Microscopia óptica - apuntes del origen del microscopio optico PDF

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Microscopia óptica ConceptoEl : microscopio óptico es uno de los inventos que ha marcado un antes y un después en la historia de la ciencia, especialmente en el campo de la microbiología. Esencialmente se puede definir como un instrumento que permite observar en un tamaño aumentado elementos que son imperceptibles a simple vista. “La palabra microscopio proviene de la combinación de dos palabras griegas: micrós (pequeño) y scopéo (mirar)” El microscopio es un aparato óptico que incrementa el tamaño de la imagen que se obtiene de una muestra translúcida.

Partes del microscopio

Sistema óptico

   

Ocular: Lente situada cerca del ojo del observador. Amplía la imagen del objetivo. Objetivo: Lente situada cerca de la preparación. Amplía la imagen de ésta. Objetivos secos: no necesitan ninguna sustancia entre ellos y la preparación 4x 10x 20x 40x 60x Objetivos de inmersión: este se utiliza para el objetivo 100x necesita una gota de aceite de cedro entre en el y la muestra

Sistema mecánico     

Soporte: Mantiene la parte óptica. Tiene dos partes: el pie o base y el brazo. Platina: Lugar donde se deposita la preparación. Cabezal: Contiene los sistemas de lentes oculares. Puede ser monocular, binocular, entre otros. Revólver: Contiene los sistemas de lentes objetivos. Permite, al girar, cambiar los objetivos. Tornillos de enfoque: Macrométrico que aproxima el enfoque y micrométrico que consigue el enfoque correcto Sistema de iluminación:

 Condensador: Lente que concentra los rayos luminosos sobre la preparación.  Diafragma: Regula la cantidad de luz que entra en el condensador.  Foco: Dirige los rayos luminosos hacia el condensador.

Historia del microscopio

La historia del microscopio empieza con la invención del microscopio compuesto, es decir, con la idea de combinar más de una lente para observar objetos de forma aumentada. Acorde con esta definición, la historia del microscopio empezaría a finales del siglo XVI, posiblemente con el diseño de Zacharias Janssen. Sin embargo, es importante tener en cuenta que antes de la invención del microscopio ya era común la utilización de lentes de aumento, también conocidas como lupas. Las lupas son también un tipo de microscopio llamado microscopio simple. No obstante, cuando se habla del invento del microscopio se hace generalmente referencia a la idea del microscopio compuesto. El descubrimiento de las lentes de aumento Las primeras lentes de las cuales se tiene conocimiento fueron fabricadas por civilizaciones antiguas. A parte de permitir observar objetos de forma aumentada, estas lentes eran a menudo utilizadas para concentrar los rayos de luz en un punto y poder hacer fuego. Algunas también tenían funciones decorativas.

Principo de funcionamiento de una lente convergente La lente más antigua que se ha conservado es la lente de Nimrud, fabricada en el imperio asirio alrededor del año 750 a. C. También las civilizaciones egipcia, griega y babilónica conocían las propiedades de las lentes. Una de las técnicas que se utilizaba en la antigua Roma era llenar esferas de vidrio con agua. Esto permitía observar objetos de forma aumentada al mirarlos a través de la esfera. Otra técnica parecida se desarrolló en China, donde se utilizaban tubos que se podían rellenar con distintos niveles de agua para obtener distintos aumentos. Aunque el uso de estas primeras lentes estaba extendido, su poder de aumento era muy limitado. Esto hizo que el verdadero desarrollo en el campo de la óptica no empezara hasta finales del siglo XIII, cuando en Italia se empiezan a fabricar las primeras lentes para ser utilizadas como gafas. A partir de esta época, la mejora en las técnicas de fabricación de lentes acaba dando lugar a la invención de instrumentos como el telescopio y el microscopio. La invención del microscopio compuesto No es posible afirmar con absoluta certeza quién fue el verdadero inventor del microscopio. Existen bastantes fuentes que señalan a Zacharias Janssen como legítimo inventor del microscopio compuesto en el año 1590. Sin embargo, otros indicios indican que el verdadero inventor podría haber sido Hans Lippershey.

