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Ratgeber

Mikroskope » Unverzichtbar in Medizin, Laboren, Biologie

Viele Entdeckungen in Medizin und Biologie sowie in zahlreichen anderen Wissenschaften verdanken wir einem genialen optischen Instrument: dem Mikroskop. Lesen Sie hier die wichtigsten Fakten über Lichtmikroskope, ihre Entwicklung, Funktionsweise und Eigenarten. Sie erfahren ausserdem, worauf Sie bei der Anschaffung achten sollten.


Das erste Lichtmikroskop wurde Überlieferungen zufolge zwischen den Jahren 1590 und 1595 in den Niederlanden entwickelt. Zacharias Janssen und sein Vater Hans Martens Janssen, beide Brillenschleifer und Linsenmacher von Beruf, entwarfen eine fernrohrartige Vorrichtung, mit deren Hilfe ein Objekt durch zwei Linsen aus Glas betrachtet werden konnte.

Im Gegensatz zu früher erscheinen heutige Lichtmikroskope hinsichtlich Technik und Aufbau deutlich komplexer. Ein klassisches Durchlichtmikroskop besteht, grob gesagt, aus einem oberen, mittleren und unteren Teil. Oben befindet sich der Tubus. Hierbei handelt es sich um eine schmale Röhre, die mit einem Okular ausgestattet ist, das das Präparat in vergrösserter Darstellung zeigt. Der Tubus endet in einem Objektrevolver mit einem oder mehreren Objektiven, die in der Regel eine 4-, 10- und 40-fache Vergrösserung aufweisen. Geräte, die für die professionelle Mikroskopie bestimmt sind, besitzen durchaus Objektive mit noch stärkerer Vergrösserung.

Ein wesentliches Kriterium beim Kauf von Mikroskopen ist der Verwendungszweck. Ist das Instrument für den Einstieg gedacht und für den Gebrauch von Kindern oder Jugendlichen vorgesehen, genügen in der Regel klassische Licht- beziehungsweise Kinder-Mikroskope mit einem Okular in 10-facher-Vergrösserung und drei Objektiven in 4-, 10- und 40-facher Vergrösserung.

Grundsätzlicher Aufbau des Durchlicht- und Auflichtmikroskops

Jedes Lichtmikroskop besteht im Prinzip aus den gleichen optischen Komponenten, und zwar:

Okular

Gemeint ist damit ein Zylinder mit zwei oder mehr Linsen sowie einer Blendenscheibe am oberen Ende des Tubus. Es vergrössert das vom Objektiv erzeugte Zwischenbild und zeigt es für den Betrachter aufrecht und seitenrichtig. Viele Typen sind austauschbar, gängige Vergrösserungen reichen vom 5- bis zum 20-Fachen, wobei der Faktor 10 am häufigsten anzutreffen ist.

Mikroskope mit nur einem Einblick werden als monokular bezeichnet, sie repräsentieren die traditionelle Form dieses Instruments. Geeignet sind sie für gelegentliches Arbeiten sowie als Einstiegsinstrumente beispielsweise für Anfänger in der Mikroskopie oder Kinder und Jugendliche.

Im professionellen Bereich auf breiter Front durchgesetzt haben sich Mikroskope mit zwei Okularen, so genannte binokulare Modelle. Mit ihnen lässt sich auch längere Zeit arbeiten, da kein Auge mehr zugekniffen werden muss.

Trinokulare Mikroskope wiederum besitzen drei Einblicke, zwei für die Augen des Betrachters, eines als Anschlussmöglichkeit für Aufnahmegeräte wie Digitalkameras.

Objektiv

Das untere Ende eines typischen zusammengesetzten optischen Mikroskops besteht aus einer oder mehreren Objektivlinsen. Sie befinden sich normalerweise in einem eigenen Zylindergehäuse. Moderne Mikroskope für den allgemeinen Gebrauch besitzen drei bis fünf Objektive, eingeschraubt in eine drehbare Halterung, dem Revolverkopf. Mit ihm lässt sich die gewünschte Vergrösserung schnell auswählen.

Mikroskopobjektive werden durch zwei Parameter charakterisiert: Vergrösserung und numerische Apertur. Erstere reicht typischerweise von 5 bis 100, letztere von 0,14 bis 0,7, was jeweils Brennweiten von etwa 40 bis 2 Millimeter entspricht. Objektive mit höheren Vergrösserungen besitzen normalerweise eine höhere numerische Apertur und eine geringere Schärfentiefe im resultierenden Bild. Einige Hochleistungsobjektive erfordern oft angepasste Okulare, um die beste optische Leistung zu erzielen.

