Kính hiển vi quang học của Carl Zeiss từ góc độ lịch sử

Lịch sử kính hiển vi

Trong suốt lịch sử, mục đích của kính hiển vi quang học hoặc ánh sáng không phải lúc nào cũng là nghiên cứu và tạo ra những hình ảnh đẹp, chính xác. Trong nhiều thế kỷ, việc chế tạo kính hiển vi và hệ thống quang học làm nền tảng hoàn toàn là một vấn đề về thẩm mỹ bên ngoài, với việc thiết kế các bộ phận quang học tụt hậu nghiêm trọng so với những tiến bộ trong chế tạo thân và khung kính hiển vi. Người ta đã đầu tư nhiều công sức và rắc rối hơn vào hình thức bên ngoài của những dụng cụ ban đầu này, trong khi hiệu suất của chúng phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người mài thấu kính và kết quả (tốt hay xấu) thu được thường hoàn toàn là sự trùng hợp ngẫu nhiên. Trong nhiều trường hợp, kính hiển vi chỉ đơn giản là thú vui hoặc đồ trưng bày nhằm mục đích nâng cao uy tín của người sở hữu. Theo tiêu chuẩn ngày nay, sự phân đôi giữa hình thức và chất lượng của hình ảnh mà các thiết bị này cung cấp là rất đáng chú ý (Hình 1). Tuy nhiên, kính hiển vi đã trở thành thú vui yêu thích của những người giàu có vào thế kỷ 18 và họ đã dành nhiều đêm để quan sát các mẫu vật địa phương, một công việc thường liên quan đến cả gia đình. Ví dụ, Elizabeth Charlotte của Palatinate, người nổi tiếng là chị dâu của Louis XIV, sở hữu một chiếc kính hiển vi có giá trị và sử dụng nó thường xuyên. Cô đã dự đoán chính xác rằng thiết bị này sẽ có giá trị vô giá cho các ứng dụng y tế trong tương lai.

Khi làm việc trong một cửa hàng nơi kính lúp được sử dụng để đếm số sợi vải, Anton van Leeuwenhoek người Hà Lan, người thường được coi là cha đẻ của kính hiển vi, đã tự học cho mình những phương pháp mới để mài và đánh bóng các thấu kính cong nhỏ có khả năng phóng đại lên tới 270 diameters. Ông tiếp tục chế tạo kính hiển vi, mở đường cho nhiều khám phá sinh học đáng chú ý. Leeuwenhoek là người đầu tiên quan sát và mô tả vi khuẩn, sự tuần hoàn của các tiểu thể máu trong mao mạch và tế bào tinh trùng sống, cùng vô số các tế bào khác. mẫu vật độc đáo (vào thời điểm đó). Ở Anh, Robert Hooke tái xác nhận những khám phá của Leeuwenhoek về những sinh vật sống nhỏ trong giọt nước. Ông đã sao chép kính hiển vi ánh sáng của Leeuwenhoek và tiến hành cải tiến thiết kế của nó.

Hooke cũng là một sinh viên đam mê hóa thạch và địa chất. Là người đầu tiên kiểm tra hóa thạch bằng kính hiển vi, ông đã quan sát thấy những điểm tương đồng gần gũi giữa cấu trúc của vỏ hóa thạch và gỗ hóa đá, cũng như gỗ sống và vỏ nhuyễn thể sống. Các cuộc kiểm tra của ông đã chứng minh rằng gỗ chết có thể biến thành đá do tác động của nước giàu khoáng chất hòa tan. Khi nước thấm vào gỗ, dung dịch bão hòa sẽ từ từ lắng đọng các khoáng chất khắp gỗ. Trong cuốn sách Micrographia, xuất bản năm 1665, Hooke kết luận rằng những hóa thạch giống vỏ sò mà ông nghiên cứu thực sự đại diện cho những sinh vật không còn tồn tại trên Trái đất. Hai thế kỷ rưỡi trước Darwin, Hooke nhận ra rằng hồ sơ hóa thạch chứng minh có sự biến đổi giữa các dạng sống trên hành tinh, và các loài đó vừa xuất hiện vừa biến mất trong suốt lịch sử sự sống trên trái đất. Những tiết lộ của ông sẽ tiếp tục thách thức lĩnh vực khoa học tự nhiên.

