Chúng ta biết gì về kính hiển vi?

" Không có chức năng mà không có giải phẫu ". Camillo Golgi, Giải Nobel Y học năm 1906, đã viết điều này vào cuối thế kỷ XNUMX về những nghiên cứu của ông về các tế bào thần kinh trung ương và ngoại vi. Nói cách khác, chức năng định hình lại hình dạng của các tế bào, và do đó, các quan sát bằng kính hiển vi trở nên cần thiết để hiểu cơ chế sinh lý của nó.

Không phải ngẫu nhiên mà người đầu tiên hiểu rằng các dây thần kinh được tạo thành từ một bộ dây cáp và không phải là một loại kênh có chất mềm bên trong, như trong trường hợp mạch máu, là Anton Van Leeuwenhoek vào năm 1715.

Leeuwenhoek và kính hiển vi

leeuwenhoek, nhà quang học và nhà tự nhiên học người Hà Lan, được công nhận là người phát minh ra kính hiển vi quang học; do đó, là người đầu tiên quan sát nhạy bén và chính xác một số hiện tượng tự nhiên như sự tuần hoàn của hồng cầu trong mao mạch, sự tồn tại của tế bào mầm đực, lần đầu tiên xác định chính xác cấu trúc lamellar của thấu kính, việc phát hiện ra động vật nguyên sinh và vi khuẩn được gọi là “động vật nhỏ”. Rõ ràng đó không chỉ là sự sẵn có của những thấu kính quang học tốt nhất vào thời điểm đó mà còn do chính ông chế tạo.

Đây là cách Leeuwenhoek viết trong một bức thư gửi cho Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn vào năm 1692, đáp lại những lời chỉ trích từ một số người cùng thời với ông:

Tôi biết rất rõ, thưa Quý vị, rằng các báo cáo mà tôi viết và thỉnh thoảng gửi cho quý vị không phải lúc nào cũng thống nhất với nhau, và có thể tìm thấy mâu thuẫn trong đó; qua đó tôi muốn nói lại một lần nữa rằng tôi có thói quen bám vào dữ liệu tôi có cho đến khi tôi được cung cấp thông tin tốt hơn hoặc cho đến khi những quan sát của tôi dẫn tôi đến nơi khác; và tôi sẽ không bao giờ xấu hổ khi thay đổi phương pháp của mình.

Do đó kính hiển vi hiện đại ra đời, nghĩa là nghiên cứu về tự nhiên với số lượng nhỏ, ngày nay vẫn là một trong những phương tiện điều tra chính của nghiên cứu khoa học hiện đại. Nhưng để hiểu rõ hơn về sự ra đời và phát triển của ngành khoa học này, chúng ta phải tham khảo vô số trực giác và khám phá mà từ những nỗ lực đầu tiên trong thời Cổ đại đã định hình sự phát triển của ngành này cho đến những quan sát đáng kinh ngạc của khoa học hiện đại.

Ánh sáng trong truyền thống Hy Lạp và Hồi giáo

Mặc dù kính hiển vi là một phát minh tương đối gần đây, nhưng nghiên cứu về các hiện tượng ánh sáng đã thu hút sự quan tâm của nhiều bộ óc vĩ đại của thời Cổ đại và làm nảy sinh các cuộc tranh luận giữa các trường phái tư tưởng khác nhau; Chúng ta đã mắc nợ những nhà tư tưởng vĩ đại như Aristotle, hay Euclid, sống giữa thế kỷ IV và III trước Công nguyên, người đã chính thức hóa lần đầu tiên mà chúng ta đã viết bằng chứng về khái niệm tầm nhìn và tia sáng. Đã có từ thế kỷ thứ XNUMX trước Công nguyên. C. việc sử dụng những tấm gương đốt nổi tiếng của Archimedes đã trở nên nổi tiếng trong Chiến tranh Punic lần thứ hai, mặc dù nó chưa được lịch sử chứng minh.

