Mikroskop

Mit einem Mikroskop kann ein winziges Objekt stark vergrößert angesehen oder bildlich dargestellt werden. In der Mikroskopie werden Objekte und deren Struktur betrachtet, die unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegen. Deshalb sind Mikroskope in der Medizin unerlässliche Hilfsmittel, sowie auch in anderen Wissenschaften. Es existieren unterschiedliche Mikroskopie Verfahren, welche sich in der Funktionsweise unterscheiden. Die gängigsten Methoden sind die Lichtmikroskopie, Elektronenmikroskopie und Rastersondenmikroskopie.

Was ist ein Mikroskop?

Das menschliche Auge hat ein begrenztes Auflösungsvermögen, das heißt bis ungefähr 0,2 mm Objektgröße können zwei punktförmige Objekte gerade noch als getrennt wahrgenommen werden, darunter nicht mehr. Ein Mikroskop nutzt physikalische Prinzipien um Vergrößerungseffekte auszunutzen. In der Mikroskopie werden also sehr kleine Objekte (meist kleiner 0,2 mm) so stark vergrößert, dass diese bildlich dargestellt werden können. Die wichtigsten Bauteile eines einfachen Lichtmikroskops sind zwei Sammellinsen, die Primärlinse (Objektiv) und die Lupe (Okular). Das Objektiv bildet das Objekt ab, welches dicht vor dem Brennpunkt des Objektivs steht. Die Primärlinse erzeugt so ein reelles, umgekehrtes und vergrößertes Bild, das im Brennpunkt des Okulars liegt. Das Zwischenbild wird vom Auge durch das Okular betrachtet.

Die Vergrößerung

Die Vergrößerung durch das Okular liegt bei ungefähr 10 bis 20-fach, die des Objektivs bei ungefähr 2 bis 100-fach. Die Gesamtvergrößerung (20 bis 2000-fach) ist das Produkt aus beiden Vergrößerungen. Eine Sammellinse in der Optik, wie das Objektiv, ist ein transparentes Bauelement, das paralleles Licht bis zum Brennpunkt bündelt. Die mathematische Grundlage hierzu ist die Linsengleichung. Die Lupe, in der Mikroskopie das Okular, vergrößert den Sehwinkel. Der maximale Sehwinkel unter dem ein Gegenstand mit dem Auge ohne Hilfsmittel beobachtet werden kann, ist durch den minimalen Sehabstand (Bezugssehweite) gegeben, meist ungefähr 25 cm. Durch den vergrößerten Sehwinkel scheint ein betrachteter Gegenstand aus dem Unendlichen zu kommen und kann mit dem entspannten Auge angeschaut werden, ein sogenanntes Virtuelles Bild im Unendlichen.

Geschichte der (Licht)Mikroskopie

Die Lichtmikroskopie ist die älteste bekannte Mikroskopie Technik und geht ins Jahr 1595 zurück. Niederländische Brillenschleifer und Linsenmache betrachteten ein Objekt durch mehrere Glaslinsen und vergrößerten damit das Objekt. Die Erfindung des ersten funktionstüchtigen Lichtmikroskops geht ins Jahr 1670 zurück. Das bekannteste und älteste Lichtmikroskop ist das Hookesche Mikroskop. Seither ist diese wichtige Erfindung nicht mehr aus den Naturwissenschaften und der Medizin wegzudenken.

Entwicklung bis heute

Viele Untersuchungen in der Medizin basieren noch heute auf der Mikroskopie. Im letzten Jahrhundert sind weitere physikalische Prinzipien angewandt worden, um neue Mikroskopie Methoden zu entwickeln.
Das klassische Lichtmikroskop findet seine Anwendung bei einer Vergrößerungsleistung von 1 mm bis 20 µm. Damit lassen sich Bakterien und Organellen betrachten. Für kleinere Objekte, wie zum Beispiel Viren, organische Moleküle oder sogar Atome, werden Elektronenmikroskope und Rastersondenmikroskope (SPM, engl. Scanning probe microscopy) verwendet.

