Maximale Vergrößerung Mikroskop

In diesem Beitrag erkläre ich euch, warum man mit dem Mikroskop nicht unendlich stark vergrößern kann. Und warum man zum Beispiel keine Viren unter dem Lichtmikroskop sehen kann. Auflösungsvermögen und Auflösungsgrenze“. Was bedeuten diese Begriffe und was bedeuten sie im Zusammenhang mit Mikroskopen – auch das wird hier erkläutert.

 

Was bedeutet „Auflösung“ beim Sehen generell

Wenn man aus großer Entfernung ein leuchtendes Objekt betrachtet, dann kann es so aussehen, als ob es nur ein einzelnes Licht wäre. Geht man näher ran, dann erkennt man, dass es nicht unbedingt so sein muss, sondern mehrere kleine Lichtquellen können auch zu einem einzelnen Punkt verschwimmen. Die Lampen sind in diesem Fall weit entfernt und stehen zu nahe beieinander, um sie als getrennt erkennen zu können. Wäre ihr Abstand größer gewesen, dann hätte man es richtig sehen können.

 

Genau das beschreibt den Sachverhalt „Auflösung“ und „Auflösungsgrenze“. Wenn Details (Punkte) eines betrachteten Objektes sich überlagern, dann verschwimmt das Bild und wird unscharf. Es stellt sich also die Frage:

Wie weit darf der Abstand zwischen zwei Punkten maximal sein, damit wir sie gerade noch als getrennt voneinander wahrnehmen können?

 

Auflösungsvermögen des menschlichen Auges

Wenn wir Dinge deutlich erkennen möchten, dann ist die Voraussetzung dafür, dass wir die Details getrennt voneinander erfassen können. Liegen sie nahe beieinander, dann ist es umso schwerer sie getrennt zu sehen. Eine wichtige Rolle spielt aber auch die Entfernung. Wenn man weiter weg ist, dann wird es schwieriger Feinheiten zu erkennen, obwohl sich deren Entfernung zueinander nicht geändert hat.

Angegeben wird das Auflösungsvermögen mit dem Abstand, den 2 Punkte maximal haben dürfen, damit wir sie als getrennt voneinander erkennen können. Unser Auge zum Beispiel kann maximal einen Abstand von 0,2 Millimeter erfassen. Einige Flöhe haben diese Größe, sie können wir noch einigermaßen erkennen.

Nimmt man die Entfernung dazu, dann verwendet man die Einheit „Bogensekunden“. Das menschliche Augen zum Beispiel hat ein Auflösungsvermögen von 0,5-1 Bogensekunden. Das entspricht ungefähr einem Abstand von 1 Millimeter, den wir auf 3-6 Meter Entfernung scharf sehen können. Geht man weiter weg, dann gilt diese Angabe natürlich nicht mehr.

 

Lichtmikroskop Auflösungsgrenze – maximale Vergrößerung

Eine der am häufigsten gestellten Fragen zur Mikroskopie ist: warum man nicht einfach sehr viele Linsen hintereinander anordnen kann, um eine grundsätzlich unendliche Vergrößerung zu erreichen? Oder warum man keine Viren unter dem Lichtmikroskop sehen kann?

Die Antwort auf die Frage ist: Weil ungefähr ab Vergrößerungsfaktor 1500X das Bild immer verschwommen sein wird.

Die Ursache für dieses Problem ist die sogenannte Lichtbeugung.

Hier im Bild zu sehen, der Effekt der Lichtbeugung, wenn Licht durch eine Austrittstelle gelangt.

Lichtbeugung - Auflösung Mikroskop
Lichtbeugung an der Austrittstelle

Das Bild zeigt eine Taschenlampe, die mit einem intransparenten Blatt Papier abgedeckt wurde. Die einzige Austrittsstelle ist ein winziges Loch, welches ich mit einer Nadel ins Papier gestochen habe.

 

Lichtbeugung – einfach erklärt

Wie man sieht, verläuft das Licht nicht kerzengerade weiter wie ein Laserstrahl, sondern es bildet sich um die Austrittstelle ein Lichtkegel. Normalerweise sieht er aus wie eine Parabel. Das ist der Effekt der Lichtbeugung und dieser wird immer dann ausgelöst, wenn Licht aus einem Hinderniss austritt.

Man stelle sich nun vor, es liegt dort ein mikroskopisch, winzig kleines Objekt mit sehr, sehr feiner Struktur und es wird mit Licht durchleuchtet. Liegen die Austrittsstellen am Objekt weit genug voneinander entfernt, dann ist es für den Betrachter am Lichtmikroskop kein Problem, denn er erkennt die Punkte einzeln und sauber voneinander getrennt. Ist das Objekt jedoch sehr  winzig, dann liegen die Austrittsstellen so nahe beieinander, dass sich die Lichtkegel überlappen. Und immer wenn das passiert, dann verschwimmt das Bild.

