How big is Väikseim objekt, mida näeb valgusmikroskoobiga?

Tavaline optiline mikroskoop, mis moodustab kujutise nähtava valguse ja klaasläätsede abil, ei suuda näidata detaile, mis on väiksemad kui umbes 200 nanomeetrit ehk 0,2 mikromeetrit. Nanomeeter on meetri miljardik ja mikromeeter on meetri miljondik. See piir tuleneb sellest, kuidas valgus lainena käitub, ning on ligikaudne.

Suurus

Piir puudutab lahutusvõimet: lühimat vahemaad kahe punkti vahel, mille mikroskoop suudab veel eraldi punktidena näidata. Kaks sellest lähemal asuvat punkti ähmastuvad üheks. Piir ei sõltu suurendusest. Umbes 1 000-kordsest suurendusest edasi muudab kujutise suurendamine selle küll suuremaks, kuid ei näita rohkem detaile.

1873. aastal avaldas mikroskopist Ernst Abbe võrrandi, mis näitas, et lahutusvõime sõltub valguse lainepikkusest. Parimal juhul on lahutusvõime umbes pool lainepikkust. Üks levinud arvutusviis jagab lainepikkuse numbrilise apertuuri kahekordsega; numbriline apertuur on arv, mis mõõdab, kui palju valgust lääts kogub.

Parimad läätsed vaatavad läbi õlitilga ja saavutavad numbrilise apertuuri umbes 1,4. Rohelise valgusega, mille lainepikkus on 550 nanomeetrit, suudavad need läätsed eristada detaile, mis asuvad teineteisest umbes 0,2 mikromeetri kaugusel. Punase valguse puhul, mille lainepikkus on 700 nanomeetrit, annab sama arvutus jämedama piiri, violetse valguse puhul aga peenema.

Suuruste võrdlused

Punalible, mille läbimõõt on umbes 7,5 mikromeetrit, on umbes 37 korda suurem kui piir, mistõttu selle kuju on selgesti näha.
Mimiviiruse osake, mille läbimõõt on umbes 750 nanomeetrit, on peaaegu neli korda suurem kui piir. Osake on piisavalt suur, et seda valgusmikroskoobis näha, mis on viiruse puhul haruldane.
HIV-osake, mille läbimõõt on umbes 145 nanomeetrit, on piirist väiksem, mistõttu valgusmikroskoop ei suuda selle kuju näidata.
Inimese juuksekarva laiuses, mis on 80–100 mikromeetrit, mahuks kõrvuti umbes 400–500 piirisuurust detaili.
Kui piir oleks suurendatud 1 millimeetri suuruseks, mis on meetermõõdustikus joonlaua väikseim jaotus, oleks inimese juuksekarv 40–50 sentimeetrit lai. HIV-osake oleks umbes 0,7 millimeetri läbimõõduga, väiksem kui üks joonlaua jaotus.

Punkti nägemine ilma selle kuju nägemata

Piir puudutab detaile, mitte seda, kas midagi on üldse võimalik märgata. Üksik helendav molekul võib tavalises mikroskoobis ilmuda valguslaiguna, kui see asub kõigist teistest helendavatest molekulidest rohkem kui 0,2 mikromeetri kaugusel. Valguslaik on ähmastunud piiri suuruseks, seega selgub sellest, kus molekul asub, kuid mitte molekuli välimus.

Lühemad lainepikkused annavad peenemaid detaile. Lähisultraviolettvalgust kasutavad mikroskoobid suudavad eristada väiksemaid detaile kui nähtavat valgust kasutavad mikroskoobid. Elektronmikroskoobid jõuavad palju kaugemale. Nende kasutatavad elektronid käituvad lainetena, mille lainepikkus on umbes 0,005 nanomeetrit, mis on palju lühem kui valguse lainepikkus.

Piirist möödapääs

Suure osa 20. sajandist uskusid teadlased, et optilised mikroskoobid ei suuda kunagi näidata midagi, mis on väiksem kui umbes 0,2 mikromeetrit. Stefan Hell pakkus 1994. aastal välja viisi, kuidas piirist mööda pääseda, ja näitas selle toimimist 2000. aastal. Tema meetod kasutab ühte valgusimpulssi, et panna molekulid helendama, ning teist, rõngakujulist laserikiirt, mis lülitab välja kõik molekulid peale nende, mis asuvad pisikeses laigus.

W. E. Moerner ja Eric Betzig töötasid välja teise meetodi, mis lülitab korraga sisse vaid mõne helendava molekuli ja ühendab paljud pildid. Kolm teadlast jagasid 2014. aasta Nobeli keemiaauhinda „ülilahutusega fluorestsentsmikroskoopia arendamise eest“. Auhinda andva Rootsi Kuningliku Teaduste Akadeemia sõnul tähendab nende töö, et „mikroskoopiast on saanud nanoskoopia“.