Physikalische Grundlagen

Die Vergrößerung durch Sammellinsen, wie beim Lichtmikroskop verwendet, kann nicht beliebig erhöht werden. Der Grund liegt in den Eigenschaften der Beugung. Licht breitet sich nicht immer geradlinig aus, sondern dringt hinter extrem kleinen Hindernissen und Öffnungen in einen Bereich des geometrischen Schattens ein. Deshalb können optische Instrumente Gegenstände nur als Objektscheibchen im Bild darstellen. Diese Beugungseffekte sind umso geringer, je größer der Durchmesser der Öffnung im Vergleich zur Lichtwellenlänge ist. Das Auflösungsvermögen von optischen Instrumenten ist also durch die Beugung limitiert (Beugungsbegrenung). Zur theoretischen Berechnung des Auflösungsvermögens wird das heuristische Rayleigh-Kriterium verwendet. Die Auflösung zweier Punkte ist gerade dann noch möglich, wenn der Abstand so groß ist, dass die Punkte gerade noch als getrennt erkannt werden können. Zwei Auflösungsvermögen sind bekannt:

  • Auflösungsvermögen nach Helmholtz
  • Abbesche Auflösungsgrenze

Bei dem Auflösungsvermögen nach Helmholtz geht man von selbstleuchtenden Objekten aus. Somit kann der kleinstmögliche Abstand von zwei Punkten berechnet werden, die gerade noch aufgelöst werden können. Diese Anordnung nach Helmholtz entspricht der Fresnelschen Beugung. In der Beschreibung von Ernst Abbe, der von nicht selbstleuchtenden Punkten, sondern von kohärent beleuchteten Objekten ausgeht, entspricht die Beugung der Frauenhofer Beugung.

Formen, Arten & Typen

Es gibt verschiedene Arten von Mikroskopen. Folgende Liste bietet einen großen Überblick über die wichtigsten Arten an Mikroskopen.

  • Lichtmikroskop
    1. Auflichtmikroskop
    2. Durchlichtmikroskop
    3. Stereomikroskop
    4. Strichmikroskop
    5. Operationsmikroskop
    6. Trichinoskop
    7. Messmikroskop
    8. Fluoreszenzmikroskop
  • Elektronenmikroskop
    1. Rasterelektronenmikroskop (REM)
    2. Transmissionselektronenmikroskop (TEM)
  • Rastersondenmikroskop (SPM)
    1. Rasterkraftmikroskop (AFM / SFM)
    2. Rastertunnelmikroskop (STM)
    3. Rasterwärmemikroskop

Grundlegender Unterschied der Verfahren ist, dass bei der Licht- und Elektronenmikroskopie das Bild mit einer optischen bzw. elektronenoptischen Abbildung erzeugt wird, bei der Rasterelektronenmikroskopie dagegen über die Wechselwirkungen der Sonde mit der Probe.
Das weit verbreitete Mikroskop ist das Lichtmikroskop. Hier werden zwei Betriebsweisen unterschieden. Bei dem Auflichtmikroskop wird Licht von der Beobachter Seite eingestrahlt. Diese Methode funktioniert auch bei undurchsichtigen Präparaten und wird auch in der Fluoreszenzmikroskopie verwendet. Bei der Durchlichtmikroskopie wird das Objekt von unten durchstrahlt. Diese Variante ist die häufigste, obwohl diese nur bei durchsichtigen Objekten funktioniert.
Das Stereomikroskop hat zwei getrennte Strahlengänge für beide Augen. Somit kann das Präparat aus verschiedenen Winkeln betrachtet werden, sodass die Abbildung einen dreidimensionalen Eindruck erweckt.
Operationsmikroskope dienen wie der Namen schon sagt speziell für den Einsatz bei der Durchführung von chirurgischen Eingriffen im Operationssaal. Für Untersuchungen von Fleisch auf Fadenwürmer (Trichinen) wird das Trichinoskop eingesetzt.
Messmikroskope haben eine Zusatzeinrichtung, die eine Vermessung von Präparaten ermöglicht. Moderne Varianten sind Computer-Messmikroskope, die Abbildungen des Objekts direkt auf einem Monitor anzeigen.
Elektronenmikroskope nutzen schnelle Elektronen Materiewellen, welche sehr viel kürzere Wellenlängen als sichtbares Licht haben. Das Auflösungsvermögen steigt dadurch enorm. Derzeit können 0,1 nm Objekte aufgelöst werden. Besonders von Bedeutung ist das Rasterelektronenmikroskop (REM), wodurch gerasterte Bilder erzeugt werden können. Ein elektrooptisches System mit elektromagnetischen und elektrostatischen Linsen erzeugen einen feinen Elektronenstrahl auf ein Objekt, welcher abschnittsweise über dem Präparat geführt wird. Das Bild entsteht dabei durch die zeitgleiche Aufnahme des durch den Elektronenstrahl ausgelösten und beeinflussten Signal zustande.
Rastersondenmikroskope erzeugen Bilder über die Wechselwirkung einer Sonde mit dem Präparat. Es wird in einem Rasterprozess Punkt für Punkt abgetastet. Die einzelnen Messwerte für jeden Punkt werden digital zu einem Bild zusammengesetzt. Es können dabei Objekte bis zu 10 pm ausgelöst werden.

