Laserowy mikroskop
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (3/2015):
Zrób to sam
Sądzę, że mikroskop zajmuje bardzo ważne miejsce w życiu każdego biologa. Pozwolę sobie nawet stwierdzić, że jest to miejsce szczególne. Uważam tak nie tylko dlatego, że jest to narzędzie bardzo przydatne w pracy naukowca czy nauczyciela. Mikroskop jest swego rodzaju symbolem naukowego zaciekawienia tajemnicami natury, co jest początkiem ich zrozumienia. Możliwość wejrzenia w mikroświat fascynowała nie tylko ludzi nauki, ale także artystów. W 1858 pochodzący ze Szkocji pisarz Fitz James O'Brien napisał słynne opowiadanie „Diamentowa soczewka” [1], zaś prawie 40 lat później tworzący w duchu impresjonizmu hiszpański malarz Joaquín Sorolla y Bastida namalował „Portret doktora Simarro przy mikroskopie”.
Nie jest łatwo wskazać wynalazcę mikroskopu. Niektórzy wskazują tutaj na pewne zasługi Rogera Bacona [2], trzynastowiecznego filozofa franciszkańskiego, lecz nie zostało to potwierdzone. Bardziej powszechnie przyjmuje się, że pierwsze mikroskopy optyczne zostały zbudowane około roku 1590 przez Holendrów: Hansa Janssena i jego syna, Zachariasza. Wysoka cena i niewielkie możliwości tych konstrukcji nie pozwoliły jednak na ich szersze wykorzystanie. Do kolejnego przełomu doprowadził w XVII wieku kupiec Antoni van Leeuwenhoek, który udoskonalił mikroskop i wdrożył jego produkcję na szerszą skalę. Wśród jego dokonań jako przyrodnika należy wspomnieć o tym, że dokonał obserwacji krwinek czerwonych, plemników, struktury mięśni i kości, a także bakterii i orzęsków [3].
Od tamtej pory dalece udoskonalono mikroskopy optyczne, co stało się przyczyną wielu odkryć, nie tylko na polu biologii – inne dziedziny także zawdzięczają bardzo wiele tym przyrządom. Mikroskopia sama w sobie rozrosła się do potężnej dziedziny wiedzy. Dziś, oprócz mikroskopów optycznych (w tym fluorescencyjnych, polaryzacyjnych, kontrastowo-fazowych, konfokalnych itp.) rozróżniamy także mikroskopy elektronowe, akustyczne, sił atomowych i inne.
Nie każda szkoła może pozwolić sobie na zakup nawet prostych mikroskopów i pozostałego sprzętu potrzebnego przy korzystaniu z nich. Dlatego chciałbym zaprezentować sposób, w jaki można bardzo małym kosztem zbudować układ do obserwacji mikroorganizmów. Opis ten może być przydatny nie tylko uczniom, nauczycielom, ale także wszelkim pasjonatom.
Budowa
Mikroskop optyczny składa się z kilku podstawowych elementów. Są to między innymi oświetlacz, kondensor, stolik, na którym umieszcza się obserwowany preparat, obiektyw, tubus i okular [4]. Da się jednak prościej!
Do zbudowania prostego, laserowego mikroskopu nie jest konieczne posiadanie drogiego czy trudnego do zdobycia sprzętu. Wystarczą do tego:
- strzykawka o objętości 2-5ml,
- igła do zastrzyków,
- laser półprzewodnikowy,
- statyw, łapy laboratoryjne,
- ekran.
Igłę do zastrzyków należy stępić poprzez zeszlifowanie jej ostrej końcówki za pomocą pilnika do metalu lub kamienia szlifierskiego.
Najtrudniejszy do zdobycia wydaje się być laser. Rzeczywistość okazuje się być jednak dla nas łaskawa, ponieważ w tej roli całkowicie wystarczający będzie wskaźnik laserowy [Fot.1]. Nie należy jednak wykorzystywać wskaźników dających światło czerwone, ponieważ długość fali takiego światła jest zbyt duża i uzyskany obraz jest niezbyt wyraźny. Dodatkowo, czułość ludzkiego oka na barwę czerwoną jest stosunkowo niewielka. Z tych powodów w doświadczeniu zastosowano wskaźnik o świetle zielonym (λ=532nm) i mocy promieniowania mniejszej niż 10mW.
Przestrzegam przed bezpośrednim kierowaniem światła laserowego w oczy – może to spowodować uszkodzenie wzroku!
Statyw czy łapy laboratoryjne są przydatne do umocowania wszystkich elementów, ale nie są niezbędne. Każdy stabilny sposób zamocowania elementów składowych spełni swoje zadanie. Jako ekran można zastosować ekran do przezroczy, białą tablicę, ścianę, czy choćby rozwieszone prześcieradło.
