Ett vanligt optiskt mikroskop, som bildar en bild med synligt ljus och glaslinser, kan inte visa detaljer som är mindre än cirka 200 nanometer, eller 0,2 mikrometer. En nanometer är en miljarddel av en meter, och en mikrometer är en miljondel av en meter. Gränsen kommer av hur ljus beter sig som en våg, och den är ungefärlig.

Storlek

Gränsen gäller upplösningen: det kortaste avstånd mellan två punkter som ett mikroskop ännu kan visa som åtskilda. Två punkter som ligger närmare varandra än så flyter ihop till en. Gränsen beror inte på förstoringen. Över ungefär 1 000 gångers förstoring gör en ytterligare förstoring bilden större men visar inga fler detaljer.

År 1873 publicerade mikroskopisten Ernst Abbe en ekvation som visade att upplösningen beror på ljusets våglängd. I bästa fall är den ungefär hälften av våglängden. En vanlig form av beräkningen delar våglängden med två gånger den numeriska aperturen, ett tal som mäter hur mycket ljus linsen samlar upp.

De bästa linserna ser genom en droppe olja och når en numerisk apertur på cirka 1,4. Med grönt ljus med våglängden 550 nanometer kan de urskilja detaljer som ligger ungefär 0,2 mikrometer ifrån varandra. Med rött ljus med våglängden 700 nanometer ger samma slags beräkning en grövre gräns, och med violett ljus en finare.

Storleksjämförelser

• En röd blodkropp, cirka 7,5 mikrometer i diameter, är cirka 37 gånger så stor som gränsen, så dess form syns tydligt.
• En partikel av Mimivirus, cirka 750 nanometer i diameter, är nästan fyra gånger så stor som gränsen. Partikeln är tillräckligt stor för att ses med ett ljusmikroskop, vilket är ovanligt för ett virus.
• En HIV-partikel, cirka 145 nanometer i diameter, är mindre än gränsen, så ett ljusmikroskop kan inte visa dess form.
• Cirka 400–500 detaljer av gränsens storlek skulle få plats på bredden av ett människohår, som är 80–100 mikrometer brett.
• Om gränsen förstorades till 1 millimeter, den minsta indelningen på en linjal i metriskt mått, skulle ett människohår vara 40–50 centimeter brett. En HIV-partikel skulle vara cirka 0,7 millimeter i diameter, mindre än en av linjalens indelningar.

Att se en prick utan att se dess form

Gränsen gäller detaljer, inte möjligheten att över huvud taget upptäcka något. En enskild molekyl som lyser kan synas i ett vanligt mikroskop som en ljusfläck, om den ligger längre än 0,2 mikrometer från alla andra lysande molekyler. Fläcken är utsmetad till gränsens storlek, så fläcken visar var molekylen finns men inte hur den ser ut.

Kortare våglängder ger finare detaljer. Mikroskop som använder nära ultraviolett ljus kan urskilja mindre detaljer än de som använder synligt ljus. Elektronmikroskop går mycket längre. Elektronerna som de använder beter sig som vågor med en våglängd på cirka 0,005 nanometer, mycket kortare än ljusets.

Att ta sig förbi gränsen

Under större delen av 1900-talet trodde forskare att optiska mikroskop aldrig kunde visa något mindre än cirka 0,2 mikrometer. Stefan Hell föreslog ett sätt att komma runt gränsen år 1994 och visade att det fungerade år 2000. Hans metod använder en ljuspuls för att få molekyler att lysa och en andra, ringformad laserstråle för att stänga av alla utom dem i en liten fläck.

W. E. Moerner och Eric Betzig utvecklade en annan metod, som slår på bara några få lysande molekyler åt gången och kombinerar många bilder. De tre delade Nobelpriset i kemi 2014 ”för utvecklingen av superupplöst fluorescensmikroskopi”. Enligt Kungliga Vetenskapsakademien, som delar ut priset, innebär deras arbete att ”mikroskopi har blivit nanoskopi”.

Källor

• 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.