MICROSCOPIO DE LUZ.

 

Antecedentes históricos. Los primeros aparatos  elaborados con lentes de aumento se utilizaron para la visión lejana, Galileo Galilei a principios del siglo 17 en 1609 se adentro en el espacio exterior con el telescopio, dando un nuevo significado al papel del hombre en el universo. Este investigador fundador del método experimental comprendió que el mismo aparato podía ser usado para analizar objetos pequeños y algunos de sus contemporáneos intentaron utilizarlo para este fin. La inagotable curiosidad humana se enfocó hacia la estructura del mundo visible microscópico que le rodeaba. Esta investigación requirió de la creación de un instrumento capaz de penetrar en la compleja arquitectura del apasionante mundo microscópico que existe mas allá de nuestra visión normal. La palabra microscopio fue utilizada por primera vez por los componentes de la "Accademia dei Lincei" una sociedad científica a la que pertenecía Galileo y que publicaron un trabajo sobre la observación microscópica del aspecto de una abeja. Según los italianos el microscopio se invento hacia 1612 por Galileo.

Según los holandeses el primer microscopio surgió de las hábiles manos del tallador holandés de lentes Hans Janssen y de su hijo Zacarías, en el año de 1590. Este y otros microscopios similares de aquellos tiempos estaban formados por dos lentes convexas sobrepuestas en elementos de enfoque rudimentarios. Entre los microscopios construidos en ese tiempo, está el que diseñó un comerciante en telas, holandés, llamado Anton Van Leewenhoek, en 1632; con ese instrumento observo agua estancada de charcos, gotas de sangre y otros materiales orgánicos e hizo detalladas descripciones, algunas de las cuales aún sorprenden por su exactitud.

Otros investigadores de ese siglo 17 que hicieron valiosos descubrimientos con estos microscopios rudimentarios, fueron Marcelo Malpighi (1628-1694) fundador de la histología, quien descubrió parte de la estructura microscópica del riñón y de la piel, describe los capilares sanguíneos y publica en 1660 y 1665; Robert Hooke, quien en 1665 examinando una rebanada muy delgada de corcho utilizó por primera vez en la historia el término de "Célula" en su obra Micrografhia. Bichat a fines de 1700 introduce el concepto de tejido, describiendo 21. Mayer en 1819 describe el concepto de Histología.

            Sin embargo el trabajo fundamental sobre la moderna teoría celular, de que todos los tejidos animales como vegetales están constituidos por agrupaciones de células, no se llevó a cabo hasta principios del siglo 20. En 1833 Brown describe al núcleo. En 1838, el botánico alemán Matthias Schleiden anunció que la célula era la unidad estructural de toda materia vegetal y un año después su compatriota Teodhor Schwann afirmó que "las células son organismos y que los animales y plantas completos son agregados de dichos organismos, dispuestos con arreglos a determinadas leyes". Remak en 1852 establece que las células derivan de otras células y 3 años mas tarde Virchow lo confirma con su tesis omnis cellula e cellula. El alumno de Henle, Koelliker en 1852 organiza los tejidos de Bichat en los cuatro fundamentales actuales, además de ubicar al espermatozoide como una célula, que posteriormente en 1876 Hertwig demuestra que es el responsable de la fecundación 

El microscopio en algunas épocas (siglo 18) constituyó solamente un entretenimiento de salón entre las clases acomodadas, y no fue sino hasta mediados del siglo 19, cuando gracias al perfeccionamiento de las lentes y a la invención del condensador por Ernest Abbe, se pudieron lograr imágenes sin distorsión y de mayores aumentos, llegando lograr hasta 500 x aumentos en la observación; en 1877 publica su teoría del microscopio y por encargo de Carl Zeiss mejora la microscopia de inmersión sustituyendo el agua por aceite de cedro lo que permite obtener aumentos de 2000x  A principios del presenta siglo los avances técnicos en la fabricación de lentes permitieron  que el microscopio alcanzara el máximo aumento y nitidez que se pueden lograr de acuerdo a las características físicas de la luz.

