Microscoop

Achtergrond

Een microscoop is een instrument dat wordt gebruikt om vergrote afbeeldingen van kleine objecten te maken. De meest voorkomende soort microscoop is een optische microscoop, die lenzen gebruikt om beelden van zichtbaar licht te vormen. Elektronenmicroscopen vormen beelden van elektronenbundels. Akoestische microscopen vormen beelden van hoogfrequente geluidsgolven. Tunnelmicroscopen vormen beelden van het vermogen van elektronen om op extreem kleine afstanden door het oppervlak van vaste stoffen te "tunnelen".

Een optische microscoop met een enkele lens staat bekend als een eenvoudige microscoop. Eenvoudige microscopen zijn onder andere vergrootglazen en juweliersloepen. Een optische microscoop met twee lenzen staat bekend als een samengestelde microscoop. De basisonderdelen van een samengestelde microscoop zijn het objectief, dat de lens in de buurt van het monster houdt, en het oculair, dat de lens bij de waarnemer houdt. Een moderne samengestelde microscoop bevat ook een lichtbron (een spiegel om extern licht op te vangen of een gloeilamp om intern licht te geven), een focusmechanisme en een podium (een oppervlak waarop het te onderzoeken object op zijn plaats kan worden gehouden) . Samengestelde microscopen kunnen ook een ingebouwde camera bevatten voor microfotografie.

Oude volkeren merkten op dat objecten die door water werden gezien groter leken. De Romeinse filosoof Seneca uit de eerste eeuw noteerde het feit dat letters die door een glazen bol vol water werden gezien, werden uitvergroot. De vroegste eenvoudige microscopen bestonden uit een druppel water die werd opgevangen in een klein gaatje in een stuk hout of metaal. Tijdens de Renaissance vervingen kleine glazen lenzen het water. Tegen het einde van de zeventiende eeuw bouwde de Nederlandse wetenschapper Antonie van Leeuwenhoek uitstekende eenvoudige microscopen met behulp van zeer kleine, hoogwaardige lenzen die tussen dunne koperen platen waren gemonteerd. Vanwege de uitmuntendheid van zijn microscopen en het feit dat hij de eerste was die microscopische organismen observeerde, wordt Leeuwenhoek vaak ten onrechte gezien als de uitvinder van de microscoop.

De samengestelde microscoop verscheen voor het eerst tussen de jaren 1590 en 1608. De eer voor deze uitvinding wordt vaak toegeschreven aan Hans Janssen, zijn zoon Zacharias Janssen, of Hans Lippershey, die allemaal Nederlandse brillenmakers waren. Vroege samengestelde microscopen bestonden uit paren lenzen in een kleine metalen buis en leken veel op moderne caleidoscopen. Vanwege het probleem van chromatische aberratie (de neiging van een lens om elke lichtkleur op een iets ander punt te focussen, wat leidt tot een wazig beeld) waren deze microscopen inferieur aan goed gemaakte eenvoudige microscopen uit die tijd.

De vroegste schriftelijke verslagen van microscopische waarnemingen werden gemaakt door de Italiaanse wetenschapper Francesco Stelluti in 1625, toen hij tekeningen publiceerde van een bij gezien door een microscoop. De eerste tekeningen van bacteriën werden in 1683 door Leeuwenhoek gemaakt. In de zeventiende en achttiende eeuw werden in Italië tal van mechanische verbeteringen aangebracht aan microscopen, waaronder focusseerapparaten en apparaten om preparaten op hun plaats te houden. In Engeland ontdekte de amateur-opticien Chester Moor Hall in 1733 dat het combineren van twee correct gevormde lenzen van twee verschillende soorten glas chromatische aberratie minimaliseerde. In 1774 gebruikte Benjamin Martin deze techniek in een microscoop. In de negentiende eeuw werden er veel vorderingen gemaakt in de bouw van microscopen en twintigste eeuw. Elektronenmicroscopen werden in de jaren dertig ontwikkeld, akoestische microscopen in de jaren zeventig en tunnelmicroscopen in de jaren tachtig.

Grondstoffen

Een optische microscoop bestaat uit een optisch systeem (het oculair, het objectief en de lenzen erin) en hardwarecomponenten die het optische systeem op zijn plaats houden en het mogelijk maken het af te stellen en scherp te stellen. Een goedkope microscoop heeft misschien een spiegel als lichtbron, maar de meeste professionele microscopen hebben een ingebouwde gloeilamp.

