Lichtmikroskop

Vorteile von Lichtmikroskopen gegenüber Elektronenmikroskopen

Neben Lichtmikroskopen gibt es noch die sogenannten Elektronenmikroskope.

Der Vorteil von Lichtmikroskopen gegenüber Elektronenmikroskopen ist, dass lebende Zellen untersucht werden können, ohne sie in irgendeiner Weise zu beeinflussen. Außerdem ist es möglich, durch den Einsatz verschiedener Lichtfarben mehrere Strukturen gleichzeitig zu erkennen.

Nachteil von Lichtmikroskopie: Mit einem Elektronenmikroskop kann eine deutlich höhere Auflösung von etwa 0,1 Nanometer (nm) erreicht werden, mit einem Lichtmikroskop hingegen nur etwa 200 nm.

Lichtmikroskop – Funktion

Bei Lichtmikroskopen und ihren Funktionsweisen kann zunächst in einfache und zusammengesetzte Mikroskope unterschieden werden. Weiterhin gibt es Unterschiede zwischen Durchlicht- und Auflichtmikroskopen. Der dritte wichtige Aspekt ist die Unterscheidung in Hellfeld- und Dunkelfeldmikroskope.

Einfache und zusammengesetzte Lichtmikroskope

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einfachen und zusammengesetzten Lichtmikroskopen. Das einfache Lichtmikroskop besteht aus nur einer Linse. Um eine größtmögliche Vergrößerung zu erlangen, muss dafür die Linse sehr nah ans Auge gebracht werden. Dadurch kann das Objekt nur von der Rückseite beleuchtet werden.

Ein zusammengesetztes Lichtmikroskop kann aus zwei oder mehreren hintereinander gesetzten optischen Systemen bestehen. Beide diese optischen Systeme haben eine eigene Vergrößerung. Ein optisches System kann aus mehreren Linsen bestehen. Dies ist in der Regel auch der Fall. Denn dadurch kann das Blickfeld vergrößert und die Abbildungsfehler weiter verringert werden.

Durchlicht- und Auflichtmikroskope

Zusätzlich unterscheidet man bei Lichtmikroskopen auch von wo das Licht herkommt. Dabei gibt es drei Möglichkeiten: von oben, von unten und von der Seite.

Abbildung 1: Möglichkeiten ein Präparat zu beleuchtenQuelle: wikipedia.org

Am häufigsten wird das Durchlichtmikroskop verwendet. Hierbei kommt das Licht von unterhalb des Präparats und scheint durch diese hindurch (orange Pfeile in der Abbildung). Das Objektiv fängt den Lichtstrahl dann ab. Damit das Licht das Präparat durchdringen kann, muss dieses durchsichtig oder sehr dünn sein.

Die Auflichtmikroskopie hat den Vorteil, dass auch undurchsichtige Präparate verwendet werden können. Bei einem Auflichtmikroskop kommt der Lichtstrahl von oben. Dieser kann entweder durch das Objektiv hindurch strahlen (blaue Pfeile) oder von der Seite her eingestrahlt werden (grüner Pfeil). In beiden Fällen fängt das Objektiv die reflektierenden Strahlen ein. Die Beleuchtung von der Seite auf Höhe des Präparats ist eher unüblich (pinker Pfeil).

Hellfeld- und Dunkelfeldmikroskope

Damit Du überhaupt ein Bild erkennen kannst, muss die zu untersuchende Struktur kontrastreich sein. Dies ist aber bei biologischen Präparaten (z. B. Pflanzenschnitten, Gewebe, Bakterien) selten der Fall. Bei der Hellfeldmikroskopie versucht man Kontrast durch farbige oder dunkle Strukturen im Präparat hervorzurufen. Das heißt, Du siehst dunkle Strukturen auf einem hellen Hintergrund.

Bei der Dunkelfeldmikroskopie ist es genau umgekehrt. Hier werden helle Strukturen des Präparats auf einem dunklen Hintergrund dargestellt. Damit kannst Du fast durchsichtige Objekte, wie einen Blattflusskrebs, beobachten. Es handelt sich dabei immer um Auflichtmikroskope.