El uso del microscopio no se limita a discernir el aspecto morfológico micrométrico de los organismos vivientes, también se usa como apoyo para determinar cantidad y localización de componentes moleculares diversos, como grasas, proteínas, carbohidratos, minerales, vitaminas, etc., utilizado métodos histoquímicos enzimáticos, no enzimáticos e inmunoquímicos con fluorescencia. Asimismo en ocasiones es necesario examinar el aspecto tridimensional de los especimenes vivos o fijados mediante el uso del microscopio Estereoscópico.

Aunque casi siempre lo que se observa son preparados teñidos artificialmente, las técnicas microscópicas de Contraste de Fases, de Interferencia y de Campo Obscuro, permiten ver células sin tinción alguna. Esto ha hecho posible ver células o tejidos vivos cultivados artificialmente sin tinción o también con los llamados colorantes supravitales, como el carmín y azul tripán (fagocitosis), rojo neutro (leucocitos), verde jano (mitocondrias) y la alizarina (matriz ósea).

El máximo aumento del microscopio de luz tiene limitaciones físicas hasta 1,500 veces;  alrededor de 1930 se ideó utilizar un haz de electrones en lugar de la luz visible. Con esta idea al aparato concebido se le llamo microscopio electrónico de transmisión (MET), consiguiendo aumentos de 100.000 X, el límite teórico de aumentos del microscopio puede llegar a mas de un millón de diámetros. Fue desarrollada por Max Knoll y Ernst Ruska en Alemania en 1931. El microscopio Trabaja “iluminando”, un ejemplar en la platina con un haz de electrones, enfocando y aumentando la “imagen” con lentes magnéticas. Esta imagen electrónica, que es invisible, se transforma en una imagen normal, visible mediante una pantalla especial.

Con este microscopio se han podido ver y descubrir las estructuras mas finas y pequeñas de los seres orgánicos y elementos inorgánicos, llegando incluso a observar la estructura molecular. 

Posteriormente, en 1942 se desarrolla el microscopio electrónico de barrido (SEM) o Scanning. El microscopio electrónico de barrido (MEB) sirve para examinar la superficie de los objetos. Produce imágenes de gran aumento (más de cien mil veces) y muestra la forma real de los objetos. Además de mostrar increíbles figuras, el microscopio electrónico investigador muestra detalles que pueden ser de vital importancia para científicos en muchas áreas, como la medicina. Trabaja examinando la superficie de un objeto con un delgado haz electrónico. 

Microscopio cuántico: El microscopio cuántico es un  microscopio que forma parte de los instrumentos llamados nanoscopios porque posibilitan “ver” objetos del tamaño en nanómetros y aún menores, se conoce como "microscopio de barrido de efecto túnel" (STM) y fue presentado en 1982 por Binning y Röhrer. Ambos recibieron por esto el Premio Nóbel de Física en 1986.

 

 

            El microscopio de luz (ML), está constituido por tres sistemas:

1. El óptico.

2. El de iluminación, y

3. El mecánico.

 

SISTEMA ÓPTICO.

            El sistema óptico está formado por dos juegos de lentes:

a) El ocular, que es la lente en contacto con el ojo del observador y que generalmente aumenta de 8 a 20 veces el tamaño de la imagen lograda por el objetivo, pero no aumenta la resolución.

b) El objetivo, es la lente próxima al objeto o espécimen, están colocados en la parte inferior del tubo insertados en una pieza metálica, denominada revolver, que permite cambiarlos fácilmente generan una imagen real, invertida y aumentada.

Tenemos varios tipos de objetivos: los panorámicos, de pequeña longitud, los hay de 2.5 x, 3.5 x, 4 x y 6 x o aumentos, con apertura numérica de 0.08. El seco débil nos da 10 aumentos y tiene AN de 0.25,  el seco fuerte produce 40 x (AN = 0.65), y el de inmersión (AN = 1.25);  llevan dibujado un anillo de color que indica el número de aumentos:

Pardo = 2.5 x

Rojo = 4 x.

Anaranjado = 6.3

Amarillo = 10 x.

