Lịch sử ra đời của kính hiển vi

Lịch sử của kính hiển vi

Kính hiển vi là gì?

Kính hiển vi là dụng cụ được thiết kế để tạo ra hình ảnh trực quan hoặc ảnh chụp phóng to của các vật thể nhỏ. Kính hiển vi phải thực hiện ba nhiệm vụ: tạo ra hình ảnh phóng đại, tách các chi tiết của hình ảnh và làm cho những chi tiết này có thể nhìn thấy được bằng mắt người hoặc máy ảnh. Những thiết bị này bao gồm các mô hình kính hiển vi với một số thấu kính được trang bị vật kính và tụ quang, nhưng cũng có những thiết bị đơn giản với một thấu kính duy nhất thường có thể mang theo được, chẳng hạn như kính lúp.

Các bộ phận của kính hiển vi phức hợp đơn giản

Kính hiển vi trong Hình 1 bên dưới là một kính hiển vi phức hợp đơn giản được phát minh bởi nhà hiển vi học người Anh Robert Hooke trong những năm 1660.

Các thành phần của kính hiển vi Hooke

Kính hiển vi được chế tạo đẹp mắt này có vật kính nằm gần mẫu và việc lấy nét được thực hiện bằng cách xoay thân kính hiển vi để đưa vật kính đến gần hoặc xa mẫu hơn. Một thị kính được lắp vào phía trên kính hiển vi và trong nhiều trường hợp có một thấu kính trường bên trong ống kính để phóng to trường nhìn.

Kính hiển vi trong Hình 1 được chiếu sáng bởi một ngọn đèn dầu và một bình chứa hình cầu chứa đầy nước (cũng được thể hiện trong Hình 1). Ánh sáng từ đèn bị tán xạ khi đi qua bể chứa nước và sau đó được tập trung vào mẫu bằng một thấu kính gắn vào bể. Chiếc kính hiển vi đầu tiên này bị quang sai màu sắc (và hình cầu), và tất cả hình ảnh nhìn thấy dưới ánh sáng trắng đều chứa các “quầng sáng” màu xanh lam hoặc đỏ.

Mối liên hệ giữa kính hiển vi và mắt

Vì nhiều người sử dụng kính hiển vi dựa vào quan sát trực tiếp nên điều quan trọng là phải hiểu mối quan hệ giữa kính hiển vi và mắt. Mắt chúng ta có thể phân biệt các màu trong phần quang phổ nhìn thấy được, từ tím đến đỏ đến xanh lam, xanh lục, vàng và cam, nhưng chúng không thể cảm nhận được tia cực tím hoặc tia hồng ngoại.

Mắt cũng có thể phát hiện sự khác biệt về độ sáng hoặc cường độ từ đen sang trắng và tất cả các sắc thái xám ở giữa. Do đó, để mắt có thể nhìn thấy hình ảnh, hình ảnh phải được thể hiện bằng màu sắc của quang phổ khả kiến ​​và/hoặc ở các mức cường độ ánh sáng khác nhau.

Các cơ quan thụ cảm mà mắt chúng ta sử dụng để phát hiện màu sắc được gọi là “hình nón”. Các ô được sử dụng để phân biệt mức cường độ chứ không phải màu sắc được gọi là “que”. Mỗi loại tế bào này được tìm thấy trên võng mạc sâu bên trong mắt. Phần trước của mắt (xem Hình 2), bao gồm mống mắt, giác mạc và thủy tinh thể, cho ánh sáng đi vào và tập trung ánh sáng vào võng mạc.

Để hình ảnh được nhìn thấy rõ ràng, nó phải mở rộng qua võng mạc ở một góc nhìn vừa đủ. Nếu ánh sáng chiếu vào các hàng tế bào võng mạc không liền kề (là chức năng phóng đại và độ mở rộng của hình ảnh), chúng ta không thể xác định các chi tiết có khoảng cách gần nhau là khác biệt (chúng ta nói đến “độ phân giải”). Ngoài ra, phải có đủ độ tương phản giữa các chi tiết liền kề và/hoặc nền để hiển thị hình ảnh được phóng to và phân giải.

Vì khả năng thay đổi hình dạng của thấu kính của mắt bị hạn chế nên không thể tập trung hình ảnh của các vật đặt rất gần mắt trên võng mạc. Khoảng cách xem được chấp nhận phổ biến là 25 cm.

