מה הגודל של הדבר הקטן ביותר שניתן לראות במיקרוסקופ אור?

מיקרוסקופ אור רגיל, כלומר מיקרוסקופ שיוצר תמונה באמצעות אור נראה ועדשות זכוכית, אינו יכול להראות פרטים קטנים מכ-200 ננומטרים, או 0.2 מיקרומטרים. ננומטר הוא מיליארדית המטר, ומיקרומטר הוא מיליונית המטר. הגבול הזה נובע מהאופן שבו האור מתנהג כגל, וערכו משוער.

גודל

הגבול נוגע לכושר ההפרדה (רזולוציה), כלומר למרחק הקצר ביותר בין שתי נקודות שהמיקרוסקופ עדיין מציג כנפרדות. שתי נקודות הקרובות זו לזו יותר מכך מיטשטשות לנקודה אחת. הגבול אינו תלוי בהגדלה. מעבר להגדלה של כ-1,000 פעמים, הגדלה נוספת של התמונה הופכת אותה לגדולה יותר, אך אינה מראה עוד פרטים.

בשנת 1873 פרסם המיקרוסקופיסט ארנסט אבה משוואה שהראתה שכושר ההפרדה תלוי באורך הגל של האור. במקרה הטוב ביותר הוא כמחצית מאורך הגל. צורה נפוצה אחת של החישוב מחלקת את אורך הגל בשניים כפול הצמצם המספרי, מספר שמודד כמה אור העדשה אוספת.

העדשות הטובות ביותר מביטות דרך טיפת שמן ומגיעות לצמצם מספרי של כ-1.4. באור ירוק באורך 550 ננומטרים הן יכולות להפריד בין פרטים שהמרחק ביניהם כ-0.2 מיקרומטרים. באור אדום באורך 700 ננומטרים אותו סוג של חישוב נותן גבול גס יותר, ובאור סגול הוא נותן גבול עדין יותר.

השוואות גודל

• תא דם אדום, ברוחב של כ-7.5 מיקרומטרים, רחב בערך פי 37 מהגבול, ולכן צורתו נראית בבירור.
• חלקיק של מימיוירוס, ברוחב של כ-750 ננומטרים, רחב כמעט פי ארבעה מהגבול. הוא גדול מספיק כדי להיראות במיקרוסקופ אור, וזה נדיר אצל נגיף.
• חלקיק של HIV, ברוחב של כ-145 ננומטרים, קטן מהגבול, ולכן מיקרוסקופ אור אינו יכול להראות את צורתו.
• לרוחבה של שערת אדם, שרוחבה 80–100 מיקרומטרים, היו נכנסים כ-400–500 פרטים בגודל הגבול.
• אילו הגבול הוגדל ל-1 מילימטר, הסימן הקטן ביותר על סרגל מטרי, שערת אדם הייתה ברוחב של 40–50 סנטימטרים. חלקיק HIV היה ברוחב של כ-0.7 מילימטרים, קטן מאחד מסימני הסרגל.

לראות נקודה בלי לראות את צורתה

הגבול נוגע לפרטים, לא ליכולת לזהות שמשהו קיים בכלל. מולקולה בודדת שזוהרת יכולה להופיע במיקרוסקופ רגיל ככתם אור, אם המרחק בינה לבין כל מולקולה זוהרת אחרת גדול מ-0.2 מיקרומטרים. הכתם מיטשטש עד לגודל הגבול, ולכן הוא מגלה היכן המולקולה נמצאת, אך לא איך היא נראית.

אורכי גל קצרים יותר נותנים פרטים עדינים יותר. מיקרוסקופים שמשתמשים באור אולטרה-סגול קרוב יכולים להבחין בפרטים קטנים יותר ממיקרוסקופים שמשתמשים באור נראה. מיקרוסקופים אלקטרוניים מגיעים הרבה רחוק יותר. האלקטרונים שבהם הם משתמשים מתנהגים כגלים באורך של כ-0.005 ננומטרים, קצר בהרבה מזה של האור.

עקיפת הגבול

במשך רוב המאה ה-20 סברו מדענים שמיקרוסקופי אור לעולם לא יוכלו להראות דבר הקטן מכ-0.2 מיקרומטרים. שטפן הל הציע דרך לעקוף את הגבול ב-1994 והראה אותה פועלת בשנת 2000. בשיטתו פולס אור אחד גורם למולקולות לזהור, וקרן לייזר שנייה, בצורת טבעת, מכבה את כל המולקולות מלבד אלה שבנקודה זעירה.

וו. א. מורנר ואריק בציג פיתחו שיטה אחרת, שמדליקה רק מעט מולקולות זוהרות בכל פעם ומשלבת תמונות רבות. שלושתם חלקו את פרס נובל בכימיה לשנת 2014 "על פיתוח מיקרוסקופיית פלואורסצנציה בעלת כושר הפרדה גבוה במיוחד". לדברי האקדמיה המלכותית השוודית למדעים, שמעניקה את הפרס, עבודתם פירושה ש"המיקרוסקופיה הפכה לננוסקופיה".

מקורות

• 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.