Roma

Các ví dụ được ghi lại nhiều nhất về vấn đề này là những ví dụ đến từ thế giới la mã. Trên thực tế, việc người La Mã cổ đại sử dụng các quả cầu thủy tinh ít nhiều dẹt để tập trung các tia nắng mặt trời và thu được lửa đã được công nhận rộng rãi trong một thời gian dài. Công nghệ ống kính dường như còn lâu đời hơn cả nền văn minh La Mã, bằng chứng là những phát hiện từ Knossos, có từ thời đại đồ đồng, khoảng thời gian từ 3500 đến 1200 trước Công nguyên. c.

Pompeii

Ngoài các lăng kính pha lê có độ chính xác và đều đặn phi thường (được sử dụng để phân tách ánh sáng thành các màu của quang phổ), chúng còn đến từ các cuộc khai quật của pompeii cổ đại mạch tròn nhỏ, hơi lồi, có khả năng cung cấp hình ảnh rõ nét và phóng đại. Thật không may, hầu như không có nguồn văn học nào nói về những đồ vật này như những công cụ tầm nhìn. Nó được truyền lại bởi Pliny the Elder khi hoàng đế Nero, có lẽ bị cận thị, thường xem các đấu sĩ chiến đấu bằng cách nhìn họ qua một viên ngọc lục bảo lớn được đánh bóng.

Ottica và Catoptrica

Quay trở lại với Euclid, chúng ta lưu ý rằng ông là tác giả của năm tiên đề hình học nổi tiếng chứa đựng các khái niệm về điểm, đường thẳng và mặt phẳng; Những khái niệm cơ bản này đã đến với nhau trong tác phẩm Ottica e Catoptrica nơi các yếu tố của quan điểm được chứa đựng, các nghiên cứu hiện tượng phản xạ trong gương phẳng và gương cầu và lần đầu tiên khái niệm tia thị giác không có cấu trúc vật chất được định nghĩa. Điều này cho phép Euclid mở rộng phương pháp biểu diễn hình học điển hình sang lĩnh vực hiện tượng ánh sáng.

Tuy nhiên, bản chất của những tiên đề này bị chi phối mạnh mẽ bởi ý tưởng cho rằng thị giác diễn ra bởi các tia phát ra từ mắt: lý thuyết hướng ngoại của ánh sáng. Để đi đến một lý thuyết tiên tiến hơn về tầm nhìn, phải đợi đến thế kỷ thứ 965, với các lý thuyết của Alhazen người Ả Rập (1039-XNUMX). Theo Alhazen, mắt không thể "cảm nhận" đối tượng ngoại trừ bằng tia gửi cho bạn với tốc độ hữu hạn; ánh sáng phải có sự tồn tại thực sự vì khi nó rất mạnh, nó có thể làm hỏng mắt và tạo ra hình ảnh phụ.

Việc phát minh ra kính hiển vi

Sẽ cần phải đợi đến thời kỳ Baroque để chứng kiến ​​sự ra đời của kính hiển vi tiền thân thực sự của kính hiển vi hiện đại. Thế kỷ 1609 là một thời kỳ hiệu quả ở nhiều nước đối với khoa học nói chung, thực sự phải nói rằng nó đã chứng kiến ​​một cuộc cách mạng khoa học thực sự với Bacon, Boyle, Copernicus, Leibniz và nhiều người khác. Tuy nhiên, phải nói rằng trong lịch sử của kính hiển vi, không có niên đại nào nổi bật bằng năm XNUMX, năm mà Galileo Galilei (1564-1642) đã chế tạo ra chiếc kính thiên văn thô sơ.

nhà sản xuất vải và kính hiển vi

Hơn nữa, không phải ngẫu nhiên mà Hà Lan là cái nôi của một thiết bị như kính hiển vi, vì vào thế kỷ XNUMX, quốc gia này đại diện cho một ngã tư thương mại quan trọng đối với ngành dệt may, đồng thời sản xuất gốm sứ và đồ trang sức. . Từ những phân xưởng cuối cùng này, có lẽ là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất, rất có thể đã có những giọt thủy tinh nóng chảy các nhà sản xuất vải đã sử dụng kính lúp nhỏ để kiểm soát kết cấu tốt hơn trong giai đoạn sản xuất. Đây là công dụng đầu tiên mà Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), ban đầu là quản lý cửa hàng vải, làm bằng hạt thủy tinh đông đặc; sau này, có lẽ là theo sở thích của anh ấy đối với khoa học tự nhiên mà anh ấy có khuynh hướng bẩm sinh.