Verde claro = 16 x.

Verde obscuro = 25 x.

Azul claro = 40 x

Blanco = 100 x.

Este último que es retráctil es el llamado de inmersión ya que para su utilización se necesita utilizar aceite de cedro sobre la preparación, para disminuir el índice de refracción y lograr mayor nitidez de la imagen a estos aumentos. Los más frecuentes son los de 4, 10, 40, y 100 aumentos,

 

Cada uno de los objetivos del microscopio presenta una serie de números o letras grabadas sobre el cilindro metálico que aloja las lentes, vg: 40/0.65; 160/0.17, cuyo significado es:

En algunos casos, los datos correspondientes a la distancia de viaje de la luz y el espesor del cubre objetos no se consignan. Cuando no existe la 3, indica que el objetivo tiene corrección al infinito. Cuando no aparece la 4, significa que el espesor del cubre objetos no es factor crítico.

Plan: plan acromático, esto es objetivo acromático con imagen plana.

Neofluar: objetivo con apertura incrementada, mejor reproducción de los colores, con elevado contraste, pero sin imagen plana.

 

Los objetivos de inmersión traen según el material que usen, los grabados siguientes:

Oel: aceite (IR 1.515)

W: agua (IR 1.333)

Glyz: glicerina (IR 1.455)

 

            Multiplicando los aumentos del ocular por los del objetivo se puede tener el aumento real del ML. Por ejemplo: si el ocular es de 10x y el objetivo de 40x, se obtendrá un aumento de 400 veces el tamaño de los objetos observados. Este aumento se denomina diámetro y se designa con la letra "x".

                       

Los sistemas ópticos tienen un límite físico de amplificación determinado por el poder o límite de resolución, que es la capacidad para distinguir dos puntos cercanos en el campo como entidades separadas. El poder de resolución del ojo humano es de 0,2 mm es decir que para ver dos objetos separados estos deben estar como mínimo a esa distancia.

Teóricamente la máxima resolución que se puede alcanzar en los sistemas ópticos es de 0,2 micras dada por una luz con longitud de onda de 540 nm, la cual pasa por un filtro verde.

Este límite o poder de resolución está expresado por la siguiente fórmula:

 

L.R.= K x L sobre A.N.

 

            Donde Kappa es una constante calculada en 0.61 y Lambda es la longitud de onda de la luz empleada. Generalmente se toma la longitud de onda de la luz verde-amarilla que es de 0.55 micras. La apertura numérica "A.N." es igual al menor índice de refracción (N) interpuesto entre el corte y el objetivo multiplicado por el seno de la mitad del ángulo de abertura (Â).

(A.N. = 1/2 SEN Â x N.)

 

            Esquema (e) que muestra el cono luminoso que penetra en un objetivo. Se indica la mitad del ángulo de abertura (Â) que interviene en el cálculo de la abertura numérica.

 

SISTEMA DE ILUMINACIÓN.

            El sistema de iluminación tiene por objeto hacer pasar un haz intenso y condensado de luz a través del espécimen y de las lentes, para obtener una imagen clara y nítida. Este sistema está formado por:

a) Una fuente luminosa incorporada a la base del microscopio, cuya intensidad puede graduarse con una perilla que se encuentra a un lado.

b) Un condensador de los rayos divergentes de la fuente de luz, colocado por debajo del espécimen, para proporcionar un haz luminoso intenso y homogéneo que ilumine uniformemente el objeto que se observa. Tiene incorporado un diafragma de iris que elimina los rayos periféricos.

 

SISTEMA MECÁNICO.