Lichtmikroskop – Aufbau

Das wohl typischste Mikroskop, welches Du auch in Deinem Biologieunterricht benutzen wirst, ist das Hellfeld-Durchlichtmikroskop. Das Prinzip dieses Mikroskops wird Dir im folgenden genauer beschrieben.

Grober Aufbau des Lichtmikroskops

Lichtmikroskope besitzen zwei Linsensysteme, eins im Okular und eins im Objektiv. Dein Objekt legst Du unter das Objektiv auf den Objekttisch, der von einer Lichtquelle angestrahlt wird. Dieses Licht fällt dann durch die Linsensysteme und das angestrahlte Objekt wird Dir im Endeffekt vergrößert angezeigt.

Der Aufbau des Lichtmikroskops näher betrachtet

Ganz oben bei einem Lichtmikroskop befindet sich das sogenannte Okular. In diesem liegt ein Linsensystem, heißt, das Okular dient zum Vergrößern eines Objektes/ Präparats. Das Linsensystem besteht an dieser Stelle meist aus zwei aneinandergelegten, gekrümmten Scheiben.

Tubus und die Brennweite

Das Okular sitzt auf dem Tubus, der das Okular mit dem Objektiv verbindet. Dabei handelt es sich im Grunde einfach um ein Rohr, dass die Brennweite des Gerätes erhöht.

Antriebe und Lichtquelle

Das Stativ selbst ist auf einem Mikroskop-Fuß befestigt, der für mehr Stabilität sorgt. Meistens besteht dieser Fuß aus einer vergleichsweise schweren Metallplatte. Um das Mikroskop anzutreiben, werden ein Grobtrieb sowie ein Feintrieb verwendet. Mithilfe der beiden Räder lässt sich der Objekttisch und somit auch die Brennweite verändern. Anders gesagt: Mit dem Grobantrieb und dem Feinantrieb lässt sich das Bild scharf stellen.

Auf dem Mikroskop-Fuß befindet sich außerdem eine Lichtquelle, die den Objekttisch von unten beleuchtet. Dafür kann entweder ein Spiegel verwendet werden oder die Lichtquelle ist elektrisch.

Kondensor und Objektträger

Der Kondensor ist ein weiteres Linsensystem, das dafür sorgt, dass das Licht das Präparat optimal ausleuchtet. Der Kondensor ist am Objekttisch festgemacht. Heißt, wenn sich der Objekttisch bewegt, bewegt sich der Kondensor mit.

Auf dem Objekttisch befindet sich der Objektträger, auf dem das zu untersuchende Objekt (oder Präparat) mit dem Objekthalter fixiert werden kann. Der Objektträger wird dann auf dem Objekttisch befestigt. Der Objekttisch lässt sich hoch- und runterbewegen und somit das Objekt scharf stellen.

Objektiv und Objektrevolver

Über dem Objektträger befindet sich das Objektiv. Dieses erzeugt ein vergrößertes, reelles Zwischenbild des Präparats. Häufig gibt es mehrere Objekte in einem Mikroskop. Um schnell zwischen diesen wechseln zu können, sind sie an einem Objektrevolver montiert. Durch Drehen am Objektrevolver kann zwischen den verschiedenen Objekten gewechselt werden. Meistens liegen die Vergrößerungen zwischen 10x und 100x.

Linsensysteme in einem Lichtmikroskop

Um das Blickfeld zu beleuchten, gibt es in der Lichtmikroskopie zwei Verfahren. In alten oder sehr einfachen Mikroskopen findest Du noch die sogenannte kritische Beleuchtung. Die Köhlersche Beleuchtung hingegen hat sich aber durchgesetzt, und wird Dir hier genauer erläutert.

Eine Köhlersche Beleuchtung ist nur mit einer künstlichen Lichtquelle möglich und kann nicht durch einen Spiegel erzeugt werden.

Ein Lichtmikroskop mit Köhlerscher Beleuchtung verfügt zusätzlich über einen Kollektor und eine Lichtfeldblende. Durch die Feldblende kann die Größe des ausgeleuchteten Feldes bestimmt werden. Durch Bewegen des Kondensors kann das Bild in der Präparatebene scharf gestellt werden.