Lenzen zijn gemaakt van optisch glas, een speciaal soort glas dat veel zuiverder en uniformer is dan gewoon glas. De belangrijkste grondstof in optisch glas is siliciumdioxide, dat voor meer dan 99,9% zuiver moet zijn. De exacte optische eigenschappen van het glas worden bepaald door de andere ingrediënten. Deze kunnen booroxide, natriumoxide, kaliumoxide, bariumoxide, zinkoxide en loodoxide omvatten. Lenzen krijgen een antireflectiecoating, meestal van magnesiumfluoride.

Het oculair, het objectief en de meeste hardwarecomponenten zijn gemaakt van staal of staal en zinklegeringen. De microscoop van een kind kan een uitwendig omhulsel van plastic hebben, maar de meeste microscopen hebben een omhulsel van staal.

Als er een spiegel wordt meegeleverd, is deze meestal gemaakt van sterk glas zoals Pyrex (een handelsnaam voor een glas gemaakt van siliciumdioxide, boordioxide en aluminiumoxide). De spiegel heeft een reflecterende coating van aluminium en een beschermende coating van siliciumdioxide.

Als er een gloeilamp is meegeleverd, is deze gemaakt van glas en bevat deze een wolfraamgloeidraad en draden van nikkel en ijzer in een mengsel van argon- en stikstofgassen. De voet van de lamp is gemaakt van aluminium.

Als een camera wordt meegeleverd, bevat lenzen van optisch glas. De body van de camera is gemaakt van staal of andere metalen of van plastic.

Het fabricageproces

Het maken van de hardwarecomponenten

• 1 Metalen hardwarecomponenten worden vervaardigd uit staal of staal en zinklegeringen met behulp van precisiemetaalbewerkingsapparatuur zoals draaibanken en boorpersen.
• 2 Als de externe behuizing van een goedkope microscoop van plastic is, is het meestal een lichte, stijve plastic zoals acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) plastic. ABS-kunststofcomponenten worden gemaakt door spuitgieten. Hierbij wordt de kunststof gesmolten en onder druk in een mal in de vorm van het eindproduct geperst. Het plastic laat men vervolgens afkoelen tot een vaste stof. De mal wordt geopend en het product wordt verwijderd.

Optisch glas maken

• 3 De juiste grondstoffen voor het gewenste type optisch glas worden gemengd in de juiste verhoudingen, samen met afvalglas van hetzelfde type. Dit afvalglas, ook wel glasafval genoemd, werkt als een vloeimiddel. Een flux is een stof die ervoor zorgt dat grondstoffen bij een lagere temperatuur reageren dan zonder.
• 4 Het mengsel wordt in een glasoven verhit totdat het is gesmolten tot een vloeistof. De temperatuur varieert met het type glas dat wordt gemaakt, maar is meestal ongeveer 1400 ° C (2550°F).
• 5 De temperatuur wordt verhoogd tot ongeveer 2800°F (1550°C) om luchtbellen naar de oppervlakte te dwingen. Het wordt dan langzaam afgekoeld en constant geroerd totdat het een temperatuur van ongeveer 1800°F (1000°C) heeft bereikt. Het glas is nu een extreem dikke vloeistof, die in mallen in de vorm van de te maken lenzen wordt gegoten.
• 6 Wanneer het glas is afgekoeld tot ongeveer 600°F (300°C), wordt het opnieuw verwarmd tot ongeveer 1000°F (500°C). Dit proces, dat gloeien wordt genoemd, verwijdert interne spanningen die zich tijdens de eerste afkoelingsperiode vormen en die het glas verzwakken. Het glas laat men vervolgens langzaam afkoelen tot kamertemperatuur. De stukjes glas worden uit de mallen gehaald. Ze staan ​​nu bekend als blanco's.