            El sistema mecánico está constituido por:

a) Una base que da apoyo al microscopio y contiene la fuente luminosa.

b) Un brazo que da apoyo a la platina y al revolver y contiene en ambos costado los tornillos de enfoque grueso y fino.

c) Una platina, que es una placa con una perforación central que tiene incorporada en su parte inferior al condensador. Se desplaza verticalmente por los tornillos de enfoque grueso y fino. Tiene un carro móvil que sujeta o fija al objeto y que puede desplazarse en todas las direcciones del plano horizontal por medio de un juego de tornillos. Los que carecen de carro móvil, cuentan con un par de pinzas sobre la platina para sujetar el objeto o laminilla.

d) Un tornillo macrométrico para desplazamiento grueso de la platina y enfoque rápido del objeto.

e) Un tornillo micrométrico para desplazamiento lento de la platina y enfoque fino del objeto.

f) Un disco giratorio (revolver) con topes fijos, al cual van atornillados los objetivos.

g) Una base para los oculares, con una inclinación adecuada para la observación cómoda.

 

Consejos para el trabajo de observación y cuidado del microscopio.

 

Otros tipos de microscopios

Microscopio de contraste de fase – Permite observar células sin colorear y resulta especialmente útil para células vivas.
Este aprovecha las pequeñas diferencias de los índices de refracción en las distintas partes de una célula y en distintas partes de una muestra de tejido. La luz que pasa por regiones de mayor índice de refracción experimenta una deflexión y queda fuera de fase con respecto al haz principal de ondas de luz que pasaron la muestra. Aparea otras longitudes de onda fuera de fase por medio de una serie de anillos ópticos del objetivo y del condensador, anula la amplitud de la porción fuera de fase inicial del haz de luz y produce un contraste útil sobre la imagen. Las partes oscuras de la imagen corresponden a las porciones densas del espécimen; las partes claras de la imagen corresponden a porciones menos densas. Por lo tanto estos microscopios se utilizan para observar células vivas, tejidos vivos y cortes semifinos no coloreados.

Dos modificaciones del microscopio de fase son el microscopio de interferencia y el microscopio de interferencia diferencial.


Microscopio de campo oscuro – El objetivo recibe la luz dispersa o refractada por las estructuras del espécimen. Para lograrlo, el microscopio de campo oscuro está equipado con un condensador especial que ilumina la muestra con luz fuerte indirecta. En consecuencia el campo visual se observa como un fondo oscuro sobre el cual aparecen pequeñas partículas brillantes de la muestra que reflejan parte de la luz hacia el objetivo.
El efecto es similar a las partículas de polvo que se ven en el haz de luz emanado de un proyector de diapositivas en una habitación oscura. La luz reflejada por las partículas de polvo que llegan hasta la retina del ojo y las hacen visibles.
La resolución de este microscopio no puede ser mejor que la del microscopio de campo oscuro porque emplea la misma fuente de longitud de onda, sin embargo puede detectar partículas individuales más pequeñas en las imágenes de campo oscuro, debido al contraste creado.
Es útil para observar autorradiografías, cristales en la orina y para detectar espiroquetas, en particular el Treponema pallidum microorganismo causante de la sífilis.

 

Microscopio de fluorescencia – Una molécula que fluorece emite luz de longitud de onda que se encuentra dentro del espectro visible, cuando es expuesta a una fuente de luz ultravioleta. Se usa para revelar moléculas fluorescentes naturales, como la vitamina A y algunos neurotransmisores. Al ser escasas las moléculas autofluorecentes su aplicación más difundida es para revelar una fluorescencia agregada, como en la detección de antígenos o anticuerpos en procedimientos de coloración inmunocitoquímica. También se puede inyectar moléculas fluorescentes específicas en un animal o directamente en células y usarlas como marcadores. Estos métodos sirvieron para estudiar uniones intercelulares, trayectorias de las fibras nerviosas en neurobiología y en detección de marcadores del crecimiento fluorescentes en tejidos mineralizados.

Se insertan distintos filtros entre la fuente de luz ultravioleta y la muestra para producir luz monocromática o casi monocromática, o entre el espécimen y el objetivo permitiendo que la estrecha banda de longitudes de onda de fluorescencia llegue hasta el ojo o incida en una emulación fotográfica u otro procedimiento analítico.