Lịch sử của kính hiển vi

Hơn 500 năm trước, kính lúp thủy tinh đơn giản đã được phát triển dưới dạng thấu kính lồi (ở trung tâm dày hơn ở ngoại vi). Sau đó, việc lấy nét vào mẫu vật hoặc vật thể có thể được thực hiện bằng cách di chuyển kính lúp đặt giữa vật thể và mắt. Những kính hiển vi đơn giản này có thể mở rộng hình ảnh lên võng mạc thông qua độ phóng đại bằng cách tăng góc nhìn trên võng mạc.

Kính hiển vi đơn giản hay kính lúp này đã được tối ưu hóa trong ^{thế kỷ} 17  nhờ công trình của Anton von Leeuwenhoek. Sau này có thể quan sát các sinh vật đơn bào (mà ông đặt biệt danh là “động vật”) và thậm chí cả vi khuẩn lớn bằng kính hiển vi đơn giản tương tự như kính hiển vi được minh họa trong Hình 3 bên dưới.

Ảnh do kính lúp này tạo ra khi đặt gần mắt người quan sát sẽ xuất hiện như thể nó ở cùng phía thấu kính với vật. Loại ảnh này nhìn cách mắt 10 inch được gọi là ảnh ảo và không thể chụp được trên phim.

Các yếu tố của một kính hiển vi đơn giản

Khoảng đầu thế ^kỷ 17  , nhờ công trình của anh em Janssen ở Hà Lan và Galileo ở Ý, kính hiển vi phức hợp đã được phát triển (xem kính hiển vi trong Hình 4).

Các thành phần của kính hiển vi phức hợp

Ở dạng đơn giản nhất, kính hiển vi phức hợp bao gồm hai thấu kính lồi xếp thành chuỗi: một thấu kính vật (vật kính) gần vật thể hoặc mẫu và một thấu kính mắt (mắt) gần mắt người quan sát (có cơ chế điều chỉnh vị trí). của mẫu và thấu kính hiển vi). Thấu kính vật kính chiếu hình ảnh phóng đại vào thân hình trụ của kính hiển vi, sau đó thị kính tiếp tục phóng to hình ảnh được chiếu bởi thấu kính vật kính. Bằng cách này, kính hiển vi phức hợp đạt được độ phóng đại theo hai giai đoạn.

^{Kính hiển vi phức hợp được phát triển trong thế kỷ} 17 ^và 18  bị hạn chế bởi quang sai quang học (màu sắc và hình cầu), một khiếm khuyết trở nên tồi tệ hơn khi sử dụng nhiều thấu kính. Những kính hiển vi này cũng có hiệu suất kém hơn so với kính hiển vi thấu kính đơn vào thời điểm đó do những hiện vật này. Hình ảnh được tạo ra thường bị mờ và có quầng màu liên quan đến quang sai màu, điều này không chỉ làm giảm chất lượng hình ảnh mà còn hạn chế độ phân giải của chúng.

Vào giữa ^{thế kỷ} 18  , các nhà chế tạo thấu kính đã phát hiện ra rằng bằng cách kết hợp hai thấu kính thủy tinh có độ phân tán màu khác nhau, phần lớn quang sai màu có thể được giảm bớt hoặc thậm chí loại bỏ. Khám phá này lần đầu tiên được đưa vào sử dụng trên kính thiên văn, loại kính có thấu kính lớn hơn nhiều so với thấu kính của kính hiển vi. Mãi đến đầu ^{thế kỷ} 19  , thấu kính điều chỉnh quang sai màu mới trở nên phổ biến trong kính hiển vi phức hợp.

^{Thế kỷ}  18 ^và 19 chứng kiến ​​sự cải tiến vượt bậc về chất lượng cơ học và quang học của kính hiển vi phức hợp. Những tiến bộ trong máy công cụ đã giúp cho việc chế tạo các bộ phận phức tạp hơn trở nên khả thi. Vào giữa ^{thế kỷ} 19  , đồng thau là hợp kim được lựa chọn để chế tạo kính hiển vi chất lượng cao.

