Mikroskop optyczny to podstawowy mikroskop, którego prawdopodobnie każdy używał na zajęciach z biologii w pewnym momencie życia. Pozwala on na powiększanie obrazów małych obiektów przy użyciu światła widzialnego i soczewek optycznych. W zależności od liczby zastosowanych soczewek, mikroskopy optyczne można podzielić na proste (pojedyncza soczewka) lub złożone (kilka soczewek w linii). Określa to moc powiększającą mikroskopu, która mówi, ile razy obserwowany obiekt jest powiększany. Dla prostego mikroskopu jest to do 300×, co pozwala na obserwację poniżej 1/1 000 000 metra (lub 1 mikrometra), a dla mikroskopu złożonego do 2000×, a jego rozdzielczość może sięgać 0,2 mikrometra [2].
An optical microscope, or a light microscope, is a basic microscope that you probably used in biology classes at some point in life. It allows to magnify the images of small objects using visible light and glass lenses. Depending on a number of lenses used, optical microscopes can be considered simple (single lens) or compound (several lenses in line). This determines the magnifying power of the microscope, which tells how many times the observed object is enlarged. For a simple microscope it’s up to 300×, allowing to observe below 1/1 000 000 of a meter (or 1 micrometre), and for a compound microscope it’s up to 2000×, and it can resolve to about 0.2 micrometre [2].
Historia wynalezienia mikroskopu nie jest jasna. Chociaż pojęcie powiększenia wywodzi się z XIII wieku, pierwszy mikroskop został prawdopodobnie stworzony w 1590 roku przez Hansa i Zachariasa Janssenów oraz przez Hansa Lippersheya, holenderskich twórców okularów, a pierwszy rysunek mikroskopu powstał w 1631 roku w Holandii [2,3]. Mikroskopy stały się popularne w połowie XVII wieku, co doprowadziło do publikacji Micrographia przez Roberta Hooke’a. Publikacja ta zawierała różne mikroskopijne obrazy małych, znajomych przedmiotów, takich jak pchły, wszy czy płatki śniegu, Hook wprowadził także słowo „komórka” [2]. Kolejną ważną postacią w historii mikroskopii jest Antonie van Leeuwenhoek, który wykonywał ręcznie mikroskopy z pojedynczą soczewką, które umożliwiały powiększenie większe niż 200x. Używał ich do obserwacji owadów i mikroorganizmów – po raz pierwszy zaobserwował bakterie. Efektywne granice mikroskopii optycznej zostały osiągnięte w XIX wieku [2,4,5].
The history of inventing the microscope is not clear. Although the concept of magnification can be traced back to 13th century, the first microscope was presumably created in 1590 by Hans and Zacharias Janssen and by Hans Lippershey, Dutch spectacle makers, and the first drawing of a microscope was made in 1631 in the Netherlands [1,3]. Microscopes became popular in the mid-17th century, which led to a publication of Micrographia by Robert Hooke. It contained various microscopic views of small, familiar objects, like fleas, lice, or snowflakes, he also introduced the word “cell” [1]. The next important figure in the history of microscopy is Antonie van Leeuwenhoek, who hand made microscopes with single lens that allows magnification more than 200×. He used them to observe insects and microorganisms – he observed bacteria for the first time. The effective limits of optical microscopes were reached in the 19th century [2,4,5].
Przykładem mikroskopu prostego, który zawiera jedną pojedynczą soczewkę, jest szkło powiększające. Mały przedmiot wydaje się większy, gdy zbliżymy go do oka, jednak w pewnym momencie obraz nie jest już wyraźny. Aby rozwiązać ten problem i umożliwić komfortowe oglądanie obiektu, między obserwatorem a obiektem umieszcza się soczewkę powiększającą. Wspomniana wyżej moc powiększająca zależy od geometrii układu optycznego [2]. Mikroskopy złożone pokonują ograniczenia rozdzielczości dzięki zastosowaniu dwóch zestawów soczewek – obiektywu umieszczonego blisko badanego obiektu oraz okularu. Typowy mikroskop złożony, oprócz soczewek, składa się z tubusu, który utrzymuje soczewki w określonej odległości od siebie, kondensora skupiającego światło, systemu oświetlenia i metody ogniskowania. Może być jednookularowy (pojedyncza tuba) lub dwuokularowy (pozwala patrzeć obojgiem oczu). W mikroskopie złożonym soczewka obiektywowa tworzy powiększony obraz badanego obiektu, a okular dodatkowo powiększa ten obraz, dzięki czemu można go zobaczyć. Całkowite powiększenie jest iloczynem powiększenia okularu pomnożonego przez powiększenie obiektywu [2,6].
An example of a simple microscope, which contains one single lens (or a loupe), is a magnifying glass. Small object seems larger when we bring it closer to the eye. However, at some point the image is no longer clear. To solve this problem and allow to view the object in comfort, a magnifying lens is placed between the observer and the object. The magnifying power, mentioned above, depends on the geometry of the optical system [2]. Compound microscopes overcome the limitations concerning resolution by using two lens arrays – the objective placed close to the examined object and the ocular or the eyepiece. A typical compound microscope consists of, apart from lenses, a body tube that keep the lenses at given distance from each other, a condenser lens that focuses light, and illumination system, and a focusing method. It can be either monocular (a single tube) or binocular (allows to view with both eyes). In a compound microscope, an objective lens creates an enlarged image of examined object, and an eyepiece further magnifies that image, thank to which it is possible to see it. The total magnification is the product of the ocular magnification times the objective magnification [2,7].
