Mikroskop

Mikroskop (dříve česky též drobnohled) je optický přístroj, který slouží k pozorování a zobrazení velmi malých objektů, jež jsou neviditelné nebo obtížně viditelné pouhým okem. Název pochází z řeckých slov mikrós (malý) a skopein (dívat se, pozorovat). Věda, která se zabývá zkoumáním objektů pomocí mikroskopu, se nazývá mikroskopie.

Nejběžnějším typem je optický mikroskop, který využívá světlo a soustavu čoček k vytvoření zvětšeného obrazu. Existují však i pokročilejší typy, jako je elektronový mikroskop, který místo světla používá svazky elektronů a dosahuje mnohem vyššího zvětšení a rozlišení. Mikroskopy jsou klíčovým nástrojem v mnoha vědních oborech, včetně biologie, medicíny, chemie, fyziky a materiálových věd.

⏳ Historie

Vynález mikroskopu otevřel lidstvu zcela nový svět a je spojen s několika klíčovými postavami a technologickými pokroky.

• První složené mikroskopy (konec 16. století): Za vynálezce prvního složeného mikroskopu (s více čočkami) jsou považováni nizozemští výrobci brýlí, otec a syn Hans a Zacharias Janssenovi kolem roku 1590. Jejich přístroj se skládal z trubice se dvěma čočkami, který dokázal objekt zvětšit 3x až 9x.

• Raná pozorování (17. století):
  • Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723) je často nazýván "otcem mikroskopie". Sám si brousil vysoce kvalitní jednoduché čočky, kterými dosahoval až 200násobného zvětšení. Jako první pozoroval a popsal mikroorganismy (které nazval animalcules), spermie, krevní buňky a svalová vlákna.
  • Robert Hooke (1635–1703) v roce 1665 publikoval své přelomové dílo "Micrographia", první knihu plně věnovanou mikroskopickým pozorováním. Kniha obsahovala detailní kresby a poprvé použil termín "buňka" (cell) při pozorování struktury korku, která mu připomínala mnišské cely v klášteře.

• Zdokonalení v 19. století: V 19. století došlo k výraznému zlepšení kvality čoček. Ernst Abbe, spolupracující s firmou Carl Zeiss, formuloval teoretické základy moderní optiky a vyvinul achromatické objektivy, které odstranily barevnou vadu a výrazně zlepšily kvalitu obrazu.

• Éra elektronové mikroskopie (20. století):
  • V roce 1931 vynalezl Ernst Ruska první transmisní elektronový mikroskop (TEM), který místo světla využívá svazek elektronů. Tento objev, za který v roce 1986 obdržel Nobelovu cenu, umožnil dosáhnout mnohonásobně vyššího zvětšení (až 1 000 000x) a rozlišení než u optických mikroskopů.
  • Později byl vyvinut rastrovací elektronový mikroskop (SEM), který skenuje povrch vzorku a vytváří detailní trojrozměrné obrazy.
  • V 80. letech 20. století byl vynalezen mikroskop skenující sondou (SPM), jako je mikroskopie atomárních sil (AFM), který umožňuje "osahávat" povrch vzorku a zobrazovat jednotlivé atomy.

🔬 Princip a fungování

Základním principem mikroskopu je zvětšení zorného úhlu, pod kterým pozorujeme objekt. Umožňuje nám to rozeznat detaily, které by jinak byly pod rozlišovací schopností lidského oka.

Optický mikroskop

Optický mikroskop využívá soustavu dvou spojných čoček (nebo jejich skupin), které mají společnou optickou osu.

1. Objektiv: Je umístěn blíže k pozorovanému předmětu. Má krátkou ohniskovou vzdálenost a vytváří skutečný, zvětšený a převrácený obraz.
2. Okulár: Je blíže k oku pozorovatele a funguje jako lupa. Bere obraz vytvořený objektivem a dále ho zvětšuje. Výsledný obraz je zdánlivý, převrácený a výrazně zvětšený.