Do đó, Van Leeuwenhoek có thể được coi là chiếc kính hiển vi đầu tiên, vì nó được hình thành và tối ưu hóa đặc biệt để sử dụng cho mục đích nghiên cứu khoa học. Không có gì đáng ngạc nhiên, vào thời điểm đó, ông được coi là nhà nghiên cứu xuất sắc đã

[…] đã thiết kế kính hiển vi vượt xa những gì đã thấy cho đến nay…

Trên thực tế, kính hiển vi của Leeuwenhoek bao gồm một thấu kính duy nhất được gắn trên giá đỡ bằng kim loại được trang bị giá đỡ mẫu đặc biệt với tiêu cự có thể điều chỉnh bằng cơ cấu vít và cung cấp khả năng sử dụng ánh sáng nhân tạo. Những yếu tố này, ngoài việc cấu thành, từ thời điểm đó, nền tảng của bất kỳ kính hiển vi quang học nào, giả định trước một phương pháp nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên với hương vị vốn đã hiện đại.

Thiên nhiên Arcana

Leeuwenhoek đã được chính thức công nhận, phòng thí nghiệm của ông đã được các học giả và nhân vật chính trị từ khắp nơi trên thế giới đến thăm (chuyến thăm nổi tiếng của Sa hoàng Peter Đại đế của Nga). Leeuwenhoek qua đời ở tuổi 91, vào ngày 26 tháng 1723 năm 1722, sau khi xem ấn bản tiếng Latinh của bộ sưu tập đầy đủ nhiều bức thư và báo cáo của ông, được xuất bản năm XNUMX với tựa đề "Arcana Naturae."

Những nỗ lực của các học giả trong những thế kỷ tiếp theo sẽ hoàn toàn dành cho việc chế tạo những kính hiển vi mạnh hơn và hệ thống hóa, phân loại và định lượng thế giới vi mô mới được khám phá. Theo nghĩa này, đóng góp của người Anh Robert Hooke (1635-1703) là cơ bản, được nhớ đến nhiều hơn với những nghiên cứu của ông về tính đàn hồi hơn là những nghiên cứu về kính hiển vi quang học. Hooke, một học giả toàn diện, đã cải tiến kính hiển vi, lắp nó với hệ thống quang học mới và hệ thống chiếu sáng mới. Điều này cho phép anh ta thực hiện một loạt khám phá, chẳng hạn như các lỗ hổng trong nút chai, được ngăn cách bởi các bức tường, mà anh ta gọi là tế bào. Khi tranh cãi với Isaac Newton, có lẽ là nhà khoa học vĩ đại nhất thời bấy giờ, ông ủng hộ ý tưởng về thuyết sóng ánh sáng trái ngược với thuyết hạt.

Sự phát triển của kính hiển vi giữa thế kỷ XNUMX và XNUMX: từ kính hiển vi quang học đến kính hiển vi điện tử

Những cải tiến dần dần được giới thiệu trong kính hiển vi phức hợp được chế tạo vào thế kỷ XNUMX về cơ bản liên quan đến cấu trúc cơ khí. Mặc dù đã đạt được một số tiến bộ trong kỹ thuật sản xuất thấu kính, hiệu suất quang học vẫn còn kém. Điều này là do cả chất lượng của kính và hai lỗi nghiêm trọng trong thấu kính: quang sai hình cầu và quang sai màu, dẫn đến hình ảnh mờ và óng ánh.

Hơn nữa, mỗi cải tiến luôn luôn và chỉ diễn ra trên cơ sở thực nghiệm và do đó chúng là những sản phẩm thủ công. Để khắc phục, những quang sai này cần phải ghép nhiều thấu kính và do đó, phải đến giữa thế kỷ XNUMX, những hệ thống như vậy mới có thể được thực hiện.

Tu viện Ernst

Kể từ thời điểm đó, các nghiên cứu lý thuyết và tiến bộ công nghệ đã song hành cùng nhau. Nhân vật tiêu biểu nhất của thời kỳ này là Ernst Abbe người Đức (1840-1905), người biến kính hiển vi từ định tính sang định lượng; nhiều nguyên tắc làm nền tảng cho công nghệ hiện đại về kính hiển vi quang học và thấu kính nói chung là do ông; Abbe hợp tác với Carl Zeiss (1816-1888) trong xưởng quang học Jena nổi tiếng.