Zacharias Janssen

Hans Lippershey

También Galileo Galilei presentó su microscopio óptico en 1609 utilizando un diseño basado en la combinación de una lente cóncava junto con una lente convexa. Galileo Galilei llegó a este resultado modificando uno de sus telescopios y quizá sin tener conocimiento del instrumento inventado por Zacharias Janssen. En 1619 Cornelius Drebbel presentó su diseño con dos lentes convexas. Esto hace pensar que también alguno de ellos dos podría haber inventado el microscopio antes que Zacharias Janssen. En cualquiera de los casos parece claro que el microscopio compuesto fue inventado en algún momento entre los años 1590 y 1620. En 1625 Giovanni Faber es la primera persona en referirse a este nuevo invento como microscopio. El microscopio de Zacharias Janssen En 1590 Zacharias Janssen trabajaba junto con su padre, Hans Martens, como fabricante de anteojos. Durante sus trabajos en el taller tuvo en algún momento la idea de conectar dos lentes mediante un tubo. Con este simple montaje Zacharias Janssen se dio cuenta de que podía observar objetos con aumentos significativamente mayores que los que conseguía con una sola lente. Según los documentos de la época el aumento obtenido con este microscopio variaba entre 3x y 9x según cual fuera la distancia entre las lentes.

Reproducción del microscopio de Zacharias Janssen Aunque este tipo de microscopio es muy distinto a los que se usan actualmente, su estructura básica es la misma, con una lente actuando como objetivo y la otra como ocular. Este instrumento demostró que la imagen aumentada con una sola lente puede ser a la vez aumentada con una segunda lente. Aunque ateniéndonos a la definición rigurosa de microscopio se puede entender que las lupas son microscopios simples, se puede considerar que la verdadera historia del microscopio empieza con la invención del microscopio compuesto, es decir, con el invento de Zacharias Janssen en 1590. Las observaciones microscópicas de Robert Hooke

Es posible que ni Zacharias Janssen ni su padre Hans Martens fueran conscientes del potencial científico del microscopio. Uno de los primeros científicos en utilizar el microscopio con fines científicos fue Robert Hooke, quien en 1665 publicó una de sus obras más importantes titulada Micrographia.

Microscopio utilizado por Robert Hooke

Ilustración de un piojo realizada por Robert Hooke El libro Micrographia presentó ilustraciones de las observaciones realizadas por Robert Hooke mediante un microscopio compuesto, incluyendo insectos, plantas, etc. que por primera vez se pudieron ver a gran escala. Una de las aportaciones más importantes de Robert Hooke fue introducir la palabra célula para describir las estructuras que observó en una muestra de corcho. Algunas de las ilustraciones incluidas en Micrographia alcanzaban un aumento de hasta 50x. También es importante destacar que Hooke introdujo la iluminación de las muestras mediante una vela. Esto permitió observar las muestras con mejor claridad y es equivalente al sistema utilizado actualmente mediante un foco y un condensador de luz. El microscopio de Antonie van Leeuwenhoek Antonie van Leeuwenhoek (Delft, 1632-1723) hizo un paso importante en el campo de la microscopía al descubrir una nueva técnica de fabricación de lentes que le permitió alcanzar aumentos de hasta 200x. Antonie van Leeuwenhoek trabajaba inicialmente como comerciante de telas. Su interés por la microscopía empezó con el objetivo de fabricar mejores lentes para analizar la calidad de las telas con las que comerciaba. Retrato de Antonie van Leeuwenhoek Los microscopios construidos por Antonie van Leeuwenhoek eran microscopios simples, es decir, de una sola lente. Su avanzada técnica de fabricación le permitía obtener lentes de gran aumento a la vez que evitaba las aberraciones de la luz que tenían todos los microscopios compuestos del momento. Esto lo permitió observar el mundo a un nivel de aumento inalcanzado hasta el momento. Antonie van Leeuwenhoek mantuvo en secreto sus técnicas de fabricación de lentes, pero no sus descubrimientos. Durante años publicó los resultados de sus observaciones que incluyeron todo tipo de fenómenos microscópicos. Algunas de las observaciones más importantes que documentó incluyen las fibras musculares, distintos tipos de bacterias y los glóbulos rojos de la sangre. Su contribución a la ciencia hizo que todavía hoy se le conozca como el padre de la microbiología.

Las aberraciones de los primeros microscopios Durante sus dos primeros siglos de existencia, los microscopios compuestos estaban severamente limitados por las aberraciones ópticas. Las aberraciones ópticas aparecen debido a características no ideales de las lentes y a la naturaleza de la luz. A efectos prácticos, esto se traducía en una pérdida importante de nitidez en las imágenes observadas y limitó la popularidad del microscopio entre los científicos. Los dos tipos de aberración que tenían un mayor efecto en los primeros microscopios eran la aberración cromática y la aberración esférica.