 

Microscopio de barrido confocal – Se usa para estudiar la estructura de los materiales biológicos. Emplea un sistema de iluminación con rayo láser que es muy convergente y, en consecuencia produce un punto de barrido muy poco profundo. La luz que emerge del punto es dirigida a un tubo fotomultiplicador, donde es analizada. Se utiliza un sistema de espejos para mover el rayo láser a través del espécimen, iluminando un solo punto por vez. Se registran los datos de cada punto de la muestra recorrida con este rayo móvil y se guardan en una computadora. Luego se puede llevar la imagen a un monitor de alta resolución. Este método tiene la ventaja de que se pueden tomar imágenes de la muestra en cortes muy finos. Las regiones fuera de foco se restan de la imagen mediante un programa para dar una definición máxima a la imagen.

Es posible también crear imágenes múltiples a diferentes profundidades dentro del espécimen y realizar reconstrucciones tridimensionales.


Microscopio de luz ultravioleta – La imagen en el microscopio de luz ultravioleta depende de la absorción de esa luz por las moléculas de la muestra. La fuente de luz ultravioleta tiene una longitud de onda de 200 nm, por lo tanto puede alcanzar una resolución de 0,1 um. La microscopia ultravioleta no es muy diferente del funcionamiento de un espectrofotómetro pero sus resultados son registrados en fotografías. La muestra no se puede observar directamente a través del ocular porque la luz ultravioleta puede dañar la retina.
El método sirve para detectar ácidos nucleicos, proteínas que contienen determinados aminoácidos. Mediante longitudes de ondas específicas para la iluminación se puede obtener mediciones espectrofotométricas para cuantificar el DNA y el RNA de cada célula.


Microscopio de polarización – Este microscopio es una simple modificación del microscopio óptico, contiene un filtro polarizante llamado polarizador entre la fuente de luz y la muestra y se ubica un segundo polarizador, denominado analizador entre el objetivo y el observador.
Se puede rotar el polarizador y el analizador; la diferencia entre sus ángulos de rotación se usa para determinar el grado en que una estructura afecta el haz de luz polarizada. La capacidad que tiene un cristal o estructura cristalina de rotar el plano de la luz polarizada se denomina birrefringencia.
Exhiben birrefringencia el músculo estriado o esquelético y las inclusiones cristaloides de las células intersticiales testiculares.

 

Microscopia electrónica

Dentro de los microscopios electrónicos tenemos el de barrido y el de transmisión.
La ventaja de los microscopios electrónicos frente a los ópticos esta en que la longitud de onda del haz de luz es aproximadamente 1/200, lo cual aumenta la resolución.
Microscopio electrónico de transmisión – La óptica es muy similar al óptico pero se diferencia en que usa un haz de electrones en vez de un haz de luz visible. Los aumentos son hasta de 150,000 con resolución de 0.2 nanos (1,500 veces mas que el de luz que es de 1000 o resolución de 0.2 micras).

Este microscopio se basa en los siguientes principios:
- Una fuente, un filamento de tungsteno calentado que emite electrones (cátodo)

Un ánodo, hacia el cual son atraídos los electrones

Una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo imparte un voltaje de aceleración entre 20.000 y 200.000 voltios a los electrones, que crea la haz

El haz pasa por una serie de electroimanes que tienen las mismas funciones que las lentes de vidrio de un microscopio óptico

El condensador forma el haz y modifica el diámetro del haz que incide en el plano del espécimen. El haz que atraviesa la muestra se coloca en foco y se aumenta por medio de un objetivo y se aumenta aun más con una o más lentes proyectoras. La imagen final se visualiza sobre una planilla cubierta por fósforo. Las porciones de la muestra que han sido atravesadas por los electrones aparecen brillantes, las porciones que absorbieron o esparcieron los electrones por su densidad inherente o debido al agregado de metales pesados durante la preparación del espécimen aparecen oscuras. Se coloca una placa fotográfica o un detector de video por encima o por debajo de la pantalla del visor, con la finalidad de obtener un registro permanente de la imagen sobre la pantalla.
Las muestras se preparan sobre la misma base que la del microscopio óptico pero requieren métodos más finos.
Los preparados la restricción que tienen es que en cada paso se trabaja con especimenes de magnitud 3-4 órdenes menores o más finos que los utilizados para el microscopio óptico. Debido a la gran resolución de estos microscopios electrónicos la calidad de la fijación, es decir el grado de preservación de la estructura subcelular debe ser la mejor posible.
La preparación de rutina de los especimenes para la microscopia electrónica de transmisión comienza con la fijación con glutaraldehído, seguida de un lavado con un buffer y de una fijación con tetraóxido de osmio.
Por lo general, se fijan para el microscopio electrónico de transmisión piezas de tejido no mayores de 1 mm3