De lenzen maken

• 7 De plano wordt nu in een bankschroef geplaatst en onder een snel roterende cilindrische frees met een diamantblad gehouden. Deze frees, bekend als een curve-generator, trimt het oppervlak van de plano totdat een nauwkeurige benadering van de gewenste curve is verkregen. De geslepen lens wordt geïnspecteerd en indien nodig opnieuw gesneden. De moeilijkheid van dit proces varieert sterk, afhankelijk van het type glas dat wordt gesneden en de exacte vereiste kromming. Er kunnen meerdere stekken nodig zijn en de tijd die ermee gemoeid is, kan enkele minuten of meer dan een half uur zijn.
• 8 Verschillende uitgesneden plano's worden zodanig op het oppervlak van een gebogen blok geplaatst dat hun gebogen oppervlakken op één lijn liggen alsof ze allemaal deel uitmaken van één bolvormig oppervlak. Hierdoor kunnen veel lenzen tegelijkertijd worden geslepen. Bovenop de lenzen wordt een gietijzeren slijpoppervlak, ook wel gereedschap genoemd, geplaatst. Het lenzenblok draait terwijl het gereedschap er willekeurig bovenop beweegt. Een gestage vloeistofstroom beweegt tussen het gereedschap en de lenzen. Deze vloeistof, bekend als een slurry, bevat water, een schuurmiddel (meestal siliciumcarbide) om het malen te doen, een koelmiddel om oververhitting te voorkomen en een oppervlakte-actief middel om te voorkomen dat het schuurmiddel uit de slurry bezinkt. De lenzen worden na het slijpen gecontroleerd en indien nodig opnieuw geslepen. Het maalproces kan één tot acht uur duren.
• 9 De lenzen worden verplaatst naar een polijstmachine. Dit is vergelijkbaar met de slijpmachine, maar het gereedschap is gemaakt van pek (een dikke, zachte hars afgeleid van teer). Een pitchtool wordt gemaakt door tape rond een gebogen schaal te plaatsen, er hete, vloeibare pek in te gieten en deze weer af te laten koelen tot een vaste stof. Een pitch-tool kan ongeveer 50 keer worden gebruikt voordat het opnieuw moet worden gevormd. Het werkt op dezelfde manier als een slijpgereedschap, maar in plaats van een schuurmiddel bevat de slurry een polijstmiddel (meestal ceriumdioxide). De lenzen worden na het polijsten geïnspecteerd en de procedure wordt indien nodig herhaald. Polijsten kan een half uur tot vijf uur duren. De lenzen zijn gereinigd en klaar om gecoat te worden.
• 10 De lenzen zijn gecoat met magnesiumfluoride. Vervolgens worden ze opnieuw geïnspecteerd, gelabeld met een fabricagedatum en een serienummer, en opgeslagen totdat ze nodig zijn.

De spiegel maken

• 11 Als er een spiegel wordt meegeleverd, is deze gemaakt op een manier die vergelijkbaar is met de manier waarop een lens wordt gemaakt. In tegenstelling tot een lens, is het geslepen, geslepen en gepolijst om vlak te zijn in plaats van gebogen. Vervolgens wordt er een reflecterende coating aangebracht. Aluminium wordt in een vacuüm verwarmd om een ​​damp te produceren. Een negatieve elektrostatische lading wordt aangebracht op het oppervlak van de spiegel, zodat het de positief geladen aluminiumionen aantrekt. Hierdoor kan een dunne, gelijkmatige coating van metaal worden aangebracht. Vervolgens wordt een beschermende coating van siliciumdioxide aangebracht. Net als een lens wordt de spiegel geïnspecteerd, gelabeld en opgeslagen.