Nhiều nhà sản xuất kính hiển vi của Anh và Đức phát đạt trong thời kỳ này. Kính hiển vi của họ rất khác nhau về thiết kế và chất lượng sản xuất, nhưng các nguyên tắc chung xác định tính chất quang học của chúng vẫn tương đối nhất quán. Chiếc kính hiển vi trong Hình 5 bên dưới được chế tạo bởi Hugh Powell và Peter Lealand vào khoảng năm 1850. Chân đế ba chân giúp đỡ chắc chắn cho chiếc kính hiển vi này, được nhiều người coi là thành tựu nhất vào thời đó.

Sơ đồ các phần tử của kính hiển vi Powell và Lealand

Vào cuối ^{thế kỷ} 19  , các nhà sản xuất kính hiển vi phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt. Kết quả là chi phí phát triển và sản xuất kính hiển vi đã trở nên đáng kể. Đồng thau, vật liệu được các nhà sản xuất kính hiển vi ưa chuộng, rất đắt tiền. Việc gia công, đánh bóng và sơn mài thân kính hiển vi và các bộ phận bằng đồng khác mất rất nhiều thời gian. Để giảm chi phí, các nhà sản xuất kính hiển vi bắt đầu sơn bề mặt bên ngoài của thân và thân kính hiển vi, cũng như bệ đỡ và các bộ phận không chuyển động khác.

Trong quý đầu tiên của ^{thế kỷ} 20  , nhiều nhà sản xuất kính hiển vi đã bắt đầu thay thế đồng thau bằng gang trong các giá đỡ và bệ kính hiển vi. Sắt rẻ hơn nhiều và không thể phân biệt được với đồng thau khi sơn màu đen. Các nhà sản xuất cũng đã bắt đầu mạ điện nhiều bộ phận quan trọng bằng đồng thau như núm xoay, ống kính, thị kính và bệ cơ khí (xem Hình 6 bên dưới).

Những chiếc kính hiển vi này từ đầu ^{thế kỷ} 20  luôn được thiết kế theo cùng một mẫu. Chúng là loại một mắt, có gương dưới sân khấu được sử dụng cùng với đèn bên ngoài để chiếu sáng mẫu. Kính hiển vi phòng thí nghiệm Zeiss trong Hình 6 là một ví dụ điển hình về kính hiển vi điển hình của thời đại này. Loại kính hiển vi này rất hữu ích và nhiều loại vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Các bộ phận của kính hiển vi phòng thí nghiệm Zeiss

Kính hiển vi hiện đại vượt xa các đặc tính kỹ thuật của những kính hiển vi được sản xuất trước giữa thế ^kỷ 20  . Công thức thủy tinh đã được cải tiến đáng kể, cho phép hiệu chỉnh quang sai quang học tốt hơn so với trước đây. Lớp phủ chống phản chiếu tổng hợp hiện nay rất tiên tiến. Công nghệ mạch tích hợp đã cho phép các nhà sản xuất sản xuất kính hiển vi “thông minh” tích hợp bộ vi xử lý vào giá đỡ kính hiển vi. Chụp ảnh vi mô trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết với các phụ kiện kiểm soát cường độ ánh sáng, tính toán độ phơi sáng dựa trên độ nhạy của phim và tự động thực hiện các tác vụ phức tạp như chụp bù trừ, phơi sáng nhiều lần và chụp ảnh tuần tự.

Kính hiển vi trong Hình 7 là kính hiển vi nghiên cứu Olympus Provis AX70. Ra mắt vào những năm 1990, kính hiển vi này có thiết kế phức tạp tích hợp nhiều thiết bị chiếu sáng (episcope và diascope), máy phân tích và phân cực, lăng kính CID, phụ kiện huỳnh quang và khả năng tương phản pha. Hệ thống chụp ảnh vi mô bao gồm đo sáng điểm, điều khiển phơi sáng tự động và các chức năng thu phóng để tạo khung hình đơn giản và linh hoạt. Chân đế chữ Y đã cải thiện tính công thái học và dễ sử dụng. Ngày nay, các nhà sản xuất kính hiển vi tiếp tục phát triển các công nghệ kính hiển vi mới để cải thiện sự thoải mái và dễ sử dụng của người dùng cũng như hỗ trợ nghiên cứu mới.