Celkové zvětšení mikroskopu je dáno součinem zvětšení objektivu a zvětšení okuláru. Klíčovým parametrem je však rozlišovací schopnost, která určuje nejmenší vzdálenost dvou bodů, které jsme ještě schopni vidět odděleně. U optických mikroskopů je omezena vlnovou délkou světla na přibližně 0,2 mikrometru (200 nanometrů).

Elektronový mikroskop

Elektronové mikroskopy fungují na odlišném principu. Místo fotonů (světla) využívají svazek urychlených elektronů, které mají mnohem kratší vlnovou délku. Díky tomu dosahují mnohem vyššího rozlišení (až na úroveň jednotlivých atomů) a zvětšení. Místo skleněných čoček se k usměrňování a zaostřování elektronového svazku používají silná elektromagnetická pole (elektromagnetické čočky).

⚙️ Základní části mikroskopu

Běžný biologický mikroskop se skládá z mechanické a optické části.

• Okulár: Čočka (nebo soustava čoček), do které se dívá pozorovatel.
• Tubus: Trubice spojující okulár s objektivem.
• Revolverová hlavice: Otočný mechanismus, který drží několik objektivů s různým zvětšením.
• Objektivy: Soustavy čoček nejblíže k preparátu, které zajišťují primární zvětšení.
• Stolek: Plocha, na kterou se umisťuje preparát (obvykle na podložním sklíčku).
• Ostřící šrouby:
  • Makrošroub: Pro hrubé zaostření (rychlý posun stolku).
  • Mikrošroub: Pro jemné doostření obrazu.
• Osvětlovací soustava:
  • Zdroj světla: Lampa nebo zrcátko, které osvětluje vzorek.
  • Kondenzor: Soustřeďuje světlo na preparát.
  • Clona: Reguluje množství světla procházejícího vzorkem.
• Statív: Nosná konstrukce, která drží všechny části pohromadě.

📚 Typy mikroskopů

Mikroskopy se dělí do několika hlavních kategorií podle principu, na kterém fungují, a podle jejich využití.

Optické (světelné) mikroskopy

Využívají viditelné světlo k zobrazení.

• Biologický (prosvětlovací) mikroskop: Nejběžnější typ, používá se k pozorování tenkých, průsvitných preparátů (např. tkáňových řezů, buněk).
• Stereoskopický mikroskop (stereolupa): Poskytuje trojrozměrný (3D) obraz při menším zvětšení. Je vhodný pro pozorování neprůhledných předmětů, jako jsou hmyz, minerály nebo pro jemnou práci (např. v mikrochirurgii).
• Fluorescenční mikroskop: Využívá fluorescence. Vzorek je označen fluorescenčními barvivy, která po osvícení specifickou vlnovou délkou světla sama září. Používá se v molekulární biologii a medicínské diagnostice.
• Konfokální mikroskop: Používá laser k postupnému skenování vzorku bod po bodu. Umožňuje vytvářet velmi ostré obrazy tenkých optických řezů a rekonstruovat 3D modely.
• Polarizační mikroskop: Využívá polarizované světlo a je určen ke studiu optických vlastností krystalických materiálů, jako jsou minerály nebo polymery.

Elektronové mikroskopy

Místo světla využívají svazky elektronů a dosahují mnohem vyššího rozlišení.

• Transmisní elektronový mikroskop (TEM): Elektronový svazek prochází skrz ultratenký vzorek (desítky nanometrů). Výsledný obraz poskytuje informace o vnitřní struktuře materiálu s rozlišením až na úroveň atomů.
• Rastrovací (skenovací) elektronový mikroskop (SEM): Svazek elektronů "oskenuje" povrch vzorku a detekují se odražené nebo sekundární elektrony. Vytváří detailní 3D obraz povrchu vzorku s velkou hloubkou ostrosti.

Mikroskopy skenující sondou (SPM)

Zobrazují povrch vzorku tak, že ho "osahávají" velmi ostrým hrotem.

