Grob- und dem Feintrieb.

Der Mikroskopfuß besteht meistens aus einer schweren Metallplatte und sorgt für Stabilität. Das Mikroskopstativ ist fest mit dem Mikroskopfuß verbunden und an ihm befinden sich alle wichtigen Bestandteile des Mikroskops. Der Objekttisch ist meistens nicht fest am Stativ verankert um unterschiedliche Höhe zu ermöglichen. Die Höhe des Objekttischs lässt sich entweder mit dem Feintrieb oder mit dem Grobtrieb durch hoch- und runterfahren einstellen. Hierbei wird jeweils die Brennweite verändert und solange gedreht, bis das Bild scharf ist. Mit dem Kondensor lässt sich der Lichteinfall regulieren. Je kleiner die Blende eingestellt ist, umso gebündelter ist der Lichteinfall.
Der meist aus Glas bestehende Objektträger wird, um ein Verrutschen zu vermeiden, am Objekttisch mit zwei metallenen Objekthaltern befestigt. Oberhalb des Objekttisches befindet sich der Revolverkopf, an dem mehrere Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten (Vergrößerungsstufen) angebracht sind. Durch Drehen des Revolverkopfes wird ein Austauschen der Objektive ermöglicht. Die meisten Mikroskope besitzen Objektive mit 4facher, 10facher und 40facher Vergrößerung. Am oberen Ende des Stativs befindet sich der Tubus, der für eine angenehme Haltung beim Betrachten des Objektes sorgt. Vorne auf dem Tubus befindet sich das Okular, in dem die vergrößerte Darstellung des Objektes zu sehen ist. Das Okular besteht aus einer Linse und wirkt deshalb wie eine Lupe, wobei das bereits vergrößerte Objekt nochmals um das 10fache, 15fache oder 20fache vergrößert wird.
Bei den meisten Mikroskopen lassen sich die Okulare austauschen. Beim Mikroskopieren gibt es die Möglichkeit, das Tages bzw. Sonnenlicht über einen Spiegel als Lichtquelle zu nutzen oder aber auch mit elektrischen Lampen (LED), wobei letzteres die zuverlässigere und gleichmäßigere Variante bietet.

Die wichtigen Bestandteile eines Mikroskops im Überblick

  • Mikroskopfuß
  • Mikroskopstativ
  • Objekttisch
  • Grobtrieb
  • Feintrieb
  • Kondensor
  • Objektträger
  • Objekthalter
  • Revolverkopf
  • Tubus
  • Spiegel
  • Okular
  • Objektive
  • Lichtquelle

 


 

Medizinischer und gesundheitlicher Nutzen

Mit Hilfe der Mikrokopiertechnik können selbst kleinste Strukturen sichtbar gemacht werden. Durch die Mikrokopiertechnik ist es möglich, Zellen, Bakterien und Viren zu spezifizieren, was für die Medizin und die Biologie einen unschätzbarem Wert darstellt. Ebenfalls werden Mikroskope bei Operationen eingesetzt, bei der eine 6 bis 40fache Vergrößerung möglich, sowie ein aufrechtes und dreidimensionales Bild erzeugt werden kann.

Das Mikroskop im medizinischen Bereich zur Analyse von Krankheiten

Das Lichtmikroskop wird in der Medizin hauptsächlich dazu genutzt, Körperzellen, Gewebeproben, Blutbestandteile oder Mikroorganismen zu untersuchen um sie anschließend beurteilen zu können. Besonders bei Krankheiten werden Blut, Urin, Gewebe oder Speichel im Labor mit Hilfe des Mikroskops nach Bakterien, Viren oder Pilzen durchleuchtet, um die Krankheitserreger benennen und die entsprechenden Medikamente einsetzen zu können.

Das Operations-Mikroskop beim Zahnarzt

In der Mikrochirurgische werden spezielle Operationsmikroskope eingesetzt, die es dem Zahnarzt dank der Winkeloptik ermöglichen, schwer zugängliche Behandlungsareale bequem zu erreichen. Insbesondere bei Wurzelkanalbehandlungen sorgt das OP-Mikroskop mit seiner bis zu 40-fachen Vergrößerung für ein leichtes Auffinden der dünnen Kanäle in den Zahnwurzeln. Ebenfalls können mit Hilfe des Mikroskops Wurzelkanäle ausgeleuchtet werden, so dass der Zahnarzt diese mühelos erkennen und dementsprechend gut operieren kann.


 

Fragen und Antworten zu Inkubationszeit

Was ist der Vorteil eines Elektronenmikroskops gegenüber einem Lichtmikroskop?

Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Mikroskopen liegt in der zur Abbildung des Objekts verwendeten Strahlung. Das menschliche Auge erkennt Licht mit Wellenlängen von einigen hundert Nanometern, der Elektronenstrahl jedoch einige Tausendstel eines Nanometers. Deshalb ergibt sich bei einem Elektronenmikroskop ein besseres Auflösungsvermögen und damit eine schärfere Abbildung als im Lichtmikroskop. Selbst kleinste, nur wenige Nanometer voneinander entfernte Strukturen können bei der Elektronenmikroskopie erkannt werden, was bei einem Lichtmikroskop entweder gar nicht oder nur als verschwommener Punkt erscheinen würde.

Welche Unterschiede gibt es zwischen dem Lichtmikroskop und dem Elektronenmikroskop?

Der wesentliche Unterschied zwischen den Mikroskopen liegt in der jeweils zur Abbildung verwendeten Strahlung. Das menschliche Auge erkennt Licht von einigen hundert Nanometern, der Elektronenstrahl hingegen kann einige Tausendstel eines Nanometers erkennen.
Deshalb kann mit dem Lichtmikroskop lediglich eine 400fache Vergrößerung erzielt werden. Beim Einsatz mit Immersionsöl ist auch eine 800fache Vergrößerung möglich. Bei der Elektronenmikroskopie können hingegen mit 300.000facher Vergrößerung selbst kleinste Moleküle betrachtet werden.

Kann man mit dem Mikroskop Atome sichtbar machen?

Erstmals gelang es einer Forschergruppe der Technischen Universität in Dresden Anfang 2000, Atome zu zählen und zu unterscheiden. Elemente wie Arsen, Sauerstoff sowie Silizium können mit Hilfe eines holographischen Verfahren unter einem Elektronenmikroskop unterschieden werden. Auf Grund der störungsarmen Umgebung eines Speziallabors kann eine extrem hohe Auflösung des Mikroskops erreicht werden und so die einzelnen Atome unterschieden werden. Vor allem bei der Herstellung von elektrischen Chip in der Chiptechnologie lassen sich mit Hilfe des Mikroskops Fehler in der Struktur erkennen.


 

Unser Fazit zum Lichtmikroskop

Lichtmikroskope leisten nicht nur wertvolle Dienste in den Bereichen der Medizin oder der Naturwissenschaft, fast jeder Fertigungsbetrieb ist auf die Hilfe von Mikroskopen angewiesen. Sei es zur Qualitätsüberwachung oder das Prüfen kleinster Materialien auf Eignung, die Spurensuche der Polizei nach Fälschern oder das Prüfen der Lackschichten. Seit der Erfindung des Mikroskops steht der Erforschung selbst kleinster atomarer Teilchen nichts mehr im Wege.

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