Ông rút ra biểu thức mang tên ông (số Abbe), để mô tả khả năng tán sắc của thủy tinh và liên hệ độ phân giải của vật kính hiển vi như một hàm của khẩu độ số của nó. nhiều nguyên tắc làm nền tảng cho công nghệ hiện đại về kính hiển vi quang học và thấu kính nói chung là do ông. Abbe hợp tác với Carl Zeiss (1816-1888) trong xưởng quang học Jena nổi tiếng.

tháng XNUMX Kohler

Từ năm 1900, August Kohler (1866-1948) cũng làm việc tại Jena, người đã xử lý kỹ thuật vi ảnh và hoàn thiện hệ thống chiếu sáng hiện được sử dụng rộng rãi cho kính hiển vi; Vào cuối thế kỷ XNUMX, các nhạc cụ thẳng và ngược tuyệt vời đã xuất hiện trên thị trường.

Năm 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) phát triển cái gọi là kính hiển vi siêu nhỏ, cho phép nghiên cứu các hạt keo có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng; và trong những thập kỷ tiếp theo, tốc độ không chậm lại: các kỹ thuật mới như độ tương phản pha, phương pháp giao thoa và kính hiển vi phản xạ Chúng đã mở ra những lĩnh vực ứng dụng mới trong khi các kỹ thuật nổi tiếng khác đã được hoàn thiện, chẳng hạn như huỳnh quang, giao thoa tương phản và phân cực. sự bức xạ.

kính hiển vi điện tử

Ngay từ những năm 30, với định nghĩa về các hạt cơ bản như electron và sự ra đời của thuyết nhị nguyên sóng/hạt để giải thích hành trạng của chúng, thời điểm đã chín muồi do các giới hạn về độ phân giải không gian của kính hiển vi quang học, do bước sóng ánh sáng đặt ra. , có thể bị vượt qua trong bối cảnh của một quan điểm hoàn toàn mới: kính hiển vi điện tử. Kính hiển vi điện tử đầu tiên được chế tạo vào năm 1933 bởi các nhà vật lý người Đức Ernst Ruska (1906-1988) và Max Knoll (1897-1969). Bản thân Ruska, nhiều năm sau, sẽ coi những khoảng thời gian đó là một giai đoạn học tập và nghiên cứu hiệu quả:

Sau khi tốt nghiệp (1931), tình hình kinh tế ở Đức trở nên rất khó khăn và dường như không thể tìm được một vị trí ưng ý tại trường đại học hoặc trong ngành công nghiệp. Vì vậy, tôi rất vui khi có thể tiếp tục hoạt động miễn phí với tư cách là nghiên cứu sinh tại Viện Điện cao thế…” .

Cuối thế kỷ XNUMX và kính hiển vi quét đầu dò

Vẫn là quá trình hệ thống hóa dần dần các định luật của cơ học lượng tử đề xuất các giải pháp mới để nghiên cứu thế giới vi mô ngày càng chi tiết hơn, thậm chí còn đi xa đến mức tiết lộ bản chất sâu xa của nó, đó là, phân tử và nguyên tử. Không giống như những gì đã xảy ra trước đây, vào những năm 1980, một số ý tưởng tuyệt vời đã được phát triển trong bối cảnh đã cởi mở về trí tuệ và điều không quá tệ là được cung cấp đầy đủ các nguồn lực con người, công nghệ và kinh tế.

George Gamow

Chính từ ý tưởng của George Gamow (đã phát hiện ra cái gọi là Bức xạ nền vũ trụ) về sự tồn tại của hiệu ứng đường hầm, được hình thành vào năm 1928, mà hai nhà vật lý người Đức, Gerd Binnig (1947) và Heinrich Rohrer (1933- 2013) được hình thành vào năm 1981, khi đang làm việc tại phòng thí nghiệm nghiên cứu của IBM ở Zurich, chiếc kính hiển vi quét đường hầm đầu tiên.

