Moderne Methoden der Zellbiologie

II: Darstellung kleiner Strukturen    (INHALT)

Auflösung im Mikroskop

Im einfachsten Fall besteht ein Mikroskop aus zwei Linsen: eine Linse nah am Objekt (Objektivlinse) und eine nah am Auge (Okularlinse). Die Objektivlinse erzeugt in der Zwischenbildebene ein reales Bild des Objektes. Dieses Bild wird durch das Okular betrachtet: es entsteht ein virtuelles, vergrößertes Bild des Objektes. Die Vergrößerung eines Mikroskops ist das Produkt der Vergrößerungsfaktoren beider Linsen. Ein 40x Objektiv und ein 10x Okular geben eine 400-fache Vergrößerung.   Als Auflösung bezeichnet man die Fähigkeit, zwei nebeneinander liegende Punkte des Objektes als getrennt wahrzunehmen. Der minimale Abstand zwischen zwei Punkten (do), bei dem das menschlichen Auge bei maximaler Nahakkommodation zwei Punkte noch als getrennt wahrnehmen kann, liegt bei 0.1 mm. Durch die Objektivlinse wird die Auflösung verbessert, näher beieinander liegende Punkte werden unterschieden, do wird kleiner. Der Zusammenhang von do und der Mikroskopoptik wird durch die Abbesche Theorie beschrieben:   do = 0.6 l / n sina.   l = Wellenlänge des Lichtes n = Brechungsindex des Mediums zwischen Objekt und Objektiv a = Winkel zwischen der Mittelachse und den Randstrahlen der Linse Das Produkt n sina ist die numerische Apertur des Objektivs und ist meist auf dem Objektiv eingraviert. Da a nicht größer als 90o werden kann, kann ein Objektiv keine Abstände unter 0.6 l auflösen - das entspricht einer Auflösungsgrenze von 0.3 µm bei Verwendung von weißem Licht. Die Auflösung eines Mikroskops ist also durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. In einem Elektronenmikroskop, bei dem Elektronen mit Wellenlängen um 0.003 - 0.03 nm verwendet werden, ist deshalb die Auflösung besser als beim Lichtmikroskop (l = 400 - 600 nm).

Ein paar Beispiele sollen den Zusammenhang zwischen Brennweite, numerischer Apertur und Auflösung darstellen. Ein Objektiv mit geringer Vergrößerung (langer Brennweite) hat eine geringe numerische Apertur (NA) und eine schlechte Auflösung (links).   Eine Linse mit höherer Vergrößerung hat einen größeren Öffnungswinkel (2a), eine größere numerische Apertur und eine bessere Auflösung (mitte).   Bei einer stark vergrößernden Linse mit geringer Brennweite und großem Öffnungswinkel (rechts) ist die NA sehr hoch, typischerweise ca 0.9 bei einem 40x Objektiv. Durch Verwendung von Immersionsöl, das einen höheren Brechungsindex (n) hat als Luft, kann die NA weiter erhöht und damit die Auflösung verbessert werde.   Nach: Watt, I.M. (1997)