Wodę zawierającą mikroorganizmy można pozyskać z nasłonecznionego stawu lub z standardowej hodowli pantofelka Paramecium caudatum lub innego mikroorganizmu. Można też zastosować wodę z wazonu, w której przez przynajmniej kilka dni stały kwiaty.
Wszystkie elementy należy zestawić według schematu (Rys.1).
Igła jest osadzona w strzykawce napełnionej wodą, w której są obecne interesujące nas mikroorganizmy.
W opisywanym mikroskopie rolę soczewki pełni kropla wody. Zwisa ona z końcówki zeszlifowanej igły do zastrzyków i zawiera mikroorganizmy, które zamierzamy obserwować. Promień światła laserowego skierowany na kroplę ulega załamaniu na niej i tworzy obraz na ekranie. Gotowy zestaw przedstawia też Fot.2.
Kropla powinna mieć kilka milimetrów średnicy. Jej wielkość można regulować operując tłoczkiem strzykawki. Ważna jest stabilność układu – w razie nawet najmniejszych wstrząsów kropla spadnie i będzie konieczne uformowanie kolejnej.
Obserwacje
Powiększenie zależy od odległości kropli od ekranu: im jest ona większa, tym większy obraz i powiększenie. Przy wzroście powiększenia spada jednak jasność obrazu. Przy odległości zbliżonej do 2 m obraz jest dosyć duży (w przypadku moich doświadczeń było to 0,5-1,0 m średnicy), przydatne wtedy bywa jednak zaciemnienie pomieszczenia.
Z łatwością można zauważyć wówczas podłużne komórki glonów (Fot.3A), należące do orzęsków pantofelki Paramecium caudatum (Fot.3B) i małżynki Stylonychia, a także inne mikroorganizmy.
Pantofelki stanowią bardzo wdzięczny obiekt do obserwacji, ponieważ bywają one bardzo ruchliwe. Na Fot.4 przedstawiona jest sekwencja ukazująca szybki ruch (kolejne obrazy dzieli czas rzędu 0,1s) kilku tych orzęsków na tle komórek glonów.
Uzyskane efekty nie są oczywiście idealne. Widoczne są prążki interferencyjne zakłócające obraz. Zwykły szkolny mikroskop optyczny oferuje lepszą jakość obrazu. Na Fot.5 i 6 przedstawiono zdjęcia wykonane za pomocą prostego mikroskopu świetlnego wyposażonego w odpowiednio przystosowaną tanią kamerę internetową. Jasno widać, że nawet tak proste rozwiązania zapewniają dobre odwzorowanie dosyć subtelnych szczegółów, przynajmniej jak na potrzeby nauczania biologii w szkołach.
Znikomy koszt i duży aspekt dydaktyczny predestynują jednak opisany laserowy układ do wykorzystania w szkolnych pracowniach biologii lub przyrody. Dodatkowo, uzyskany obraz jest bardzo plastyczny. W przeciwieństwie do zwykłego mikroskopu optycznego, gdzie obserwowane mikroorganizmy poruszają się właściwie tylko w bardzo ograniczonej przestrzeni między szkiełkiem podstawowym, a nakrywkowym (więc praktycznie tylko w dwóch wymiarach), przedstawiony układ umożliwia obserwację ich ruchu w przestrzeni trójwymiarowej.
Dobre wyniki można też uzyskać stosując laser niebieski, ponieważ długość fali jego światła jest mniejsza, dzięki czemu obraz jest wyraźniejszy.
Literatura:
- [1] O’Brien J. F., Diamentowa soczewka, w antologii: Gunn J., Droga do science-fiction, Tom 1, Signet, 1979; wyd. pol. Alfa, 1985 powrót
- [2] Godwin W., Lives of the necromancers: or, An account of the most eminent persons in successive ages, who have claimed for themselves, or to whom has been imputed by others, the exercise of magical power, London, F. J. Mason, 1876 powrót
- [3] Różniatowski T., Mała encyklopedia medycyny, Tom 2, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1988, str. 588 powrót
- [4] Kurczyńska E. U., Borowska-Wykręt D., Mikroskopia świetlna w badaniach komórki roślinnej - ćwiczenia, PWN, Warszawa, 2007 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Uzupełnienie autora
Statyczne obrazy nie są w stanie oddać wrażenia, jakie sprawia uzyskany w ten sposób obraz. Z tego powodu przygotowałem też film, który można zobaczyć poniżej.
Drugi film prezentuje analogiczną procedurę z wykorzystaniem wskaźnika laserowego o świetle niebieskim.
Marek Ples