Zwykły mikroskop optyczny, który tworzy obraz za pomocą światła widzialnego i szklanych soczewek, nie pokazuje szczegółów mniejszych niż około 200 nanometrów, czyli 0,2 mikrometra. Nanometr to miliardowa część metra, a mikrometr to milionowa część metra. Ta granica wynika z tego, że światło zachowuje się jak fala, i jest przybliżona.

Rozmiar

Granica dotyczy rozdzielczości, czyli najmniejszej odległości między dwoma punktami, które mikroskop nadal pokazuje jako osobne. Dwa punkty leżące bliżej siebie zlewają się w jeden. Granica nie zależy od powiększenia. Przy powiększeniu powyżej około 1000 razy dalsze powiększanie obrazu czyni go większym, ale nie ujawnia więcej szczegółów.

W 1873 roku mikroskopista Ernst Abbe opublikował równanie, z którego wynika, że rozdzielczość zależy od długości fali światła. W najlepszym przypadku rozdzielczość wynosi około połowy długości fali. Jedna z popularnych postaci tego obliczenia dzieli długość fali przez dwukrotność apertury numerycznej, czyli liczby określającej, ile światła zbiera soczewka.

Najlepsze soczewki pracują przez kroplę oleju i osiągają aperturę numeryczną około 1,4. Przy świetle zielonym o długości fali 550 nanometrów rozróżniają szczegóły oddalone od siebie o około 0,2 mikrometra. Przy świetle czerwonym o długości fali 700 nanometrów to samo obliczenie daje większą granicę, a przy świetle fioletowym mniejszą.

Porównania rozmiarów

• Krwinka czerwona ma około 7,5 mikrometra średnicy, czyli jest około 37 razy większa niż granica, więc jej kształt widać wyraźnie.
• Cząstka Mimivirusa ma około 750 nanometrów średnicy, czyli jest prawie cztery razy szersza niż granica. Jest wystarczająco duża, aby można ją było zobaczyć w mikroskopie świetlnym, a u wirusów zdarza się to rzadko.
• Cząstka HIV ma około 145 nanometrów średnicy, czyli jest mniejsza niż granica, więc mikroskop świetlny nie pokaże jej kształtu.
• Na szerokości ludzkiego włosa, która wynosi 80–100 mikrometrów, zmieściłoby się około 400–500 szczegółów wielkości granicy.
• Gdyby granicę powiększyć do rozmiarów 1 milimetra, czyli najmniejszej działki na linijce metrycznej, ludzki włos miałby 40–50 centymetrów szerokości. Cząstka HIV miałaby około 0,7 milimetra średnicy, czyli byłaby mniejsza niż jedna działka linijki.

Zobaczyć punkt, nie widząc jego kształtu

Granica dotyczy szczegółów, a nie samego wykrycia czegokolwiek. Pojedyncza świecąca cząsteczka może być widoczna w zwykłym mikroskopie jako plamka światła, jeśli leży w odległości większej niż 0,2 mikrometra od każdej innej świecącej cząsteczki. Plamka jest rozmyta do rozmiarów granicy, więc pokazuje, gdzie cząsteczka się znajduje, ale nie to, jak wygląda.

Krótsze fale pozwalają zobaczyć drobniejsze szczegóły. Mikroskopy wykorzystujące światło z zakresu bliskiego ultrafioletu mogą rozróżnić mniejsze szczegóły niż te, które używają światła widzialnego. Mikroskopy elektronowe sięgają znacznie dalej. Elektrony, których używają, zachowują się jak fale o długości około 0,005 nanometra, o wiele krótszej niż długość fali światła.

Jak pokonać granicę

Przez większą część XX wieku naukowcy uważali, że mikroskopy optyczne nigdy nie pokażą niczego mniejszego niż około 0,2 mikrometra. Stefan Hell zaproponował sposób obejścia tej granicy w 1994 roku, a w 2000 roku pokazał, że działa. Jego metoda wykorzystuje jeden impuls światła, który sprawia, że cząsteczki świecą, oraz drugą wiązkę lasera w kształcie pierścienia, która wyłącza wszystkie cząsteczki oprócz tych w maleńkim obszarze.

W. E. Moerner i Eric Betzig opracowali inną metodę, w której włącza się naraz tylko kilka świecących cząsteczek i łączy się wiele obrazów. W 2014 roku cała trójka otrzymała wspólnie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii „za rozwój mikroskopii fluorescencyjnej o superrozdzielczości”. Według słów Szwedzkiej Królewskiej Akademii Nauk, która przyznaje tę nagrodę, ich prace oznaczają, że „mikroskopia stała się nanoskopią”.

Źródła

• How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Resolution. Nikon MicroscopyU.
• Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
• Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
• Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
• Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
• Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
• Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.