Aufbau, Funktion & Wirkungsweise

Grundlegend besteht ein Lichtmikroskop aus zwei Sammellinsen, dem Okular und dem Objektiv, einem Tubus mit Tubusträger und einem Umlenkprisma. Um verschiedene Vergrößerungen einstellen zu können befindet sich am Mikroskop ein Objektivrevolver mit verschiedenen Objektiven. Zudem befindet sich im Unterbereich eine Lichtquelle, verschiedene Blenden und ein Kondensor. Bei den Lichtquellen handelt es sich um elektrische Lampen, die schon vor langer Zeit Spiegel, welche Sonnenlicht sammeln, abgelöst haben. Prinzipiell funktioniert das Lichtmikroskop (Durchlicht) so: Die Lichtquellen strahlt von der Mikroskopunterseite das Objekt an. Das Objekt wird durchleuchtet und es entsteht durch das Objektiv im Tubus das Zwischenbild. Dieses Zwischenbild wird dann im Okular für das menschliche Auge vergrößert. Bei Auflichtmikroskopen wird das reflektierte Licht zurück in das Objektiv gelenkt und gelangt von dort in das Okular.

Objektive

Das Objektiv eines Mikroskops ist eine sphärisch geschliffene Sammellinse, die parallel einfallendes Licht in ihrer Brennebene sammelt. Im Brennpunkt wird eingestrahltes Licht parallel zur optischen Asche fokussiert. Aus einem Lichtstrahlenbündel wird ein konvergentes Lichtbündel, es entsteht ein reelles Bild der Umgebung. Das Objektiv vergrößert das zu untersuchende Bild und erzeugt das Zwischenbild im Tubus.

Okular

Ein Okular besteht aus einzelnen Linsen oder Linsensystemen. Durch das Okular funktioniert wie eine Lupe. Das reelle Zwischenbild des Objektivs wird deutlich vergrößert und virtuell für das menschliche Auge abgebildet wird. Typische Vergrößerungen sind 1000 bis 2000-fach.

Medizinischer & gesundheitlicher Nutzen

Das Lichtmikroskop ist ein wichtiges Instrument in der Medizin, fast alle Menschen kommen mit mikroskopischer Diagnostik in Berührung. Zahlreiche fundamentale Fragen der Naturwissenschaft konnten zudem aufgezeigt werden. Typischerweise wird das Lichtmikroskop gebraucht für:

  • Untersuchung und Auszählung von Mikroorganismen
  • Betrachtung von Körperzellen
  • Untersuchung von Blutbestandteilen
  • Beurteilung von Gewebeproben
  • Pap-Abstrich

Viele Krankheitskeime wie Bakterien oder Pilze werden neben Methoden wie Plattenausstrichen und PCR Methoden noch mit dem Lichtmikroskop bestimmt. Dabei wird die äußere Erscheinungsform der Lebewesen, die Größe sowie andere typische Eigenschaften betrachtet. Medizinische Labore untersuchen oft Blut, Eiter und Wundsekrete von Patienten, wodurch eine Identifikation des verursachenden Bakteriums angestellt wird. Die Blut- und Urinuntersuchungen beim Hausarzt dienen auch ganz allgemein zur Untersuchung eines Blutbildes. Eine Erhöhte Anzahl an weißen Blutkörperchen deutet zum Beispiel auf eine Infektion oder Entzündung hin.

