Microscope

Définition

Un microscope est un instrument utilisé pour voir des objets trop petits à l'oeil nu, microscopiques. Divers types de microscopes existent : simple, optique, électronique, etc. Ces instruments optiques sont utilisés pour la recherche médicale, biologique et médico-légale et sur les matériaux.

Deux modèles de microscopes optiques :

Les microscopes optiques, dont un modèle de microscope biologique binoculaire de la marque Bresser, sont les plus simples d'utilisation et également les seuls à être abordable pour le particulier. Les grossissements vont de x10 à x100.

Explications

Le microscope est un instrument qui permet d'observer des objets trop petits, microscopiques, pour être observés à l'oeil nu. Le type le plus commun et le premier qui a été inventé est le microscope optique. C'est un instrument optique qui contient deux lentilles ou plus qui permettent d'obtenir une image agrandie de l'objet et qui fonctionne par réfraction. La science qui étudie les petits objets à l'aide de cet instrument s'appelle la microscopie.

Histoire

Le microscope a été inventé par Zacharias Janssen en 1590. En 1665, il apparaît dans le travail de William Harvey sur la circulation sanguine en regardant sous le microscope des capillaires sanguins, et Robert Hooke a publié son travail dans la revue Micrographia.

Un ancien microscope oculaire de 1751 :

Ce microscope composite, fabriqué vers 1751 par Magny, provient du laboratoire du Duc de Chaulnes et appartient au Musée des Arts et Métiers de Paris.

En 1665, Robert Hooke observa au microscope une fine coupe de liège et remarqua que le matériau était poreux; dans l'ensemble, ils formaient des cavités peu profondes comme des petites cellules. C'était la première observation de cellules mortes. Quelques années plus tard, Marcello Malpighi, anatomiste et biologiste italien, a observé des cellules vivantes. Il a été le premier à étudier des tissus vivants sous un microscope.

Au milieu du 17^ème siècle, un Hollandais, Anton van Leeuwenhoek, utilisant des microscopes simples de sa propre fabrication, a d'abord décrit des protozoaires, des bactéries, des spermatozoïdes et des globules rouges. Le microscopiste Leeuwenhoek, sans aucune préparation scientifique, peut être considéré comme le fondateur de la bactériologie. Il sculpte lui-même ses loupes sur de petites sphères de verre dont le diamètre n'atteint pas le millimètre (son champ de vision est très limité, dixièmes de millimètres). Avec ces petites focales, il a atteint 275 grossissements. Il a observé les globules sanguins, les bactéries et les protozoaires; Il a examiné les globules rouges pour la première fois et a découvert que le sperme contient des flagelles. Au cours de sa vie il n'a pas révélé ses méthodes secrètes et à sa mort, en 1723, 26 de ses appareils ont été cédés à la Royal Society of London.

Au cours du 18^ème siècle, les progrès se poursuivirent et les objectifs achromatiques furent atteints par l'association de Chris Neros et Flint Crown obtenue en 1740 par H.M. Hall et améliorée par John Dollond. De cette période sont les études menées par Isaac Newton et Leonhard Euler. Au 19^ème siècle, quand on a découvert que la dispersion et la réfraction pouvaient être modifiées avec des combinaisons appropriées de deux ou plusieurs milieux optiques, d'excellents objectifs achromatiques ont été lancés sur le marché.

Au cours du 18^ème siècle, le microscope avait plusieurs progrès mécaniques qui ont augmenté sa stabilité et sa facilité d'utilisation, bien que les améliorations optiques n'ont pas été développées pour le moment. Les améliorations les plus importantes de l'optique sont survenues en 1877, lorsque Ernst Abbe publia sa théorie du microscope et, au nom de Carl Zeiss, améliora la microscopie à immersion en substituant l'eau à l'huile de cèdre, ce qui permet d'obtenir des augmentations de 2000. à partir des années 1930, la limite théorique pour les microscopes optiques avait été atteinte, n'atteignant pas ces augmentations supérieures à 500X ou 1 000X. Cependant, il y avait un désir scientifique d'observer les détails des structures cellulaires (noyau, mitochondrie, etc.).