Một bước đột phá khác vào thế kỷ 18 là phát minh ra hệ thống thấu kính Achromat của Chester Moor Hall. Vào khoảng năm 1733, ông đã chế tạo được vật kính tiêu sắc đầu tiên, bao gồm sự kết hợp giữa kính Crown lồi và kính Flint lõm. Hall đã cố gắng giữ bí mật điều này bằng cách để một loại kính do công ty này sản xuất và loại kia do công ty khác sản xuất. Anh ta không hề biết rằng cả hai công ty đều sử dụng cùng một cửa hàng ống kính và tất nhiên họ nhận ra rằng khách hàng cuối cùng là cùng một người. Phải mất 25 năm nữa John Dollond mới nảy ra ý tưởng và nhận được bằng sáng chế cho “một phương pháp mới chế tạo vật thể kính của kính thiên văn khúc xạ bằng cách kết hợp các môi trường có chất lượng khúc xạ khác nhau”.

Trong thế kỷ 19, các ngành khoa học tự nhiên chính xác đã trải qua một bước phát triển vượt bậc về hoạt động. Trong những năm 1820 và 1830, khoa học ánh sáng và lý thuyết hình ảnh quang học đã được đặt trên một nền tảng vững chắc. Một trong những nhà nghiên cứu thành công nhất trong lĩnh vực này là Joseph von Fraunhofer (1787-1826). Thiên văn học là lĩnh vực hoạt động chính của Fraunhofer, và thành tựu đáng chú ý nhất của ông là mô tả đầu tiên về các vạch tối của quang phổ mặt trời làm điểm tham chiếu cho phép đo chỉ số khúc xạ. Nhưng quan trọng nhất đối với lịch sử kính hiển vi, Fraunhofer cũng đã tinh chế tiêu sắc bằng cách sử dụng các phương pháp sản xuất khoa học và chính xác, tạo ra cái mà ngày nay được gọi là hệ thống tiêu sắc, hệ thống thấu kính quang học được triển khai phổ biến nhất với chức năng hiệu chỉnh quang sai màu và nhằm nâng cao kiến thức cơ bản về sự nhiễu xạ ánh sáng. Các nhà kính hiển vi thời kỳ đầu gặp trở ngại do quang sai quang học, hình ảnh mờ và thiết kế thấu kính kém, cản trở việc quan sát có độ phân giải cao cho đến cuối những năm 1800. Quang sai đã được khắc phục một phần vào giữa Thế kỷ 19 với sự ra đời của vật kính tiêu sắc Lister và Amici giúp giảm quang sai màu và tăng khẩu độ số lên khoảng 0,65 đối với vật kính khô và lên đến 1,25 đối với vật kính ngâm đồng nhất. Cần phải có một nghệ nhân bậc thầy để cải tiến hơn nữa thiết kế ống kính.

Về Carl Zeiss

Trong thời kỳ này (1800s) với vô số tiến bộ kỹ thuật, một thợ cơ khí tên là Carl Zeiss (Hình 2) đã bắt đầu công việc kinh doanh của riêng mình tại thị trấn đại học Jena, Thuringia của Đức, với mục tiêu cung cấp cho các nhà nghiên cứu những dụng cụ chất lượng cao. Từ năm 1846 đến năm 1866, kính hiển vi có chất lượng cao đồng đều được chế tạo tại xưởng của Zeiss theo những quy tắc thủ công rất nghiêm ngặt. Ban đầu, đây là những dụng cụ rất đơn giản được sử dụng làm kính hiển vi phẫu thuật, nhưng vào năm 1857 xưởng Zeiss đã sản xuất ra chiếc kính hiển vi phức hợp chính hãng đầu tiên (được trang bị thị kính và vật kính). Dụng cụ mới được gọi là Stativ 1, kết hợp chức năng thực tế với khả năng tinh chỉnh quang học lành nghề do một người thợ thủ công cung cấp.