• Mikroskopie atomárních sil (AFM): Hrot na pružném nosníku je v kontaktu nebo těsné blízkosti povrchu. Laserový paprsek snímá jeho nepatrné pohyby, čímž se mapuje topografie povrchu s atomárním rozlišením.
• Skenovací tunelovací mikroskop (STM): Využívá kvantově-mechanický jev zvaný tunelový jev. Mezi vodivým hrotem a vodivým vzorkem protéká malý elektrický proud, jehož velikost závisí na vzdálenosti. Umožňuje zobrazovat a dokonce i manipulovat s jednotlivými atomy.

💡 Pro laiky: Jak funguje mikroskop?

Představte si mikroskop jako extrémně silné brýle, které vám umožní vidět věci milionkrát menší, než jaké dokáže zahlédnout vaše oko. Funguje to podobně jako obyčejná lupa, ale mnohem propracovaněji.

Když se podíváte lupou na text, skleněná čočka ohne světelné paprsky tak, aby se vašemu oku zdálo, že písmena jsou větší. Optický mikroskop dělá totéž, ale používá k tomu nejméně dvě lupy za sebou.

1. První lupa (objektiv) je velmi blízko pozorovaného předmětu (třeba křídla mouchy). Vytvoří jeho zvětšený, ale převrácený obraz uvnitř tubusu mikroskopu. 2. Druhá lupa (okulár), do které se díváte, pak vezme tento už zvětšený obraz a znovu ho zvětší.

Výsledkem je, že vidíte obraz, který je mnohonásobně větší než skutečnost. Světlo pod vzorkem prosvítí jeho detaily a ostřící šrouby vám umožní pohybovat čočkami tak, abyste obraz viděli dokonale ostře. Elektronové mikroskopy jsou ještě o úroveň výš – místo světla používají "střelbu" elektrony, což jim umožňuje vidět i jednotlivé atomy, něco, co je pro světlo příliš malé.

🌍 Využití v praxi

Mikroskopy jsou nepostradatelným nástrojem v mnoha oblastech lidské činnosti:

• Medicína a biologie: Diagnostika nemocí z krevních vzorků a tkání (histologie, patologie), studium buněk, bakterií a virů, výzkum v genetice a mikrobiologii.
• Materiálové vědy a inženýrství: Analýza struktury kovů, polymerů, keramiky a dalších materiálů, kontrola kvality v průmyslové výrobě, vývoj nových materiálů v nanotechnologii.
• Forenzní vědy: Zkoumání důkazů z místa činu, jako jsou vlákna, vlasy, stopy střelného prachu nebo biologické vzorky.
• Geologie: Identifikace minerálů a studium složení hornin v tenkých výbrusech.
• Elektronika: Kontrola a vývoj mikročipů a dalších polovodičových součástek.
• Vzdělávání: Základní pomůcka při výuce přírodopisu, biologie a chemie na školách všech úrovní.
• Umění a archeologie: Analýza pigmentů na obrazech, zkoumání starých artefaktů a určování jejich pravosti a původu.

✨ Zajímavosti a rekordy

• Slovo "mikroskop" poprvé použil Giovanni Faber v roce 1625, aby popsal přístroj, který zkonstruoval Galileo Galilei.
• Česká republika, konkrétně město Brno, je považována za jedno ze světových center výroby elektronových mikroskopů. Firmy sídlící v Brně pokrývají přibližně třetinu celosvětové produkce.
• Nejvýkonnější transmisní elektronové mikroskopy dnes dokáží dosáhnout zvětšení přes 50 milionů krát, což umožňuje jasně zobrazit jednotlivé atomy a vazby mezi nimi.
• Původní kresby Roberta Hooka v knize Micrographia byly tak detailní a působivé, že například jeho vyobrazení blechy mělo po rozložení velikost přes 45 cm.

📖 Zdroje

WikiSkripta Národní zdravotnický informační portál Storyboard That Wikipedie - Mikroskop Wikipedie - Elektronový mikroskop Keyence - Hlavní typy mikroskopů MATCA - Transmisní elektronový mikroskop MATCA - Skenovací elektronový mikroskop MEF - Encyklopedie fyziky INTRACO MICRO Microscope.com Florida State University