Een gewone optische microscoop, een microscoop die met zichtbaar licht en glazen lenzen een beeld vormt, kan geen details tonen die kleiner zijn dan ongeveer 200 nanometer, oftewel 0,2 micrometer. Een nanometer is een miljardste van een meter en een micrometer is een miljoenste van een meter. Deze grens komt voort uit de manier waarop licht zich als golf gedraagt, en is bij benadering.

Grootte

De grens gaat over het oplossend vermogen: de kortste afstand tussen twee punten die een microscoop nog als gescheiden kan tonen. Twee punten die dichter bij elkaar liggen dan die afstand, vloeien samen tot één vlek. De grens hangt niet af van de vergroting. Boven een vergroting van ongeveer 1.000 keer maakt verder vergroten het beeld groter, maar levert het geen extra details op.

In 1873 publiceerde de microscopist Ernst Abbe een vergelijking waaruit blijkt dat het oplossend vermogen afhangt van de golflengte van het licht. In het beste geval is die afstand ongeveer de helft van de golflengte. Een veelgebruikte vorm van de berekening deelt de golflengte door tweemaal de numerieke apertuur, een getal dat aangeeft hoeveel licht de lens opvangt.

De beste lenzen kijken door een druppel olie en bereiken een numerieke apertuur van ongeveer 1,4. Met groen licht, met een golflengte van 550 nanometer, kunnen ze details onderscheiden die ongeveer 0,2 micrometer uit elkaar liggen. Met rood licht, 700 nanometer lang, geeft dezelfde soort berekening een grovere grens, en met violet licht een fijnere.

Groottevergelijkingen

• Een rode bloedcel, ongeveer 7,5 micrometer breed, is ongeveer 37 keer de grens, dus de vorm is duidelijk te zien.
• Een Mimivirus-deeltje, ongeveer 750 nanometer breed, is bijna vier keer de grens. Het is groot genoeg om met een lichtmicroscoop te zien, wat bij een virus zeldzaam is.
• Een HIV-deeltje, ongeveer 145 nanometer breed, is kleiner dan de grens, dus een lichtmicroscoop kan de vorm ervan niet tonen.
• Ongeveer 400–500 details ter grootte van de grens zouden naast elkaar over de breedte van een mensenhaar passen, dat 80–100 micrometer breed is.
• Als de grens werd vergroot tot 1 millimeter, het kleinste streepje op een metrische liniaal, zou een mensenhaar 40–50 centimeter breed zijn. Een HIV-deeltje zou ongeveer 0,7 millimeter breed zijn, kleiner dan een van de streepjes van de liniaal.

Een stip zien zonder de vorm te zien

De grens gaat over details, niet over de vraag of je iets überhaupt kunt waarnemen. Een enkel molecuul dat oplicht, kan in een gewone microscoop als een lichtvlek zichtbaar zijn, als het meer dan 0,2 micrometer van elk ander oplichtend molecuul verwijderd is. De vlek is uitgesmeerd tot de grootte van de grens, dus de vlek laat zien waar het molecuul is, maar niet hoe het eruitziet.

Kortere golflengten geven fijnere details. Microscopen die nabij-ultraviolet licht gebruiken, kunnen kleinere details onderscheiden dan microscopen met zichtbaar licht. Elektronenmicroscopen gaan veel verder. De elektronen die ze gebruiken, gedragen zich als golven met een golflengte van ongeveer 0,005 nanometer, veel korter dan die van licht.

Voorbij de grens

Het grootste deel van de 20e eeuw geloofden wetenschappers dat optische microscopen nooit iets kleiners dan ongeveer 0,2 micrometer zouden kunnen tonen. Stefan Hell stelde in 1994 een manier voor om de grens te omzeilen en liet in 2000 zien dat die werkt. Zijn methode gebruikt één lichtpuls om moleculen te laten oplichten en een tweede, ringvormige laserstraal om alle moleculen uit te schakelen behalve die in een piepklein plekje.

W. E. Moerner en Eric Betzig ontwikkelden een andere methode, die telkens maar een paar oplichtende moleculen aanzet en veel beelden combineert. De drie deelden in 2014 de Nobelprijs voor de Scheikunde “voor de ontwikkeling van fluorescentiemicroscopie met superresolutie”. In de woorden van de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, die de prijs toekent, betekent hun werk dat “microscopie nanoscopie is geworden”.

Bronnen

• 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.