Tisch

Der Tisch ist eine Plattform unterhalb der Objektive, auf dem das zu betrachtende Präparat liegt. Durch ein Loch in der Mitte des Tischs kann das Licht zur Beleuchtung durch die Probe ins Objektiv fallen. In der Regel verfügt der Tisch über Metallklammern zum Halten von Objektträgern, rechteckigen Glasplatten mit typischen Abmessungen von 25 mal 75 Millimeter, zwischen denen die Probe eingelegt wird.

Bei Vergrösserungen von mehr als dem Hundertfachen ist es nicht empfehlenswert, einen Objektträger von Hand zu bewegen. Ein mechanischer angetriebener Kreuztisch erlaubt auch winzige Bewegungen des Objektträgers über Steuerknöpfe, die den Objektträger neu positionieren.

Stativ

Die gesamte optische Baugruppe ist traditionell an einem starren Stativ mit robustem Fuss befestigt. Er bietet oft Befestigungspunkte für verschiedene Mikroskopsteuerungen wie Bedienelemente für die Fokussierung, typischerweise ein grosses Rändelrad für den Grobfokus und ein kleines für den Feinfokus. Weitere Merkmale können Lampensteuerungen oder Steuerungen für die Einstellung des Kondensors sein.

Lichtquelle

Im einfachsten Fall wird bei einem Durchlicht-Mikroskop Tages- oder Kunstlicht über einen Spiegel und durch den Objektträger hindurch in das Objektiv gelenkt. Die meisten Mikroskope verfügen statt des Spiegels über eine eigene einstellbare und kontrollierbare Lichtquelle – oft eine Halogenlampe, obwohl die Beleuchtung mit LEDs immer häufiger zum Einsatz kommt. Die so genannte Köhler-Beleuchtung mit ihrem hellen und sehr ausgewogenen Licht wird oft auf teureren Instrumenten angeboten.

Bei Auflicht-Mikroskopen ist die Lichtquelle nicht unter, sondern neben dem Kreuztisch befestigt. Diese Beleuchtungsmethode empfiehlt sich für plastische, nicht durchleuchtbare Objekte.

Kondensor

Mit Kondensor werden Linsenkombinationen bezeichnet, die das Licht der Beleuchtungsquelle von unten auf das zu untersuchende Objekt fokussiert. Üblicherweise verfügt ein Kondensor über Steuerungen für Blenden oder Filter zur Verbesserung und Intensivierung der Beleuchtung. Beleuchtungstechniken wie Dunkelfeld-, Phasenkontrast- und Differentialinterferenzkontrastmikroskopie erfordern zusätzliche optische Komponenten.


Weitere Bauformen optischer Mikroskope

Neben den klassischen Durchlicht- und Auflicht-Mikroskopen haben sich folgende Mikroskoptypen vor allem in professionellen Bereich etabliert:

Digitale Mikroskope

Digitale Mikroskope sind bereits werksseitig mit einer heute mehrheitliche digitalen Mikroskop-Kamera ausgestattet, die Beobachtung eines Objekts erfolgt ausschliesslich am Computerbildschirm oder am integrierten Farbdisplay. Diese Form der Mikroskope lässt sich manchmal auch teilweise oder vollständig über den Rechner steuern. Grösster Vorteil der digitalen Mikroskopie: Sie ermöglicht eine umfassendere Analyse des Mikroskopbildes, beispielsweise das Ausmessen von Abständen oder Flächen sowie im biologischen oder medizinischen Bereich die Quantifizierung einer fluoreszierenden oder histologischen Färbung. Das Arbeiten mit einem Digital-Mikroskop ist zudem sehr viel entspannter, da die Augen keinen engen Kontakt mit dem Instrument haben müssen.

Digital-Mikroskope mit geringer Leistung, so genannte USB-Mikroskope, sind ebenfalls erhältlich. Sie sind im Wesentlichen Webcams mit einer leistungsstarken Makrolinse und verwenden im Allgemeinen keine Durchlichtbeleuchtung. Die Kamera wird in der Regel direkt an den USB-Anschluss eines Computers angeschlossen, so dass die Bilder auf dem Monitor sichtbar sind. Einige Modelle besitzen interne Speichermöglichkeiten auf SD-Cards, Aufnahmen lassen sich dann per USB-Kabel an den Rechner überspielen. USB-Mikroskope bieten relativ geringe Vergrösserungen bis zu etwa dem 200-Fachen. Die Hochleistungsbeleuchtung erfolgt in der Regel durch LEDs oder Halogenlampen.


Stereo-Mikroskope

Bei den Stereomikroskopen handelt es sich um eine optische Mikroskopvariante, die für die Beobachtung einer Probe mit Vergrösserungen bis etwa dem 100-Fachen ausgelegt ist. Das Gerät verwendet zwei getrennte optische Pfade mit zwei Objektiven und zwei Okularen, um leicht unterschiedliche Betrachtungswinkel für das linke und rechte Auge zu ermöglichen. Diese Anordnung erzeugt ein dreidimensionales Bild der zu untersuchenden Probe, wobei die Plastizität bei zunehmendem Vergrösserungsfaktor stark abnimmt.