Ab einer gewissen Größe (eigentlich Kleinheit) von Objekten ist also eine Grenze erreicht, bei der man einfach nicht mehr verhindern kann, dass sich die Lichtkegel überlappen. Genau dort ist die Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie erreicht. (Wann man Punkte noch erkennen kann und wann nicht, wird übrigens im sogenannten Rayleigh-Kriterium beschrieben.)

Lichtbeugung - Auflösungsvermögen
Lichtbeugung – Auflösungsvermögen

Die Grafik oben zeigt den Unterschied. Ein Objekt (Orange) wird mit Licht durchleuchtet. Im linken Teil überlappen sich die Lichtkegel an der Austrittsstelle nicht, daher könnte man das Objekt scharf sehen – daher steht dort „Bildauflösung OK“. Im rechten Teil sind die Strukturen des Objekts zu fein, so dass sich die Lichtkegel überschneiden (rot eingekreist). Dieses Objekt wäre zu „klein“, bzw. zu feinstrukturig, um es unter einem Lichmikroskop scharf zu sehen.

 

Zusammenhang: Wellenlänge des Lichts und Lichtbeugung

Die Größe eines solchen Kegels am Austrittspunkt ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts, welches zum Beleuchten des Objektes verwendet wird. Licht mit einer hohen Wellenlänge erzeugt einen größeren als Licht mit einer kurzen. Die folgende Abbildung zeigt die Spektralfarben und deren Wellenlängen:

Spektralfarben Frequenzen
Die Frequenzen der Spektralfarben sorgen dafür, dass sich die Brechungswinkel im selben Material unterscheiden

Aus dieser Tabelle kann man die folgende Grafik ableiten:

Zusammenhang - Wellenlänge und Lichtbeugung
Zusammenhang – Wellenlänge und Lichtbeugung

Wie man sieht, sind die Farben Blau/Lila die, mit den kürzesten Wellenlängen. Ernst Abbe hatte einst festgestellt, dass die Auflösungsgrenze des Mikroskops immer bei der halben Wellenlänge des verwendeten Lichts liegt. Demnach kann man ein höheres Auflösungsvermögen aus einem Gerät „herausholen“, wenn man anstatt normales, „weißes“ Licht eines mit dem der Spektralfarben verwendet. Zudem kann man sehen, dass sich das Licht zwar in eine Richtung ausbreitet, aber nicht ganz geradlinig. Jeder, der schon einmal eine Taschenlampe in der Hand hatte, kann das Bestätigen 😉

Aus diesem Grund hatte man früher auch Ultraviolett-Mikroskope gebaut, da UV-Licht die kürzeste Wellenlänge hat. Diese Geräte werden zwar immer noch eingesetzt, aber sie konnten sich jedoch nicht weitläufig durchsetzen, weil sie vom Elektronenmikroskop verdrängt wurden, deren Leistungsfähigkeit deutlich höher liegt. Mit ihnen kann man auch zum Beispiel Viren anschauen.

 

STED-Mikroskopie

Mit der Erfindung von Elektronenmikroskopen, hat man sich zwar Abhilfe geschaffen, so dass man auch von deutlich kleineren Strukturen Bilder machen kann. Die Elektronenmikroskopie hat jedoch einen ganz bedeutenden Nachteil: man kann sie nicht an lebenden Kulturen einsetzen. Somit war es lange Zeit unmöglich biologische Vorgänge am lebenden Objekt zu beobachten. Daher war man weiterhin bestrebt Verfahren zu finden, um Lichtmikroskope zu verbessern. Heutzutage gibt es das STED-Verfahren, mit dem man diese Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie um ein Vielfaches anheben konnte.

Nun ist es zum Beispiel möglich ein Medikament in eine lebende Zellkultur zu geben und die Auswirkungen in den Zellen zu beobachten.

 

Fazit

Der Effekt der Lchtbeugung ist also der Grund, warum man im Lichtmikroskop nicht einfach hunderte von Linsen hintereinander schalten und unendlich weit vergrößern kann. Objekte bestehen aus sehr feinen Strukturen und haben viele Austrittstellen. Sind deren Abstände kleiner, als die halbe Wellenlänge des Lichts, dann kann man schlichtweg keine sinnvollen Bilder mehr erzeugen, bzw. man sieht nur noch unscharfen „Matsch“.