Mikroskop

1590 Pochodzenie złożonego mikroskopu świetlnego jest przedmiotem sporów, ale większość badaczy przyjmuje, że pierwszy został zbudowany przez dwóch holenderskich producentów okularów, Zachariasza i Hansa Janssenów ok. 1590 r. Składał się z trzech wyciąganych rur, a wewnątrz na jego dwóch końcach były umieszczone dwie soczewki: okular i obiektyw. Ogniskowanie preparatu odbywało się przez wsuwanie i wysuwanie tub - tzw. mechanizm teleskopowy. Mikroskop Janssenów był zdolny do 10-krotnego powiększenia.

1632-1723 Anton van Leeuwenhoek, Holender bez naukowego wykształcenia, zbudował kilkaset małych (1 x 2 cala), prostych mikroskopów, składających się z dwóch metalowych płytek i umieszczonej między nimi dwuwypukłej soczewki. Dwie śruby służyły do operowania preparatem - jedna dostosowywała odległość miedzy preparatem i soczewką, druga wysokość położenia preparatu. W zależności od jakości soczewki powiększenia takiego mikroskopu rozciągały się w zakresie 70-250x. A jakość soczewek była olśniewająca jak na owe czasy - Leeuwenhoek doszedł do mistrzostwa w ich przygotowywaniu poprzez polerowanie. W efekcie po raz pierwszy można było zobaczyć i opisać bakterie, rośliny, aż do zbadania tętniącego życia w kropli wody i cyrkulacji ciałek krwi w naczyniach włosowatych.

XVII w. Robert Hooke, znany jako angielski ojciec mikroskopii, udoskonalił obiektywy Antona van Leeuwenhoeka, zrobił kopię jego mikroskopu, a potem poprawił jego projekt. Współpracował z naukowcem Christopherem Cockiem nad ulepszeniem typowego „angielskiego” trójnożnego mikroskopu. Obaj poprawili stabilność instrumentu poprzez zastosowanie podstawy, której integralną częścią był element trzymający preparat, zastosowali też aparaturę oświetlającą. Elementy optyczne to trzy soczewki (w obiektywie, okularze i rurze mikroskopu), które w sumie dawały dużą aberrację chromatyczną i sferyczną. Hooke próbował ją ograniczyć, umieszczając na drodze optycznej małą diafragmę, która miała przepuszczać tylko środkowe promienie wiązki światła, ale otrzymywał ciemne obrazy z dużą ilością artefaktów dyfrakcyjnych. Dodatkowo mechanizm skupiający światło był mało wydajny i ulegał szybkiemu zużyciu. Mimo to mikroskop ten zdobył wielką popularność. Został rozpropagowany poprzez opisanie go przez Hooke’a w pierwszym dziele dotyczącym mikroskopii - „Mikrografia”. Co ważniejsze, umożliwił dokonanie pierwszego wielkiego odkrycia w dziejach biologii komórki. W 1665 r. Hooke zobaczył bowiem i opisał strukturę korka oraz wprowadził termin „komórka” na określenie małych cegiełek, z których korek jest zbudowany.

1750 Brytyjczyk John Cuff inicjuje nową technikę budowy mikroskopów optycznych, ustanawiając określony standard konstrukcji i wyglądu tego urządzenia na kolejne lata.

1826 Soczewki achromatyczne (kombinacja różnych typów szkła) po raz pierwszy wprowadzono w teleskopach już w połowie XVII w., ale pierwsze próby zastosowania ich w mikroskopach zakończyły się niepowodzeniem, z powodu słabej jakości szkła stosowanego do ich budowy. Postęp w tej dziedzinie oraz sztuka łączenia składników soczewek balsamem kanadyjskim zaowocowały zbudowaniem w 1826 r. przez Josepha Jacksona Listera i Williama Tulleya pierwszego mikroskopu z achromatycznymi soczewkami. W 1830 r. Lister opublikował teoretyczne podstawy tworzenia tego rodzaju soczewek. Z pomysłów tych korzystali następnie inni konstruktorzy mikroskopów.

1893 Publikacja w niemieckiej prasie naukowej opisu metody oświetlenia preparatu, autorstwa Augusta Köhlera. Poprawiała ona jakość obrazu i umożliwiała pełne wykorzystanie rozdzielczości nowych obiektywów. Wszystko dzięki zasadzie, która mówi, że krytycznym punktem w uzyskaniu najlepszego możliwego obrazu w mikroskopie świetlnym jest poprawne ustawienie drogi optycznej. Zastosowanie dwóch diafragm (pola i aperturowej) pozwalało na równomierne ustawienie oświetlenia, uzyskanie jasnego obrazu bez rozbłysków i minimalne nagrzewanie preparatu.