Kính hiển vi này sử dụng đầu dò kim nhỏ để phát hiện dòng điện yếu giữa đầu dò và bề mặt của mẫu được nghiên cứu, dòng điện này có thể được nghiên cứu ở độ phân giải nhỏ hơn về mặt lý thuyết so với kích thước của nguyên tử và phân tử. Khám phá này đã mang lại cho những người tìm ra nó giải thưởng Nobel Vật lý năm 1986. Điều khá đáng chú ý là giải thưởng này cũng được trao cho Enrst Ruska khá muộn. "Vì công trình cơ bản của ông về quang học điện tử và thiết kế kính hiển vi điện tử đầu tiên".

kính hiển vi quét

Trong bối cảnh tương tự, nhưng dựa trên lực điện do các nguyên tử của bề mặt tác dụng lên một đầu dò nhỏ đặt gần đó, Kính hiển vi lực nguyên tử đã được phát minh (1982) (với sự cộng tác của chính Binning), mà sự sáng tạo của nó dựa trên sự đóng góp chung của các học giả khác, bao gồm Calvin Quate (1923-2019) và Christoph Gerber (1942). Kính hiển vi này có thể mở rộng ứng dụng của quét kính hiển vi đầu dò cho nhiều loại mẫu, bao gồm cả mẫu sinh học.

Do có nhiều biến thể và ứng dụng rộng rãi, kỹ thuật này ngày nay có lẽ là linh hoạt nhất để nghiên cứu các bề mặt trong lĩnh vực công nghệ nano. Trên thực tế, ngày nay, kính hiển vi nhằm mục đích thu được thông tin ngày càng đầy đủ hơn về bản chất của các bề mặt và kính hiển vi hiện đại tích hợp, trong cùng một thiết bị, các kỹ thuật khác nhau để thích ứng với việc nghiên cứu các mẫu có bản chất khác nhau.

Từ thời phục hưng của quang học đến kính hiển vi nano

Sự phát triển của các nguồn laser diễn ra vào nửa sau của thế kỷ XNUMX thể hiện một bước phát triển mới của trường quang học cổ điển hơn, trên thực tế có thể nói rằng nó đã tạo nên khám phá quan trọng nhất trong quang học sau tia X. đặc điểm của ánh sáng laser (cực kỳ kết hợp, cường độ cao và bước sóng đơn) cho phép tránh hiện tượng quang sai và nhiễu xạ đặc trưng của ánh sáng được tạo ra bởi đèn sợi đốt truyền thống.

Năm 1955, nhân dịp làm luận án tiến sĩ toán học, Marvin Lee Minsky (1927-2016), một trong những người sáng lập trí tuệ nhân tạo, đã đưa ra giả thuyết về kính hiển vi đồng tiêu, một dụng cụ quang học có độ phân giải và chất lượng hình ảnh chưa từng có trong thời đại. Như chính ông nói:

Năm 1956, tôi được cấp bằng sáng chế cho chiếc kính hiển vi đồng tiêu của mình, nhưng bằng sáng chế đã hết hạn trước khi có người chế tạo chiếc thứ hai. Chúng tôi thậm chí còn không buồn đăng ký bằng sáng chế cho màn hình hoặc logo, nghĩ rằng chúng là những phát minh hoàn toàn hiển nhiên. Có vẻ như điều hiển nhiên không liên quan đến bằng sáng chế.

kính hiển vi đồng tiêu

Kính hiển vi đồng tiêu khác về cấu trúc so với kính hiển vi huỳnh quang truyền thống ở chỗ sử dụng nguồn laze nhưng trên hết là ở sự hiện diện của màng ngăn dọc theo đường quang cho phép loại trừ tín hiệu đến từ các phần bên trên và bên dưới tiêu điểm của mẫu, do đó cung cấp một hình ảnh lần đầu tiên với thông tin ba chiều. Trên thực tế, kính hiển vi đồng tiêu chỉ được đưa vào phòng thí nghiệm vào cuối những năm 80 khi công nghệ máy tính và laser trở nên tương đối dễ tiếp cận và đủ mạnh. Nó hiện là một công cụ cơ bản quan trọng trong nghiên cứu khoa học y sinh.