Stereomikroskope werden häufig zur Oberflächenuntersuchung von Festkörperproben oder für Arbeiten im Nahbereich wie Präparation, Mikrochirurgie, Uhrenherstellung, Leiterplattenherstellung oder -inspektion und von Bruchflächen eingesetzt. Sie sind daher häufig in der Fertigungsindustrie für die Herstellung, Inspektion und Qualitätskontrolle zu finden.


Stereo-Zoom-Mikroskope

Einige Stereomikroskope besitzen statt Linsengruppen mit festem Vergrösserungsfaktor ein Zoom-Objektiv mir zwei parallelen Strahlengängen und häufig 10-fachem Zoom-Faktor.
Damit lässt sich in weiten Bereichen – etwa vom 8- bis zum 80-Fachen – die Probenansicht stufenlos heran- und herauszoomen, ähnlich einem Zoom-Linse an Foto- und Videokameras.
Stereomikroskope eignen sich sehr gut für die Qualitätskontrolle und für Montage- und Reparaturarbeitsplätze etwa in der Elektronik- und Halbleiterindustrie sowie im biologischen Labor- und Forschungsbereich.


Auswahlkriterien für den Kauf

Wie bei jedem „Werkzeug“ kommt es auch bei Mikroskopen auf den gewünschten Verwendungszweck an. Sie benötigen zum Beispiel ein Durchlichtmikroskop mit Vergrösserungsfaktoren bis zum 1000-Fachen, wenn Sie sehr kleine Proben wie Bakterien oder Wasserorganismen im Detail betrachten wollen. Suchen Sie dagegen ein Mikroskop für die Qualitätskontrolle von Leiterplatten, wäre ein Auflichtmikroskop im zwei- oder unteren dreistelligen Vergrösserungsbereich angebracht.

Einige Stunden lang mit einem zusammengekniffenen Auge am Mikroskop zu arbeiten, ist nicht gerade angenehm. Deutlich komfortabler sind binokulare Mikroskope, also Instrumente mit zwei Okularen, durch die man gleichzeitig blickt. Wollen Sie zusätzlich noch die Mikroskopbilder digitalisieren, sind trinokulare Systeme optimal: Sie besitzen ein weiteres Okular für den Anschluss von Kameras. Oder Sie greifen sofort zu einem USB-Mikroskop, das Sie an einen PC anschliessen können. Ansicht und Aufnahme der Bilder sind hier sehr komfortabel gelöst.


FAQ – häufig gestellte Fragen

Was bedeutet der Begriff „Austrittspupille“ bei einem Okular?

In der Optik ist die Austrittspupille eine virtuelle Blende in einem optischen System. Die Grösse und Form dieser Blende ist entscheidend für die Leistung des Instruments, da das Auge des Beobachters nur dann Licht sehen kann, wenn es durch diese winzige Öffnung hindurchtritt. Der Begriff Austrittspupille wird manchmal auch verwendet, um den Durchmesser der virtuellen Blende zu bezeichnen.

Funktionieren digitale Mikroskope auch ohne PC?

Ja, einige Digitalmikroskope mit integriertem Farbdisplay können die Aufnahmen direkt auf MicroSD-Speicherkarte schreiben. Die Übertragung auf den Rechner erfolgt dann später per USB-Kabel. In der Regel sind diese Mikroskope mit einem Akku ausgestattet, lassen sich somit auch ohne externe Stromquelle betreiben, beispielsweise in der Natur.

Mein Mikroskop erzeugt bei höheren Vergrösserungen ein unscharfes oder kontrastarmes Bild. Woran kann das liegen?

Das kann mehrere Gründe haben. Oftmals ist der Kondensor- beziehungsweise die Kondensorblende nicht richtig eingestellt. Eine zu weit geöffnete Blende hat oft eine zu geringe Schärfentiefe oder einen zu geringen Kontrast zur Folge. Auch die Verwendung von Okularen mit zu hoher Vergrösserung kann sich nachteilig auf die Qualität des Bildes auswirken.

Kann ich mein Mikroskop nachträglich mit einer Kamera aufrüsten?

Nicht immer. Viele Mikroskope sind mit einem abnehmbaren Okular ausgestattet, das durch eine Mikroskop-Kamera ersetzt werden kann. Letztere wird dann einfach in den Tubus eingesetzt. Die Möglichkeit besteht aber nicht bei jedem Modell. Beachten Sie hierzu die Angaben des Herstellers.

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