Strahlengänge in einem Lichtmikroskop

Bei der Köhlerschen Beleuchtung gibt es zwei Strahlengänge, die Du der Abbildung 3 entnehmen kannst: den Beleuchtungsstrahlengang (in der Abbildung oben) und den Abbildungsstrahlengang (in der Abbildung unten).

Abbildung 3: Strahlengänge bei der Köhlerschen BeleuchtungQuelle: wikipedia.org

Beleuchtungsstrahlengang

Der Kollektor projiziert das Bild der Lichtquelle (1) an den Anfang des Kondensors. Dies ist auf der Höhe der Kondensorblende (2). Der Kondensor erfasst das Bild und bildet es in der hinteren Brennebene des Objektivs ab (3). Der Lichtstrahl geht also parallel durch das Präparat hindurch und es entsteht kein Bild von der Lichtquelle.

Das Okular nimmt wiederum das Bild von der hinteren Brennebene des Objektivs auf und bildet es in der Pupille des Betrachters ab (4). Da auf die Netzhaut nur parallele Strahlenbündel treffen, erkennt man keine Abbildung der Strahlungsquelle (D).

Abbildungsstrahlengang

Der Kollektor leuchtet die Öffnung der Leuchtfeldblende gleichmäßig aus (A). Da die Leuchtfeldblende im Strahlengang in der Bildebene liegt, wird diese auf dem Mikroskop-Bild (Präparatebene) scharf abgebildet (B). Das Objektiv nimmt das Licht durchströmte Präparat und die schwarzen Ränder der Leuchtfeldblende auf. Davon wird dann ein reelles Zwischenbild kurz vor dem Okular – der sogenannten Sehfeldblende – erzeugt (C). Das Okular vergrößert dieses Bild. Die Linse im Auge projiziert dieses Bild dann auf unsere Netzhaut (D).

„Köhlern“ eines Mikroskops

Damit die beiden Strahlengänge synchron sind, musst Du Dein Mikroskop vor jedem Benutzen köhlern:

• Stelle Dein Mikroskop so ein, dass Du Dein Präparat scharf erkennst.

• Dann schließt Du die Leuchtfeldblende.

• Stelle den Kondensor so ein, dass Du den Rand der Leuchtfeldblende scharf siehst.

• Falls das Lichtfeld nicht in der Mitte ist, verstelle den Kondensor so, dass das Lichtfeld zentriert ist.

• Öffne nun die Leichtfeldblende so lange, bis der Rand gerade nicht mehr zu sehen ist.

Und das war’s auch schon, viel Spaß beim Mikroskopieren!

Lichtmikroskop – Vergrößerung

Ein Lichtmikroskop kann ein Präparat bis zu 1.500-fach vergrößern. Damit kannst Du einzelne Bestandteile einer einzelnen Zelle erkennen. Strukturen müssen allerdings mindestens 0,2 µm bis 0,3 µm voneinander entfernt sein, um sie als einzelne Punkte erkennen zu können. So kannst Du z. B. Zellorganellen wie Chloroplasten und Mitochondrien erkennen, nicht aber deren einzelnen Bestandteile.

Um herauszufinden, um wie viel Dein Mikroskop das Präparat vergrößern kann, musst Du nur die Objektivvergrößerung mit der Okularvergrößerung multiplizieren.

Gesamtvergrößerung = Objektivvergrößerung x Okularvergrößerung

Die Zelle im Lichtmikroskop

Wie bereits erwähnt, ist die Vergrößerung mithilfe eines Lichtmikroskops nicht unbegrenzt möglich. Je nachdem, was für ein Mikroskop verwendet wird, kann eine Zelle unterschiedlich genau betrachtet werden. Wird ein “normales” Mikroskop verwendet, keins mit STED-Technologie, lassen sich der Zellkern, das Zytoplasma und hauchdünne Linien der Zellmembran erkennen.

Bei Pflanzenzellen lassen sich unter einem Mikroskop zudem noch Chloroplasten sowie große Vakuole und ebenfalls sehr dünne Zellwände erkennen.