Das Lichtmikroskop wurde bereits in den 1590er-Jahren, vermutlich vom Brillenschleifer Hans Janssen, „erfunden“. Das war natürlich eine sehr vereinfachte Form eines Mikroskops, das nur aus einer einzigen Linse bestand und grundsätzlich eher die Funktion einer starken Lupe einnahm. Aber das Prinzip ist in der heutigen Lichtmikroskopie das Gleiche geblieben.
Lichtmikroskop Definition
Mithilfe eines Lichtmikroskops lassen sich winzige Objekte vergrößert darstellen. Die Vergrößerung wird dabei durch unterschiedliche Linsen umgesetzt. Grundsätzlich kann zwischen Hellfeld- und Dunkelfeldmikroskopie unterschieden werden.
Vorteile von Lichtmikroskopen gegenüber Elektronenmikroskopen
Neben Lichtmikroskopen gibt es noch die sogenannten Elektronenmikroskope.
Elektronenmikroskope arbeiten mit Elektronenstrahlung anstatt mit Lichtstrahlung. Dabei ermöglichen Elektronenmikroskope eine höhere Auflösung als ein Lichtmikroskop, da sie nicht durch die Wellenlänge (des Lichts) begrenzt werden.
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.
Vertiefende Informationen zum Elektronenmikroskop findest Du in einem separaten Artikel bei StudySmarter!
Mit moderner STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion) ist es mittlerweile sogar möglich, mit der Lichtmikroskopie Wellenlängen unter 50 nm abzubilden. Dieses Konzept ermöglicht es, die Beugungsgrenze auszuhebeln und dadurch auch deutlich feinere Strukturen darzustellen.
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.
Diese beiden Aspekte führte dazu, dass schon Mitte des 16. Jahrhunderts, die ersten zusammengesetzten Lichtmikroskope entwickelt wurden. Bei Lichtmikroskopen mit zwei Linsen ergeben sich aber große Abbildungsfehler. Erst Ende des 19. Jahrhunderts konnten diese behoben werden und das zusammengesetzte Lichtmikroskop setzte sich durch.
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.
Dies ist zum Beispiel bei sehr dünnen Pflanzenpräparaten der Fall.
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).
Ein solches Mikroskop wird gerne in der Ökologie verwendet, um kleine Wasserlebewesen zu beobachten.
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.
Meistens haben Okulare eine 10-, 15- oder 20-fache Vergrößerung.
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.
Unter der Brennweite versteht man den Abstand zwischen einer Linse und ihrem Brennpunkt. Angegeben wird sie in Millimetern. Mit der Brennweite kann zudem der Bildausschnitt beeinflusst werden: Je größer die Brennweite, desto kleiner ist der Bildwinkel.
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.
Spiegel werden eher in einfachen Mikroskopen benutzt, komplexere Lichtmikroskope verwenden eher elektrisches Licht.
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.
Das Objekt kann allerdings auch in einer Petrischale auf dem Objekttisch befestigt werden.
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.
Die Köhlersche Beleuchtung ist nach August Köhler benannt, welcher das Verfahren Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte. Ein großer Vorteil der Köhlerschen Beleuchtung ist, dass das Gesichtsfeld gleichmäßig hell ausgeleuchtet wird. Zudem kann man nur einen Teil des zu betrachtenden Objekt ausleuchten lassen und vermeidet so Streulicht.
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
Bei der Abbildung ist noch wichtig zu wissen, dass die Bilder A bis D bei dem Abbildungsstrahlengang die scharfen Bilder sind, beim Beleuchtungsstrahlengang sind es die Bilder 1 und 2.
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
Hast Du ein 20x Objektiv und ein 10x Okular, erhältst Du eine Gesamtvergrößerung von 200x.
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.
Übrigens: Pflanzenzellen haben etwa eine Größe von 50 bis 100 µm und tierische Zellen liegen bei 5 bis 50 µm.
Lichtmikroskop - Das Wichtigste
Mithilfe eines Lichtmikroskops lassen sich winzige Objekte (Präparate) vergrößert darstellen. Die Vergrößerung wird dabei durch unterschiedliche Linsen umgesetzt.
Ein einfaches Lichtmikroskop besteht nur aus einer einzigen Linse. Zusammengesetzte Lichtmikroskope enthalten zwei optische System: das Okular und das Objektiv. Beide optischen Systeme können mehrere Linsen besitzen.
Bei einem Durchlichtmikroskop wird das Präparat von unten angestrahlt. Bei einem Auflichtmikroskop von oben.
Die Hellfeldmikroskopie versucht Kontrast durch farbige oder dunkle Strukturen im Präparat hervorzurufen. Bei der Dunkelfeldmikroskopie werden die hellen Strukturen des Präparats auf einem dunklen Hintergrund dargestellt.
Die wesentlichen Bestandteile eines Mikroskops sind: das Okular, das Objektiv, der Tubus, der Objekttisch, der Kondensor und die Lichtquelle.
Bei der köhlerschen Beleuchtung gibt es zwei parallele Strahlengänge: den Beleuchtungsstrahlengang und den Abbildungsstrahlengang.
Ein Lichtmikroskop kann ein Präparat bis zu 1500-fach vergrößern. Um einzelne Punkte erkennen zu können, dürfen diese nicht weniger als 0,2 µm voneinander entfernt liegen.
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