Sau gần 20 năm, Zeiss đã tuyển dụng được khoảng 20 nhân viên có trình độ và rất tự hào về việc đã trở thành một doanh nghiệp phát triển mạnh mẽ. Ông biết rằng các thiết bị của mình rất tốt, nhưng ông từ chối chấp nhận phương pháp thử và sai được sử dụng vào thời điểm đó để sản xuất quang học. Zeiss cũng nhận thức được rằng sự cạnh tranh từ các nhà sản xuất kính hiển vi khác cuối cùng sẽ bỏ qua những thành tựu của ông nếu ông không tiếp tục tạo ra những đổi mới. Với mục tiêu cuối cùng là tạo ra các sản phẩm có thể tái sản xuất, Zeiss thừa nhận rằng quy trình sản xuất của ông phải dựa trên các quy tắc chính xác và hướng dẫn nghiêm ngặt.

Để hỗ trợ nỗ lực này, Zeiss đã hợp tác với Tiến sĩ Ernst Abbe (Hình 2), một nhà vật lý và toán học lỗi lạc. Abbe được bổ nhiệm làm giám đốc nghiên cứu của Zeiss Optical Works vào cuối năm 1866. Trong sáu năm tiếp theo, nhóm đã làm việc tích cực để đặt nền tảng khoa học cho việc thiết kế và chế tạo các hệ thống quang học tiên tiến. Năm 1869, họ giới thiệu một thiết bị chiếu sáng mới được thiết kế để cải thiện hiệu suất chiếu sáng của kính hiển vi. Ba năm sau, vào năm 1872, Abbe đã xây dựng lý thuyết sóng về hình ảnh vi mô của mình và xác định cái mà sau này được gọi là Điều kiện Abbe Sine. Vài năm sau, Zeiss đã sản xuất một dòng gồm 17 vật kính khác nhau, bao gồm ba hệ thống nhúng, tất cả đều có chất lượng hình ảnh chưa được biết đến cho đến thời điểm đó. Việc chế tạo kính hiển vi trên cơ sở lý thuyết đúng đắn cuối cùng đã có thể thực hiện được và vẫn còn cho đến ngày nay. Công thức ban đầu để tính độ phân giải có thể có của kính hiển vi:

Resolution_x,y = λ / 2[η • sin(α)](1)

vẫn được sử dụng hơn một thế kỷ sau. Doanh nghiệp Zeiss tiếp tục phát triển vào cuối những năm 1800. Abbe trở thành một đối tác đầu tư lớn của công ty. Trong những năm cuối đời, Abbe trở nên nổi tiếng không kém với tư cách là một nhà cải cách xã hội. Tuy nhiên, Zeiss Optical Works vẫn còn một số vấn đề vì chất lượng kính quang học được sản xuất trong thời kỳ này không đủ để cung cấp độ phân giải lý thuyết do điều kiện sin Abbe quy định. Thủy tinh được sử dụng để chế tạo thấu kính hiển vi không đồng nhất và nó có xu hướng trải qua sự phân tách pha trong quá trình làm mát, dẫn đến chiết suất thay đổi trong toàn bộ thủy tinh, và do đó, sóng ánh sáng truyền qua các thấu kính này bị khúc xạ một cách khó lường. Nói tóm lại, độ phân giải tối ưu không thể đạt được với kính chất lượng kém.

Abbe gặp Otto Schott, một nhà hóa học thủy tinh lần đầu tiên vào năm 1881. Trong vài năm tiếp theo, Abbe và Schott (Hình 3) đã phát triển một số công thức thủy tinh mới và thực hiện các điều chỉnh trong quá trình trộn và ủ để loại bỏ các khuyết tật bên trong và sản xuất thủy tinh cấp quang học. có chiết suất đều. Năm 1884, Schott, Abbe và Zeiss thành lập một công ty mới có tên “Jenaer Glaswerk Schott und Genossen”. Việc tiếp tục thử nghiệm các công thức và kỹ thuật chuẩn bị thủy tinh đã mang lại kết quả rất thành công, và vào năm 1886, họ đã giới thiệu một loại vật kính mới, vật kính tiêu sắc. Vào thời điểm này, có tới 44 loại kính quang học khác nhau đã được sản xuất. Việc tạo ra các vật kính tiêu sắc (có và không có môi trường ngâm) đã loại bỏ quang sai màu, hỗ trợ rất nhiều cho các nhà vi khuẩn học trong việc xác định vi khuẩn truyền nhiễm và đưa khả năng phân giải của kính hiển vi đến giới hạn mà chúng ta biết ngày nay. Tiến bộ đạt được trong việc phát triển các mục tiêu đã dẫn đến những lĩnh vực quan sát rộng lớn hơn bất kỳ điều gì từng đạt được trước đây. Theo thời gian, rõ ràng là cần phải chú ý nhiều hơn đến việc chiếu sáng.