Le microscope électronique à transmission (TEM) était le premier type de microscope électronique développé en utilisant un faisceau d'électrons au lieu de la lumière pour concentrer l'échantillon, obtenant des augmentations de 100 000X. Il a été développé par Max Knoll et Ernst Ruska en Allemagne en 1931. Par la suite, en 1942, le microscope électronique à balayage a été développé.

Types

Les microscopes peuvent être séparés en plusieurs classes différentes. Un regroupement est basé sur ce qui interagit avec l'échantillon pour générer l'image, c'est-à-dire la lumière ou les photons (microscopes optiques), les électrons (microscopes électroniques) ou une sonde (microscopes à sonde à balayage). Alternativement, les microscopes peuvent être classés selon qu'ils analysent l'échantillon via un point de balayage (microscopes optiques confocaux, microscopes électroniques à balayage et microscopes à sonde à balayage) ou analysent l'échantillon à la fois (microscope optique à grand champ et microscopes électroniques à transmission).

Quelques grands types de microscopes :

• Microscopes optiques :Le microscope optique utilise la lumière visible pour l'image. Les objets sont vus avec une lumière frappante (avec un stéréomicroscope avec deux oculaires et deux objectifs) ou avec la lumière transmise (avec un microscope "normal" avec un ou deux oculaires et un objectif). Les oculaires et les lentilles sont interchangeables pour d'autres grossissements.

  D'autres parties du spectre lumineux peuvent également être utilisées, comme la lumière ultraviolette (UV), mais ceci est moins courant car techniquement plus difficile à réaliser. Pour les rayons X ou les rayons gamma, le problème est encore plus extrême, car il est difficile ou impossible de focaliser ces ondes.

  Pour les ondes plus longues, telles que les infrarouges (IR), les micro-ondes et les ondes radio, il existe également de plus en plus de restrictions. Le problème, c'est la résolution. Pour de plus grandes longueurs d'onde, la résolution devient de plus en plus petite. Avec cela, le pouvoir est perdu pour rendre les petits objets visibles. Deux types courants de microscope optique sont :

  • Microscope biologique "ordinaire" :Le microscope biologique peut être monoculaire ou binoculaire. Le microscope biologique est utilisé pour visualiser des objets avec une lumière transmise et avec des grossissements compris entre environ 10x et environ 1 000x. La limite pour les microscopes optiques est d'environ 2000x; des agrandissements plus forts sont possibles, mais ne montrent pas plus de détails. La lumière visible a une longueur d'onde comprise entre 380 et 780 nm. Les détails qui sont plus petits ne sont pas visibles. Ces microscopes sont principalement utilisés en médecine et en biologie, pour observer les micro-organismes, les cellules et les tissus. Les microscopes biologiques ont souvent deux oculaires, de sorte que l'on peut regarder les deux yeux ("binoculaire") en même temps. On voit la profondeur, quand le microscope est conçu de telle sorte qu'avec les deux yeux, la même lentille est vue sous différents angles. Si les deux yeux regardent à travers la lentille sous le même angle, aucune profondeur n'est visible.