Aby skorzystać z mikroskopu, obiekt zazwyczaj umieszcza się na szkiełku podstawowym i przykrywa szkiełkiem nakrywkowym, a szkiełko umieszcza się na stoliku, który umożliwia jego ruch, a tym samym badanie całego preparatu. Pod nim układ oświetlenia, złożony ze źródła światła i kondensora, skupia światło i oświetla określony obszar badanego preparatu. Obiekty można również oglądać za pomocą kondensora ciemnego pola, w którym próbka jest oświetlana na czarnym tle zamiast przezroczystego szkiełka. Do mikroskopu można również dołączyć kamerę, umożliwiającą przeglądanie i zapis obrazu z mikroskopu na komputerze [2].
To use the microscope, the object is typically placed on a glass slide and covered with a cover slip, and the slide is placed on a stage that allows its movement, and therefore examination of the whole specimen. Below it, the illumination system, composed of a light source and the condenser, focuses the light and illuminates the specific region of examined specimen. Objects can also be viewed using a dark-field condenser, where the specimen is lit against a black background instead of a transparent glass slide. A camera can also be attached to the microscope, enabling viewing and saving the image from the microscope on a computer [2].
Do konkretnych celów zmodyfikowano klasyczne mikroskopy optyczne, w wyniku czego powstały specjalistyczne mikroskopy, takie jak:
- mikroskopy odwrócone (stosowane w biologii i medycynie),
- mikroskopy stereoskopowe (dopasowana para mikroskopów zamontowanych obok siebie, używana np. do zabiegów mikrochirurgicznych),
- mikroskopy polaryzacyjne (umożliwiają obserwację w świetle spolaryzowanym, stosowane np. w geologii),
- mikroskopy metalograficzne (używane do wyszukiwania uszkodzeń powierzchni metalowych lub w kryminalistyce),
- mikroskopy z kontrastem fazowym (do obserwacji np. struktur komórkowych),
- mikroskopy konfokalne (do obserwacji struktur trójwymiarowych w próbkach biologicznych),
- mikroskopy UV (używane do mikroskopii fluorescencyjnej) [2].
For specific purposes, classic optical microscopes were modified, resulting in specialized microscopes, such as:
- inverted microscopes (used in biology and medical research),
- stereoscopic microscopes (a matched pair of microscopes mounted side by side, used for instance for microsurgical procedures),
- polarizing microscopes (enable observation under polarized light, used for example in geology),
- metallographic microscopes (used to find defects in metal surfaces or in forensic science),
- phase-contrast microscopes (to observe for example cell structures),
- confocal microscopes (used for the observation of 3-D structures in biological samples),
- UV microscopes (used for fluorescent microscopy) [2].
Mikroskopy optyczne znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach, m.in. w diagnostyce medycznej, mikroelektronice, nanofizyce, biotechnologii i mikrobiologii [8]. Można je wykorzystywać w obrazowaniu molekularnym i komórkowym, są niezbędne w histopatologii, można je również stosować w mineralogii, krystalografii i metalografii [9–11]. Jedną z największych zalet mikroskopii świetlnej w zastosowaniach biologicznych jest fakt, że jest to małoinwazyjny sposób obserwacji żywej komórki i jej aktywności, co nie zawsze jest możliwe w innych mikroskopach [9]. Ponadto mikroskopy te są stosunkowo niedrogie, łatwe w obsłudze, małe i regulowane. Jednak mają one również mniejsze powiększenie i rozdzielczość w porównaniu z bardziej zaawansowanymi typami mikroskopów, a do działania wymagają źródła światła [12,13].
Optical microscopes are used in various fields, including medical diagnostics, microelectronics, nanophysics, biotechnology, and microbiology [8]. They can be used for molecular and cellular imaging, they are essential in histopathology, they can also be applied to mineralogy, crystallography, and metallography [9-11]. One the biggest advantages of light microscopy in biological applications is the fact that is it not a very invasive way to observe a living cell and its activity, which is not always possible in other microscopes [9]. In addition, they are relatively inexpensive, easy to operate, small, and adjustable. However, they also have lower magnifying power and resolution comparing to more advanced microscope types, and they require light source to work [12,13].
Bibliografia/References:
[1] https://www.carlroth.com/com/en/light-field-microscopes/transmitted-light-microscope-b3-professional-series-b3-223asc-trinocular/p/ch57.1 [Accessed 25.04.2021]
[2] https://www.britannica.com/technology/microscope/ [Accessed 25.04.2021]
[3] Bardell D. The Invention of the Microscope. Bios 2004, 75(2):78–84. JSTOR, www.jstor.org/stable/4608700. [Accessed 25.04.2021]
[4] https://www.microscope.com/education-center/microscopes-101/history-of-microscopes [Accessed 25.04.2021]
[5] https://www.leica-microsystems.com/science-lab/a-brief-history-of-light-microscopy-from-the-medieval-reading-stone-to-super-resolution/ [Accessed 25.04.2021]
[6] https://www.olympus-ims.com/pl/microscope/terms/feature10/ [Accessed 25.04.2021]
[7] https://www.cas.miamioh.edu/mbi-ws/microscopes/compoundscope.html [Accessed 25.04.2021]
[8]https://web.archive.org/web/20110124110445/http://www.fy.chalmers.se/microscopy/students/imagecourse/O1.pdf [Accessed 25.04.2021]
[9] https://www.news-medical.net/life-sciences/Applications-in-Light-Microscopy.aspx [Accessed 10.05.2021]
[10] https://conductscience.com/light-microscopy-applications/ [Accessed 10.05.2021]
[11] https://www.olympus-ims.com/en/microscope/terms/feature10/ [Accessed 10.05.2021]
[12] https://www.microbehunter.com/electron-microscopes-vs-optical-light-microscopes/ [Accessed 10.05.2021]
[13] https://connectusfund.org/4-advantages-and-disadvantages-of-light-microscopes [Accessed 10.05.2021]