De microscoop in elkaar zetten

• 12 De uiteindelijke montage van de microscoop wordt met de hand gedaan. De arbeiders dragen handschoenen, maskers en jassen zodat vuil de lenzen of de interne mechanismen van de microscoop niet beschadigt. Eerst de lenzen worden in de stalen buizen geplaatst, die de behuizing van het oculair en het objectief vormen. Deze buizen worden vervaardigd in standaardafmetingen, waardoor ze kunnen worden geassembleerd tot een microscoop met standaardafmetingen.
• 13 Het focusmechanisme van de meeste microscopen is een tandheugelsysteem. Deze bestaat uit een plat stuk metaal met aan één kant tanden (de tandheugel) en een metalen wiel met tanden (het rondsel), dat de beweging van de tandheugel regelt. De tandheugel richt het objectief zo ​​dat de beweging naar of van het object dat wordt waargenomen kan worden gecontroleerd. In veel microscopen zijn de tandheugel en het rondsel bevestigd aan het podium (de platte metalen plaat waarop het te observeren object rust) en blijft het objectief stationair. Nadat het tandheugelsysteem is geïnstalleerd, worden de knoppen waarmee het wordt bediend, bevestigd.
• 14 De externe body shell van de microscoop is geassembleerd rond het interne focusmechanisme. Het oculair (of twee oculairs, voor een binoculaire microscoop) en het objectief (of een roterende schijf met verschillende objectieven) worden op hun plaats geschroefd. Oculairs en objectieven worden vervaardigd in standaardafmetingen waardoor veel verschillende oculairs en objectieven in elke standaardmicroscoop kunnen worden gebruikt.
• 15 Als de microscoop een spiegel bevat, wordt deze onder de opening in het podium aan het lichaam van de microscoop bevestigd. Als het in plaats daarvan een gloeilamp bevat, kan deze op dezelfde plaats worden bevestigd (om licht door het waargenomen object te laten schijnen) of aan de zijkant van het podium worden geplaatst (om licht op het object te laten schijnen). Sommige professionele microscopen bevatten beide soorten gloeilampen om beide soorten observatie mogelijk te maken. Als de microscoop een camera bevat, is deze aan de bovenkant van het lichaam bevestigd.
• 16 De microscoop wordt getest. Als het goed werkt, worden het oculair en het objectief meestal losgeschroefd voordat ze worden verpakt. De onderdelen van de microscoop zijn veilig verpakt in nauwsluitende compartimenten die zijn bekleed met stof of schuim. Deze compartimenten maken vaak deel uit van een houten of stalen kist. De microscoop wordt vervolgens in een stevige kartonnen container geplaatst en naar de consument verzonden.

Kwaliteitscontrole

Het meest kritische onderdeel van kwaliteitscontrole voor een microscoop is de nauwkeurigheid van de lenzen. Tijdens het snijden en polijsten wordt de maat van de lens gemeten met een schuifmaat. Dit apparaat houdt de lens tussen twee kaken. De ene blijft stationair terwijl de andere voorzichtig op zijn plaats wordt bewogen totdat deze de lens raakt. De afmetingen van de lens worden afgelezen op een schaal die meebeweegt met de beweegbare kaak.

De kromming van de lens wordt gemeten met een sferometer. Dit apparaat ziet eruit als een zakhorloge met drie kleine pinnen die uit de basis steken. De twee buitenste pennen blijven op hun plaats, terwijl de binnenste pen naar binnen of naar buiten kan bewegen. De beweging van deze pin is verbonden met een schaal op de voorkant van de sferometer. De schaal geeft de mate van kromming van de lens weer. Een typische lens mag niet meer dan ongeveer een duizendste inch (25 micrometer) variëren.

Tijdens het polijsten zijn deze tests niet nauwkeurig genoeg om ervoor te zorgen dat de lens het licht goed zal focussen. Er moeten optische tests worden gebruikt. Een typische test, bekend als een autocollimatietest, omvat het schijnen van een nauwkeurige lichtbron door een lens in een donkere kamer. Een diffractierooster (een oppervlak met duizenden microscopische parallelle groeven per inch) wordt geplaatst op het punt waar de lens het licht moet focussen. Door het rooster ontstaat een patroon van lichte en donkere lijnen rond het ware brandpunt. Het wordt vergeleken met het theoretische brandpunt en de lens wordt indien nodig opnieuw gepolijst.

De mechanische onderdelen van de microscoop worden ook getest om er zeker van te zijn dat ze correct werken. Het oculair en het objectief moeten stevig op hun juiste plaats worden geschroefd en moeten perfect gecentreerd zijn om een ​​scherp beeld te vormen. Het focusmechanisme met tandheugel en rondsel is getest om ervoor te zorgen dat het soepel beweegt en dat de afstand tussen het objectief en het podium nauwkeurig wordt gecontroleerd. Roterende schijven met meerdere objectieven worden getest om er zeker van te zijn dat ze soepel draaien en dat elk objectief stevig op zijn plaats blijft tijdens gebruik.

De Toekomst

Amateur-waarnemers kunnen binnenkort misschien microscopen kopen met kleine, ingebouwde videocamera's, waarmee de bewegingen van microscopisch kleine organismen kunnen worden vastgelegd. Computers kunnen worden ingebouwd in de interne controlemechanismen van de microscoop om automatisch scherp te stellen.