Đối với lĩnh vực quang học, kính hiển vi đồng tiêu không phải là mục tiêu công nghệ mà là điểm khởi đầu cho sự phát triển của các kỹ thuật nghiên cứu mới dựa trên công nghệ laser và sử dụng các chất đánh dấu huỳnh quang mới, chẳng hạn như kính hiển vi TIRF (Huỳnh quang phản xạ toàn phần bên trong), Hình ảnh tế bào sống, kính hiển vi quang phổ đồng tiêu, việc sử dụng các kỹ thuật hình ảnh khác nhau, phân tích hình thái bao gồm FRAP (Phục hồi huỳnh quang sau tẩy trắng), FRET (Truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang), FLIM (Chụp ảnh trọn đời huỳnh quang), FCS (Quang phổ tương quan huỳnh quang) và cuối cùng là sử dụng laze đa photon để tăng đáng kể khả năng thâm nhập ánh sáng vào mẫu .

kính hiển vi STED

Những năm đầu của thế kỷ này cũng được đánh dấu bằng sự phát triển của những ý tưởng mới khéo léo đã đẩy độ phân giải quang học vượt quá giới hạn do bản chất của ánh sáng áp đặt. Trên thực tế, chúng ta đang nói về siêu phân giải, đạt được nhờ ba cách tiếp cận chính khác nhau: lKính hiển vi STED được phát triển bởi Stefan Hell (1962), Giải Nobel Hóa học năm 2014, kính hiển vi ánh sáng có cấu trúc do Mats Gustafsson (1960-2011) khai sinh. ), và kính hiển vi định vị, được giới thiệu trong phòng thí nghiệm Harvard bởi Xiaowei Zhuang (1972), có khả năng hiển thị một phân tử đơn lẻ với độ phân giải lớn hơn 10 lần so với kính hiển vi quang học truyền thống.

Sự ra đời của các kỹ thuật siêu phân giải đã dẫn đến kính hiển vi ánh sáng hiện đại, do đó có thể được gọi một cách hợp lý là "kính nano". đối thoại ngày càng nhiều với kính hiển vi điện tử để tích hợp tốt hơn các phân tích hình thái học. Ngày nay, kính hiển vi là một công cụ không thể thay thế trong phòng thí nghiệm và đã trở thành biểu tượng của nghiên cứu khoa học.

Tương lai của kính hiển vi

Kính hiển vi chắc chắn là một trong những cuộc cách mạng vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học, đánh dấu sự ra đời của vi sinh học, tế bào học và sinh học tế bào. Những bước nhảy vọt mà nghiên cứu y học đã đạt được trong 100-150 năm qua, cùng với tất cả những gì tiếp theo, sẽ không thể tưởng tượng được nếu không có kính hiển vi.

Những biên giới mới của công nghệ đã chứng kiến ​​sự kết hợp giữa thông tin do kính hiển vi tạo ra và việc sử dụng trí tuệ nhân tạo. Môn học mới này, được gọi là Học kĩ càng, có khả năng phân tích các hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi và có thể thay đổi hoàn toàn kính hiển vi và mở đường cho những khám phá mới. Nhưng Mats Gustafsson, một trong những cha đẻ của siêu phân giải, đã nhận ra tất cả điều này khi ông nói: “Một khi máy tính được thêm vào giữa kính hiển vi và người quan sát, toàn bộ trò chơi sẽ thay đổi. Tại thời điểm đó, kính hiển vi không còn là thiết bị phải tạo ra hình ảnh có thể hiểu được trực tiếp. Bây giờ nó là một thiết bị để ghi lại thông tin.”

Tại thời điểm này, sẽ là hợp lý nếu đặt câu hỏi có thể tiến xa đến mức nào trong việc điều tra và nghiên cứu kính hiển vi: thế giới vi mô tạo thành một kho thông tin gần như vô tận: vật chất sở hữu các đặc tính cấu trúc, hóa học và vật lý phản ánh dấu ấn được tạo ra bởi các hằng số cơ bản và tính đồng nhất của các định luật vật lý phát sinh trong những khoảnh khắc đầu tiên của Vũ trụ và các biến thể có thể có, hầu hết trong số đó vẫn nằm ngoài tầm hiểu biết của chúng ta, tạo nên sự đa dạng không thể tưởng tượng được của thế giới mà chúng ta quan sát.