Aberración cromática: La rayos de luz de distinta longitud de onda (color) convergen en puntos distintos

Aberración esférica: Los rayos incidentes convergen en puntos distintos debido a la curvatura de la lente No fue hasta 1730 que el inventor Chester Moore Hall encontró una combinación de lentes que corregía significativamente la aberración cromática. Chester Moore Hall tenía como objetivo reducir la aberración cromática de los telescopios. Su descubrimiento pudo ser directamente aplicado a otros instrumentos ópticos como los binoculares. Pocos años más tarde fue aplicado al microscopio y se empezaron a construir los primeros objetivos libres de aberración cromática. Un siglo más tarde, alrededor de 1830, Joseph Jackson Lister perfeccionó la idea de Chester Moore Hall para corregir además la aberración esférica. Joseph Jackson Lister demostró que esta aberración podía ser corregida variando la distancia entre lentes. Estas dos aportaciones, separadas con 100 años de diferencia, resultaron en lentes acrómaticas de alta calidad. Gracias a estas lentes fue posible construir microscopios que evitaban las aberraciones ópticas más importantes. Esto contribuyó a cambiar la percepción que se tenía del microscopio y lo

convirtió en un instrumento fiable para la investigación científica, especialmente en el campo de la medicina. A partir de este momento su desarrollo se aceleró hasta resultar en los microscopios que utilizamos en la actualidad. El desarrollo moderno del microscopio

Microscopio con revólver fabricado por Leitz en 1909 (Dr. Timo Mappes) A medida que el microscopio fue ganando popularidad, el número de empresas dedicadas a la fabricación de microscopios fue aumentando. La mayoría de ellas estaban en un principio establecidas en Inglaterra y Alemania, fue allí donde se produjeron las innovaciones más importantes en el campo de los microscopios durante los siglos XVIII y XIX. En 1776 el británico Jeremiah Sisson construyó el primer revólver para microscopios que permitía cambiar el objetivo con el que se observaba la muestra. Este elemento fue introducido en seguida por los fabricantes más importantes de microscopios. Entre ellos destacaron la empresa Leitz, fundada por el empresario Ernst Leitz, que acabaría dando lugar a la empresa hoy en día llamada Leica y que también es conocida por sus cámaras fotográficas. Una de las innovaciones más importantes de Leica fue construir un microscopio binocular en 1913 que igualaba en términos de calidad de imagen los microscopios monoculares del momento. La otra gran empresa fabricante de microscopios, también en Alemania, es conocida como Carl Zeiss AG y fue fundada en 1846 por el óptico Carl Zeiss. La empresa Carl Zeiss fue capaz de revolucionar el campo de la microscopía gracias a los avances de uno de sus investigadores, el físico Ernst Abbe. Ernst Abbe sentó las bases para la teoría de la óptica moderna. Esto permitió sistematizar la construcción de microscopios que hasta el momento habían sido siempre construidos mediante ensayo y error. La teoría de Abbe permitió también mejorar la calidad de los objetivos de inmersión. Otro factor clave de esta época fue la invención de nuevos tipos de vidrio por parte de Otto Schott. Estos nuevos vidrios permitieron fabricar lentes para llevar a la práctica algunos de los conceptos teóricos desarrollados por Ernst Abbe. En 1884, Otto Schott junto con Carl Zeiss, Rodrich Zeiss y Ernst Abbe fundaron la empresa Schott AG para producir lentes de alta calidad que sirvieron para mejorar los microscopios de Carl Zeiss. La teoría de Ernst Abbe permitió que antes de acabar el siglo XIX se alcanzaran los límites de resolución que son físicamente posibles con un microscopio óptico. El desarrollo durante el siglo XX se centró en nuevas técnicas de microscopía basadas en iluminar la muestra con otras técnicas en lugar de con luz visible.

Nuevas formas de microscopía Uno de los descubrimientos más importantes de Ernst Abbe fue demostrar que la resolución del microscopio óptico es proporcional a la longitud de onda de la luz. Gracias a este descubrimiento Ernst Abbe pudo calcular que la mínima distancia que puede distinguirse en un microscopio óptico es aproximadamente 0.25 micrómetros.

Por este motivo si quiere construirse un microscopio capaz de distinguir distancias menores a 0.25 micrómetros es necesario iluminar la muestra con señales de baja longitud de onda (esto incluye rayos UV, rayos X e incluso electrones). En 1904 la empresa Carl Zeiss empezó a comercializar el primer microscopio de rayos ultravioleta capaz de doblar la resolución de los microscopios ópticos. El interés por el microscopio de rayos X empezó después de la segunda guerra mundial. No fue hasta 1951 que los físicos Ellis Coslett y William Nixon pudieron construir un microscopio de este tipo que ofrecía mejor resolución que el microscopio óptico.