Giáo sư August Köhler (1866-1948; Hình 3) trở thành thành viên ban đầu của đội ngũ nhân viên tại Carl Zeiss ở Jena, và vào năm 1893, ông đã xuất bản những hướng dẫn về một sơ đồ cải tiến để chiếu sáng các mẫu vật kính hiển vi. Köhler đã khéo léo phát minh ra một hệ thống chiếu sáng kính hiển vi có thể sử dụng toàn bộ khả năng phân giải của vật kính Abbe. Hệ thống chiếu sáng Köhler cung cấp hình ảnh được chiếu sáng đồng nhất. Bằng cách kết hợp màng chắn mống mắt trường vào đường truyền chùm tia chiếu sáng của kính hiển vi, ánh sáng lạc được giảm thiểu và một quy trình đơn giản đảm bảo định vị thích hợp của tụ quang để có độ phân giải cao nhất và độ tương phản mong muốn (điều đặc biệt có lợi là màng chắn khẩu độ trong tụ quang cho phép độ tương phản hình ảnh và khả năng phân giải được cân bằng với nhau mà không làm giảm tính nhất quán của độ sáng hình ảnh). Sự đổi mới của Köhler rất quan trọng trong kỹ thuật chụp ảnh vi mô vào thời điểm nó phát triển và từ đó đã trở thành một phương pháp có ý nghĩa quan trọng đối với hầu hết các dạng kính hiển vi quang học. Kiến thức và sự tuân thủ các quy tắc của Köhler cũng như các cài đặt liên quan của kính hiển vi (dù là tự động thông qua máy tính cá nhân và các chức năng cơ giới hay bằng tay) vẫn rất cần thiết cho đến ngày nay.

Đầu thế kỷ 20, các nhà sản xuất kính hiển vi bắt đầu phân tiêu điểm cận thị, cho phép hình ảnh vẫn đúng tiêu cự khi người sử dụng kính hiển vi trao đổi vật kính trên đầu mũi quay. Năm 1924, Zeiss giới thiệu một máy kim loại kiểu LeChatelier với quang học hiệu chỉnh vô cực, nhưng phương pháp hiệu chỉnh này sẽ không được ứng dụng rộng rãi trong 60 năm nữa. Không lâu trước Thế chiến thứ hai, Zeiss đã tạo ra một số kính hiển vi tương phản pha nguyên mẫu dựa trên các nguyên lý quang học tiên tiến của Frits Zernike. Vài năm sau, những chiếc kính hiển vi tương tự đã được sửa đổi để tạo ra tác phẩm điện ảnh tua nhanh thời gian đầu tiên về sự phân chia tế bào được chụp bằng quang học tương phản pha. Kỹ thuật tăng cường độ tương phản này không được công nhận rộng rãi cho đến những năm 1950 và vẫn là một trong những phương pháp được nhiều nhà sinh học tế bào lựa chọn ngày nay.

Nhà vật lý Georges Nomarski đã giới thiệu những cải tiến trong thiết kế lăng kính Wollaston cho một lý thuyết kính hiển vi tạo ra độ tương phản mạnh khác vào năm 1955. Kỹ thuật này thường được gọi là kính hiển vi giao thoa Nomarski hoặc kính hiển vi tương phản giao thoa vi sai (DIC), và cùng với độ tương phản pha, đã cho phép các nhà khoa học khám phá nhiều điểm mới trong sinh học sử dụng tế bào sống hoặc mô không bị nhuộm màu. Robert Hoffman đã giới thiệu một phương pháp khác nhằm tăng độ tương phản trong vật chất sống bằng cách tận dụng độ dốc pha gần màng tế bào. Kỹ thuật này hiện nay được gọi là Độ tương phản điều chế Hoffman và có sẵn dưới dạng thiết bị tùy chọn trên hầu hết các kính hiển vi hiện đại.

Nguồn: https://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/basics/historical.html