1897 Joseph John Thomson po raz pierwszy dokonuje obserwacji elektronów, stając się ich odkrywcą. Na podstawie wyników badań właściwości promieniowania katodowego uznał, że promieniowanie to jest strumieniem cząstek o ładunku ujemnym, emitowanych w rurze próżniowej (lampa elektronowa) przez rozgrzaną katodę.

1903 Arthur Wehnelt demonstruje doświadczalnie możliwość skupienia wiązki elektronowej przez pole elektryczne/magnetyczne. Wykazuje, że przyspieszone elektrony w próżni zachowują właściwości fali o długości ok. sto tysięcy razy krótszej niż światło widzialne. Ponadto okazało się, że pole elektromagnetyczne może być użyte do kształtowania wiązki elektronowej - w podobny sposób jak soczewki do zginania i skupiania wiązki świetlnej w klasycznej optyce. Odkrycia te stały się fundamentem szerokiej gamy technik badawczych, określanych wspólną nazwą „mikroskopia elektronowa”.

1926 Hans Bush pokazuje, że cewki magnetyczne mogą ogniskować wiązkę elektronową w taki sam sposób, jak szklane soczewki światło.

1931 Ernst Ruska buduje pierwszy transmisyjny mikroskop elektronowy. Jego koncepcja opierała się na konstrukcji klasycznego prześwietleniowego (transmisyjnego) mikroskopu optycznego i stanowiła praktyczny dowód dualizmu korpuskularno-falowego. Trzy lata później Ruska, stosując trzy soczewki elektromagnetyczne, uzyskał rozdzielczość rzędu 100 nm (czyli dwa razy lepszą niż uzyskiwaną przy pomocy klasycznego mikroskopu optycznego).

1935 Niemiecki elektrotechnik Max Knoll (1897-1969) uzyskuje pierwszy obraz z elektronowego skaningowego mikroskopu SEM (6).

1941 Albert Coons po raz pierwszy używa znakowanych fluorescencyjnie przeciwciał w celu wykrycia komórkowych antygenów. Niektóre barwniki fluorescencyjne wykazują powinowactwo ze specyficznymi strukturami w komórce (jądra, mitochondriów) - umożliwia to badanie ilości, rozmieszczenia i struktur komórkowych oraz śledzenie ich losów, np. podczas podziałów. Rozwijać zaczyna się mikroskopia fluorescencyjna, wykorzystująca obecne w komórkach naturalnie lub sztucznie wprowadzane fluorofory, które po wzbudzeniu światłem o odpowiedniej długości fali emitują światło o dłuższej fali.

1941 Niemieckie zakłady Zeissa budują kilka prototypów mikroskopów kontrastowo-fazowych, opartych na osiągnięciach wcześniejszych badań zasady kontrastu faz, czyli bezpośredniego przekształcenia zmian fazowych fali świetlnej w badanym preparacie na zmiany natężenia światła w obrazie mikroskopowym tego preparatu. Umożliwiło to oglądanie przezroczystych preparatów - barwienie komórek przestało być koniecznością. Tym samym możliwe stało się oglądanie procesów zachodzących w żywych komórkach - np. w mikroskopie kontrastowo fazowym sfilmowana została po raz pierwszy mitoza (podział komórki).

1955 Jerzy Nomarski wprowadził metodę zwaną DIC (interferencja Nomarskiego - differential interference contrast), zgodnie z którą różnice w gęstości preparatu przekształcane są na trójwymiarowe struktury. Podobnie jak kontrast faz umożliwiło to badanie niebarwionych komórek i tzw. preparatów przyżyciowych, zapewniając dodatkowo możliwość badania stosunkowo grubych preparatów.

1961 Marvin Minsky patentuje podstawy obrazowania konfokalnego. Stanowi to postawę do rozwoju w dalszych latach mikroskopii konfokalnej (7) - odmiany mikroskopii świetlnej charakteryzującej się powiększonym kontrastem i rozdzielczością. Używano jej do uzyskania wysokiej jakości obrazów oraz rekonstrukcji obrazów w trzech wymiarach.

1965 Powstaje pierwsza komercyjna wersja elektronowego mikroskopu skaningowego, stworzona przez Charlesa Oatleya i jego studenta Gary’ego Stewarta. Urządzenie było przez firmę Cambridge Instrument Company reklamowane pod nazwą „Stereoscan”.