Các bộ phận của kính hiển vi Olympus Provis AX70

Ứng dụng thực tế của kính hiển vi

Hầu hết mọi người, lúc này hay lúc khác, đều quan sát thế giới bằng cách nhìn qua kính hiển vi quang học. Trong khi đối với hầu hết mọi người, trải nghiệm này xảy ra trong các lớp sinh học ở trường trung học hoặc đại học, một số nhà khoa học nghiệp dư đã mua kính hiển vi của riêng họ hoặc như một phần của bộ dụng cụ khoa học.

Chụp ảnh bằng kính hiển vi, hay chụp ảnh vi mô, từ lâu đã là một công cụ hữu ích cho các nhà khoa học. Khoa học sinh học và y tế đã sử dụng kính hiển vi một cách rộng rãi để hiểu các đặc điểm hình thái của mẫu vật, nhưng họ cũng sử dụng nó như một công cụ định lượng để ghi lại các đặc tính và dữ liệu quang học. Do đó, kính hiển vi quang học đã được chứng minh là một công cụ có giá trị để nghiên cứu những bí ẩn của sự sống.

Kính hiển vi đã được sử dụng rộng rãi trong vật lý và khoa học vật liệu cũng như ngành công nghiệp bán dẫn do nhu cầu quan sát các đặc tính bề mặt của vật liệu công nghệ cao mới và mạch tích hợp. Kính hiển vi cũng đã được chứng minh là hữu ích cho các chuyên gia pháp y, những người cần kiểm tra tóc, sợi, quần áo, vết máu, đạn và các vật thể khác liên quan đến tội phạm. Những tiến bộ hiện đại trong kỹ thuật kháng thể đơn dòng và fluorochrome đã mở đường cho việc sử dụng kính hiển vi huỳnh quang ngày càng tăng trong phân tích y sinh và sinh học tế bào.

Sự khác biệt giữa kính hiển vi y sinh và kính hiển vi vật liệu

Sự khác biệt cơ bản giữa kính hiển vi y sinh và kính hiển vi vật liệu nằm ở cách kính hiển vi chiếu ánh sáng lên mẫu. Trong kính hiển vi sinh học thông thường, ánh sáng đi qua hoặc truyền qua các mẫu rất mỏng, tập trung bằng thấu kính vật kính, sau đó truyền vào thị kính của kính hiển vi.

Để quan sát bề mặt của các mạch tích hợp (rất cần thiết cho hoạt động bên trong của máy tính hiện đại), ánh sáng đi qua vật kính trước khi bị phản xạ khỏi bề mặt mẫu và quay trở lại vật kính của kính hiển vi. Trong thuật ngữ khoa học, kính hiển vi ánh sáng truyền qua và kính hiển vi ánh sáng phản xạ lần lượt được gọi là kính hiển vi chiếu sáng ngang và kính hiển vi chiếu sáng trực quan.

Một vấn đề thường gặp trong kính hiển vi là độ tương phản thấp được tạo ra khi ánh sáng truyền qua các mẫu rất mỏng hoặc bị phản xạ khỏi các bề mặt có độ phản xạ cao. Để khắc phục độ tương phản thấp, nhiều kỹ thuật quang học khác nhau đã được phát triển để tăng độ tương phản và cung cấp các biến thể màu sắc trong mẫu. Trong số các kỹ thuật quang học này, chúng ta có thể trích dẫn:

• Ánh sáng phân cực
• Hình ảnh tương phản pha
• Sự tương phản chênh lệch
• Chiếu sáng kích thích huỳnh quang
• Chiếu sáng nền tối
• chiếu sáng Rheinberg
• Điều chế độ tương phản Hoffman
• Việc sử dụng các bộ lọc gelatin quang học khác nhau

Cảm ơn Quý khách đã dành thời gian quý báu để ghé thăm và đọc bài viết trên website của chúng tôi. Chúng tôi rất trân trọng sự quan tâm và sự ủng hộ của Quý khách. Hy vọng rằng bài viết đã mang đến cho Quý khách những thông tin hữu ích và giá trị. Nếu có bất kỳ câu hỏi hay phản hồi nào, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi hoặc để lại bình luận bên dưới. Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn và mong được đón tiếp Quý khách trên website của chúng tôi trong những dịp sắp tới.