El proceso de deshidratación es idéntico al empleado en la microscopia óptica
El tejido incluido en material plástico se secciona por medio de micrótomos especialmente diseñados, que usan cuchillas de diamante o vidrio.
Debido al limitado poder de penetración de los electrones, el espesor de los cortes preparados para el microscopio electrónico de transmisión varia entre 50 nm y 150 nm. Estos cortes son demasiado finos para poder ser manipulados; se los hace flotar desde el filo de la cuchilla en la superficie de una bandeja llena de líquido, se recuperan y se colocan en rejillas de malla de cobre recubiertas por plástico. Estas rejillas tienen 50-400 orificios por pulgada o hendiduras especiales para observar cortes seriados.
Por lo general, la coloración de los cortes para microscopio electrónico de transmisión se realiza por medio del agregado a la muestra de materiales de elevada densidad, tales como iones de metales pesados. Estos iones de metales pesados se unen a los tejidos durante la fijación o la deshidratación o al sumergir las muestras en soluciones de tales iones después del corte. El tetraóxido de osmio que se emplea de rutina en el fijador se une a los componentes fosfolipídicos de las membranas, lo cual agrega densidad a la membrana.
A menudo se agrega nitrato de uranilo a las soluciones alcohólicas usadas en la deshidratación, con el fin de agregar densidad a los componentes de las uniones celulares y a otros sitios. La inmersión secuencial en soluciones de acetato de uranilo y citrato de plomo se usa rutinariamente para teñir los cortes antes de observarlos con microscopio electrónico de transmisión.
La congelación-fractura es un método especial de preparación de la muestra para microscopia electrónica de transmisión, de gran importancia en el estudio de membranas.
El material a examinar puede estar fijado o no; en el primer caso se elimina el fijador del tejido por medio de lavados, antes de procesarlo. Se infiltra el tejido con un crioprotector, como el glicerol y se congela rápidamente a unos –160 grados centígrados.
Microscopio electrónico de barrido – Se asemeja más que al microscopio electrónico de transmisión a los tubos de televisión de donde deriva la microscopia electrónica. Para analizar la mayoría de los tejidos se deja la muestra, se deshidrata por desecación de punto crítico, se cubre con una película evaporada de oro-carbón, se monta en un taco de aluminio y se coloca en la cámara de muestras del microscopio. En los tejidos mineralizados es posible eliminar todos los tejidos blandos con una lejía y analizar las características estructurales del mineral.
Se logra el barrido con el mismo tipo de rastreo que explora el haz de electrones a través de la superficie un tubo de televisión. Los electrones reflejados desde la superficie y los electrones forzados hacia el exterior de la superficie son captados por uno o más detectores y reprocesados para formar una imagen tridimensional en un televisión.
Se pueden tomar fotografías para registrar los datos o la imagen en una cinta de video. Se pueden usar otros detectores para medir los rayos X emitidos desde la superficie, la catodoluminiscencia de las moléculas del tejido por debajo de la superficie y los electrones de Auger emitidos en la superficie.
Muchos microscopios combinan las características de un microscopio electrónico de transmisión y de barrido, el cual permite microanálisis por rayos X con sonda electrónica.
Se pueden adosar detectores al microscopio para reunir los rayos X emitidos cuando el haz de electrones bombardea el corte histológico, y mediante analizadores apropiados se construye un mapa que muestra la distribución en los cortes de los elementos que tienen número atómico mayor de 12, en concentración suficiente para producir rayos X en cantidad tal que se puedan analizar.