1982 Pojawiają się mikroskopy z sondą skanującą. Pierwszym z nich był skaningowy mikroskop tunelowy STM (8), opracowany przez Gerda Binniga i Heinricha Rohrera - naukowców z Zurychu. Dzięki niemu otrzymuje się trójwymiarowy obraz struktur złożonych z pojedynczych atomów. Potem opracowano wiele odmian tego mikroskopu, pozwalających na oglądanie materii w skali nanometra. Nową cechą mikroskopu STM była jego zdolność nie tylko do obserwacji atomów, ale również manipulacji nimi.

1986 Calvin F. Quate i Christoph Gerber konstruują pierwszy mikroskop sił atomowych (atomic force microscope, AFM) - rodzaj urządzenia ze skanującą sondą (scanning probe microscope, SPM). Umożliwia ono uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu, a to dzięki wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad lub pod powierzchnią próbki (9).

1999 Jeszcze pod koniec XX wieku sądzono, że mikroskopy optyczne nigdy nie będą mogły rozróżniać szczegółów mniejszych od 200 nm. Pierwszy superrozdzielczy mikroskop fluorescencyjny STED (10), pokonujący to ograniczenie, zbudował Stefan W. Hell z Instytutu Maxa Plancka w Göttingen. Mikroskop fluorescencyjny to mikroskop świetlny używany w badaniach substancji organicznych i nieorganicznych, którego działanie oparte jest na zjawisku fluorescencji i fosforescencji, zamiast zjawisk odbicia i absorpcji światła lub razem z nimi. W roku 2014 za rozwój technik mikroskopii fluorescencyjnej, pozwalających na uzyskanie rozdzielczości rzędu 0,2 μm, została przyznana Nagroda Nobla w dziedzinie chemii. Trafiła do trójki naukowców: Erika Betziga z instytutu badawczego Janelia Farm i Uniwersytetu Howarda Hughesa w USA, Williama E. Moernera z Uniwersytetu Stanford w amerykańskim stanie Kalifornia oraz Stefana W. Hella.

2013 Naukowcy z wiedeńskiego Instytutu Patologii Molekularnej (IMP) i tamtejszej politechniki opracowali nową technikę obrazowania mikroskopowego w 3D, która nie wymaga „dogłębnego” skanowania obserwowanych obiektów. Opiera się na detekcji światła z fluoroscencyjnych markerów, którymi pokrywa się obserwowaną próbkę. Metoda jest dość prosta, bowiem polega na emitowaniu światła w określonych zakresach długości fal oraz detekcji rozłożenia fluoroscencyjnej „farby” na powierzchni np. żywych komórek. Rozdzielczość obrazu w takim mikroskopie sięga 10 nm.

kwiecień 2015 Badacze z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Oak Ridge opracowali nowy system badania materiałów i ich powierzchni w skalach mikro. Łączą w nim znaną od pewnego czasu technologię mikroskopu sił atomowych z innymi technikami badawczymi, dzięki czemu otrzymują trzy warstwy obserwacyjne - trójwymiarowy obraz topografii powierzchni materiału, dane o zachowaniach atomowych w pobliżu powierzchni oraz dane chemiczne o podłożu. Naukowcy wykorzystali nową technikę do badania struktur i chemicznych właściwości cienkich warstw separowanych fazowo polimerów.

lipiec 2015 Badacze z USA i Australii zaprojektowali mikroskop multispektralny ze zdolnością do przetwarzania siedemnastu miliardów pikseli w trzynastu kanałach barwnych. Tak ogromną - w porównaniu z dotychczasowymi urządzeniami tego typu - rozdzielczość uzyskano dzięki zainstalowaniu wielkiej liczby mikrosoczewek. Obrazowanie multispektralne stosowane jest we współczesnej medycynie nie tylko do uzyskiwania kolorowych zdjęć mikroświata, ale również do wykrywania procesów chemicznych kryjących się za kolorami. Wspomniane mikrosoczewki służą z jednej strony do skupiania wiązki laserowej na niewielkim punkcie badanej próbki. Światło lasera wywołuje fluorescencję fragmentu próbki o rozmiarach ułamków milimetra, w zakresach fal zależnych od składu chemicznego. Światło fluoroscencyjne jest odbierane z kolei przez mikrosoczewkę, która dostarcza zarejestrowany obraz do komputera, gdzie mniejsze obrazy składane są w duży obraz o wysokiej rozdzielczości.