    Les variantes sont le microscope à contraste de phase, le microscope à polarisation, le microscope à fluorescence. le microscope laser et le microscope à fond noir, qui sont souvent vendus en tant qu'options pour les meilleures marques (lire : plus cher). Parce que ce microscope est principalement fait de lumière transmise, l'échantillon à examiner doit être très mince. Souvent, il doit également être coloré, de sorte que les détails deviennent visibles qui autrement ne peuvent pas être observés. Lors de l'étude des préparations botaniques, telles que les mousses, les champignons, les moisissures et les lichens, ce type de microscope est un outil idéal, même pour les amateurs. Les préparations peuvent souvent être coupées à la main et les colorations sont relativement faciles à réaliser. Pour les amateurs, qui ne sont pas facilement en mesure d'effectuer les opérations souvent longues et intensives nécessaires à la préparation d'un animal, ce type de microscope est moins adapté. Pour réaliser une préparation microscopique à partir d'un morceau de tissu retiré lors d'une opération, il doit être fixé, déshydraté, imbibé de paraffine, encastré, coupé avec un microtome, placé sur une lame, déparaffiné et coloré, pour lequel d'innombrables étapes et coûteux dispositifs (microtome) sont nécessaires.

  • Stéréomicroscope : le deuxième type, le stéréomicroscope ou miscroscope binoculaire avec vision binoculaire, est généralement utilisé avec une lumière frappante et avec des grossissements compris entre 10x et 100x. Ainsi, une image stéréoscopique est obtenue, car les deux yeux regardent à travers des oculaires et des lentilles séparés, de sorte que la profondeur peut être observée. Cette espèce est idéale pour étudier les plantes, les insectes, les pierres précieuses, les fossiles, les minéraux, la micromécanique et l'électronique. Il est largement utilisé par, entre autres, les taxonomistes, les horlogers et les ingénieurs en électronique.
  • Microscopes confocaux et haute résolution : ces microscopes optiques ne sont pas utilisés pour la lumière ordinaire mais plutôt pour prendre des photos fluorescentes. Pour cela, les échantillons (cellules, tissus...) doivent d'abord être marqués par fluorescence. Habituellement, les anticorps sont utilisés contre une molécule dans laquelle on s'intéresse (protéine, ADN...). Ensuite, une photographie fluorescente peut être obtenue à l'aide d'une source de lumière monochromatique (lampe Hg ou laser). La microscopie confocale et haute résolution améliore la résolution qui peut être obtenue avec un microscope normal d'une manière différente. En microscopie confocale, nous parlons d'une résolution d'environ 250 nm, et la microscopie à haute résolution fonctionne mieux ici avec 20 à 100 nm selon la technique utilisée.
• Microscopes à ondes : d'autres ondes pouvant être focalisées peuvent également être utilisées pour la microscopie. Les exemples sont : les microscopes électroniques (ondes de matière) et les microscopes acoustiques (ondes sonores). Dans le premier cas, la nature double de toute la matière est utilisée : les ondes et les particules sont, selon la mécanique quantique, deux manifestations d'une seule et même chose. Avec une particule de masse m se déplaçant à une vitesse v, une longueur d'onde λ = h/(mv) est connexe, dans laquelle h est la constante de Planck.
• Microscopes à balayage : en plus de l'utilisation d'ondes focalisables, une nouvelle famille de microscopes est apparue depuis les années 1990, basée sur un principe différent, à savoir le balayage électronique. Ils doivent tous leur existence aux propriétés des matériaux piézoélectriques. Ces matériaux se déforment d'une manière bien prévisible lorsqu'ils sont exposés à une tension électrique. Cela permet d'effectuer des mouvements extrêmement petits avec une extrême précision. Cela permet de balayer la surface avec une précision de l'ordre de grandeur d'un atome. Les exemples sont : les microscopes à effet tunnel et les microscopes à force atomique.

Analyse d'image

Une extension des possibilités des techniques microscopiques est l'analyse d'image. La possibilité de stocker des images sous forme numérique dans un ordinateur et de manipuler les informations contenues dans l'image a ouvert la voie au traitement numérique des images microscopiques. Par exemple, le nombre de particules visibles dans l'image peut maintenant être rapidement compté. Ou il peut y avoir une statistique faite de leurs coupes transversales.

Comme l'image est généralement une coupe transversale bidimensionnelle d'un objet tridimensionnel, les propriétés mathématiques des sections transversales doivent être prises en compte. Cette forme de mathématiques est connue sous le nom de stéréologie.

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