Ernst Ruska junto con un microscopio electrónico Sin embargo, el mejor avance en el campo de la microscopía durante el siglo XX fue el microscopio electrónico. En este microscopio la muestra es iluminada con un haz de electrones un lugar de con luz visible. El primer prototipo de microscopio electrónico fue construido en 1931 por el físico Ernst Ruska y el ingeniero eléctrico Max Knoll. Dos años más tarde fueron capaces de construir el primer microscopio electrónico que superaba en resolución al microscopio óptico. Dado que la longitud de onda de un electrón puede llegar a ser 100000 más pequeña que la de la luz, el microscopio electrónico es capaz de alcanzar una resolución increíblemente superior a la del microscopio óptico. Otros desarrollos importantes del siglo XX han estado relacionados con la forma de iluminar la muestra en los microscopios ópticos. Esto ha dado lugar al microscopio de contraste de fases, al microscopio de contraste por interferencia diferencial y al microscopio de fluorescencia.

Precio Uno de los factores más importantes para escoger un microscopio es su precio, dado que en general dispondremos de un presupuesto limitado. Sin duda, los microscopios más baratos serán siempre los monoculares de alguna marca poco conocida. Estos microscopios pueden encontrarse por precios realmente muy bajos. La calidad de este tipo es baja pero suficiente para niños o jóvenes estudiantes que se inician en la microscopía. Si el microscopio es para alguien que quiere iniciarse seriamente en la microscopía, convendría más adquirir un producto más avanzado con mejor calidad óptica y versatilidad. En la gama media de precios podemos encontrar los microscopios binoculares. Utilizar un microscopio binocular es básico para cualquiera que vaya a pasar horas utilizando el microscopio. Además, es recomendable que los objetivos sigan la norma DIN y tengan un mínimo de calidad (objetivos acromáticos). Dentro de este tipo de microscopio hay una gran oferta entre la que podemos encontrar la opción ideal para un usuario aficionado. Algunas de las marcas de esta gama de microscopios son Bresser, Euromex, Motik, Meiji, AmScope o Celestron. Los microscopios más caros, y seguramente de precios inalcanzables para el usuario medio, son los microscopios de alta calidad construidos por marcas alemanas (Zeiss y Leica) o japonesas (Nikon y Olympus). Estos microscopios son los más utilizados en ámbitos profesionales. Su óptica es prácticamente perfecta y ofrecen todo tipos de accesorios y recambios. Aunque estos microscopios son muy caros, son instrumentos que fácilmente pueden durar toda una vida. Por esto no es

inusual encontrar buenas ofertas en el mercado de segunda mano.

.-Resolución Es la capacidad que tiene un sistema óptico de aislar dos puntos que se encuentran muy próximos entre sí, de manera que se puedan ver individualizados uno del otro (14). La riqueza de detalles que puede ser observada al microscopio depende de la habilidad de este para hacer que los puntos del objeto que están muy cercanos aparezcan en la imagen como puntos separados. Mientras más corta sea la distancia entre esos puntos del objeto, más finos serán los detalles. La distancia entre esos dos puntos se conoce como Límite de Resolución, el cual es también referido como el Poder de Resolución y puede ser utilizada como un indicador del rendimiento del microscopio. Esto se puede comparar vagamente con algunos aspectos de la informática, el tamaño del pixel por ejemplo; mientras más pequeño sea el tamaño, mayor será la cantidad de detalles de la imagen digital. Límites de Resolución aproximados de algunos sistemas ópticos: • Ojo humano: 0,2 mm. • Microscopio Fotónico: 0,2 µm. • Microscopio electrónico: 0,2 nm. Tamaños de células, virus, y otras cosas pequeñas La biología es una area muy rica visualmente. Sin embargo muchas de las estructuras y eventos biológicos más interesantes son más pequeños de lo que el ojo humano puede ver sin ayuda. En realidad el ojo humano tiene una resolución de cerca de 100 µm. En el cuadro de abajo note que de todas las estructuras nombradas, solamente la célula vegetal está escasamente dentro de nuestra resolución.

El Microscopio óptico El microscopio óptico tiene un limite resolución de cerca de 200 nm (0.2 µm ). Este limite se debe a la longitud de onda de la luz (0.4-0.7 µm ). Las células observadas bajo el microscopio óptico pueden estar vivas o fijadas y teñidas....