Zellen- und Gewebeproben helfen bei Verdacht auf Krebs die Erkrankung zu erkennen. Bei vielen Tumorarten erfolgt eine Zellbegutachtung von Fachpersonal, welches bei einem Zellabstrich oder einer Biopsie entnommen wird. Bei Verdacht auf Leukämie werden Knochenmark- und Urinproben untersucht. Gerade in der Krebsdiagnostik helfen mikroskopische Untersuchungen die Aggressivität der Krebszellen zu betrachten. Sehr bekannt ist der sogenannte Pap-Abstrich zur Krebsfrüherkennung. Der Frauenarzt nimmt mit einem Bürstchen eine Probe außen und innen am Gebärmutterhals und bringt diese auf den Objektträger auf. In der Arztpraxis selbst können schon krankhaft veränderte Zellen oder Infektionen erkannt werden. Sollen genauere Untersuchungen erfolgen wird die Probe an ein spezialisiertes Labor versandt. Nicht nur im Labor, sondern auch bei mikrochirurgischen Eingriffen und minimal-invasiven Operationen wird das Lichtmikroskop verwendet. Bei der Untersuchung von Viren kommt das Lichtmikroskop an seine Grenzen, da die Vergrößerung und Auflösung nicht mehr ausreichend hoch sind. Hierfür eignen sich Elektronenmikroskope.

Fragen & Antworten zum Thema Lichtmikroskopie

 

Kann Ich Spermien unter einem ganz schlichten Schulmikroskop erkennen?

Je nach Gesamtvergrößerung des Mikroskops ist das möglich. Bei einer Vergrößerung von etwa 400-fach ist es prinzipiell möglich. Bessere Abbildungen erhält man bei Verwendung von Immersionsobjektiven, d.h. es muss ein Immersionsöl zwischen das Objektiv und dem Präparat sein, denn dann sind Spermien sehr viel besser sichtbar. Dadurch wird die Lichtbrechung drastisch reduziert und ein Anfärben ist nicht zwingend erforderlich. Am besten sollte man die Spermien noch zusätzlich einfärben, um einen besseren Kontrast zu erreichen. Wichtig zu wissen ist, dass Spielzeugmikroskope zwar mit Vergrößerungen von bis 1200-fach beworben werden, aber damit absolut nichts über die Qualität ausgesagt wird.

Sollten Objektive gereinigt werden?

Das kommt drauf an, ob das Bild im Okular noch klar erscheint. Verschiedene Verschmutzungen können zu Schlieren Bildung und Schmutzpunkten in der Abbildung führen. Meistens sind die Objektive verschmutzt, da jemand den Abstand zur Probe so stark verkleinert hat, dass Schmutz an der Linse hängen blieb. Falls dies der Fall ist, kann man das Objektiv reinigen. Hierzu aber nur ein sauberes und fusselfreies Kleenex Papiertaschentuch verwenden, da es sonst zu kleinen Kratzern auf der Linse kommen kann. In keinem Fall sollte Wasser oder gar ein Lösungsmittel wie Alkohol verwendet werden.

Wie fokussiert man ein Präparat am besten?

Um ein Präparat untersuchen zu können, muss es auf einen Objektträger fixiert werden. Wichtig ist, dass die Schicht der Probe so dünn wie möglich ist. Um die Probe erstmal zu finden fängt man immer mit der kleinsten Vergrößerung, also dem Objektiv mit der kleinsten Zahl, an. Zunächst einmal muss das Bild scharf gestellt werden, indem der Abstand des Objektivs zur Probe angepasst wird. Wenn man den Rand des Präparats fixiert hat, kann man zum nächsten Objektiv wechseln und eine stärke Vergrößerung verwenden. Dieser Vorgang wird beliebig oft wiederholt, bis eine passende Abbildung des Präparats erkennbar ist.

Fazit zu Mikroskopen

Mikroskope sind kaum aus den Arztpraxen, Laboren und Krankenhäusern wegzudenken. Die einfache Bedienung bei gleichzeitig breiter Anwendungsmöglichkeit übertrifft die Möglichkeiten der meisten anderen medizinischen Instrumente. Gerade in der Krebsdiagnostik sind Lichtmikroskope aktuell immer noch sehr wichtig. Die Leistungsfähigkeit von Mikroskopen hängt natürlich von der Investition und der Schulung des Fachpersonals ab. Die Grenze der erzielbaren Auflösung von Lichtmikroskopen wird aber heutzutage nicht mehr durch die verfügbare Qualität der Geräte eingeschränkt, sondern unter anderem von den physikalischen Eigenschaften des Lichts. Für spezielle Anwendungen gibt es auch hier Möglichkeiten, indem alternative Mikroskope verwendet werden, die auf der Grundlage der Quantenmechanik funktionieren. Diese Spezialmikroskope bieten naturwissenschaftlichen Forschern ganz neue Sichtweisen.

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