Anatomía de un microscopio

¿Qué es un microscopio?

Los microscopios son instrumentos diseñados para adquirir imágenes visuales o fotográficas ampliadas de objetos pequeños. Un microscopio debe ejecutar tres tareas: producir una imagen magnificada; distinguir los detalles de dicha imagen, y hacer que estos detalles sean visibles para el ojo humano o la cámara. Este grupo de instrumentos comprende diseños microscópicos de múltiples lentes con objetivos y condensadores, así como dispositivos simples de una sola lente que a menudo son portátiles, como una lupa.

Partes de un microscopio compuesto simple

En la Figura 1, se ilustra un microscopio compuesto simple inventado por el microscopista británico Robert Hooke en la década de 1660.

Partes de un microscopio Hooke

Este microscopio magníficamente diseñado posee una lente de objetivo cercana a la muestra, y su enfoque se aplica al girar el cuerpo del microscopio para acercar o alejar el objetivo de la muestra. Una lente ocular se halla insertada en la parte superior del microscopio y, en muchos casos, una lente de campo se encuentra en el interior del cilindro para aumentar el campo de visión.

En la Figura 1, el microscopio recibe una iluminación por parte de una lámpara de aceite y un depósito esférico lleno de agua (también ilustrado en la figura). La luz proveniente de la lámpara se difunde cuando pasa a través del depósito y, a continuación, se enfoca en la muestra por medio de una lente unida al depósito. Este primer microscopio estaba sujeto a la aberración cromática (y esférica), y todas las imágenes vistas bajo luz blanca presentaban «halos» que eran de color azul o rojo.

La relación entre el microscopio y el ojo humano

Dado que muchos usuarios de microscopios confían en la observación directa, es importante comprender la relación entre el microscopio y el ojo humano. El ojo humano puede distinguir el color en la porción visible del espectro: de violeta a azul, de verde a amarillo y de naranja a rojo; sin embargo, no puede percibir los rayos ultravioleta o infrarrojos.

El ojo también puede percibir diferencias en el brillo o la intensidad que van del negro al blanco hasta todos los tonos de gris intermedios. Por lo tanto, para que una imagen sea visualizada por el ojo humano, la imagen debe presentarse en colores del espectro visible o en grados variables de intensidad de luz.

Los receptores del ojo, que permiten detectar el color, se denominan células cónicas. Y, las células que permiten distinguir los niveles de intensidad — pero no del color— son las celdas bastón (o bastoncillo). Cada uno de estos tipos de células se halla en la retina, en la parte posterior de la pared del globo ocular. La parte frontal del ojo (Figura 2), que incluye el iris, la córnea curva y el cristalino (lente), absorbe la luz y la enfoca en la retina.

Para que una imagen pueda verse claramente, debe proyectarse sobre la retina en un ángulo visual suficiente. A menos que la luz caiga sobre filas no adyacentes de células en la retina (una función de magnificación y proyección de la imagen), el humano es incapaz de distinguir detalles cercanos como si estuvieran separados (resueltos). Además, debe existir suficiente contraste entre los detalles adyacentes y el fondo para hacer visible la imagen ampliada (magnificada) y resuelta.

Puesto que el cristalino del ojo presenta una capacidad limitada con respecto a la modificación de su forma, los objetos que son acercados mucho al ojo impiden el enfoque de sus imágenes en la retina. La distancia de visualización convencional aceptada es de 10 pulgadas o 25 centímetros.

Historia del microscopio

El microscopio simple

Hace más de 500 años, se desarrollaron lentes de aumento (también denominadas aquí como «lupas») rudimentarias hechas de vidrio con formas convexas, es decir con mayor espesor en el centro que en la periferia. La muestra u objeto podía ser enfocada colocando la lupa entre el objeto y el ojo. Estos microscopios simples podían proyectar la imagen en la retina por medio de la magnificación al aumentar el ángulo visual en la retina.

El microscopio simple, o lente de aumento, se optimizó en el siglo XVII gracias al trabajo de Anton Von Leeuwenhoek Él fue capaz de observar organismos microscópicos unicelulares (a los que llamó «animálculos») e incluso algunas bacterias más grandes con un microscopio simple, similar al que se ilustra en la Figura 3.

La imagen proyectada por esta lente de aumento, mantenida a poca distancia del ojo del observador, aparecía como si estuviera en el mismo lado de la lente como el objeto. Este tipo de imagen, vista a unas 10 pulgadas del ojo, se conoce como imagen virtual y no podría ser capturada en una película.

Partes de un microscopio compuesto

El microscopio compuesto

A inicios del siglo XVII, en función en los trabajos de los hermanos Janssen (Países Bajos) y de Galileo (Italia), se desarrolló el microscopio compuesto (Figura 4).

Partes de un microscopio compuesto

En su forma más simple, el microscopio compuesto constaba de dos lentes convexas alineadas en serie: un objeto de vidrio (objetivo) más cercano al objeto o muestra, y un ocular (ocular) más cercano al ojo del observador, además de medios que permitían ajustar la posición de la muestra y las lentes del microscopio. El objetivo proyecta una imagen magnificada hacia el interior del tubo del cuerpo del microscopio y en seguida el ocular aumenta aún más la imagen proyectada por el objetivo. Por lo tanto, el microscopio compuesto logra una magnificación en dos etapas.

Durante los siglos XVII y XVIII, el desarrollo de los microscopios compuestos estaba sujeto a las dificultades planteadas por la aberración óptica (tanto a nivel cromático como esférico); problema que se agravaba debido al uso de múltiples lentes. En realidad, estos microscopios se revelaban inferiores a los microscopios de lente única de la época debido a estos artefactos. Las imágenes producidas a menudo eran borrosas y presentaban halos cromáticos, correspondientes a las aberraciones cromáticas que no solo degradaban la calidad de la imagen, sino que también dificultaban la resolución.

A mediados del siglo XVIII, los fabricantes de lentes descubrieron que, al combinar dos lentes de vidrio con diferentes dispersiones de color, podía reducirse o eliminarse gran parte de la aberración cromática. Este descubrimiento se aplicó por primera vez a los telescopios, cuya cantidad de lentes es superior a la de los microscopios. No fue hasta principios del siglo XIX que las lentes dotadas de corrección cromática se hicieron comunes en los microscopios compuestos.

Avances en los microscopios compuestos

Los siglos XVIII y XIX fueron testigos de una gran mejora en cuanto a la mecánica y la óptica de los microscopios compuestos. El progreso de las herramientas mecánicas abrió paso a una fabricación de piezas más sofisticadas. A mediados del siglo XIX, el latón era la aleación preferida para producir microscopios de alta calidad.

Asimismo, surgieron muchos fabricantes de microscopios en Inglaterra y Alemania durante este tiempo. Sus microscopios variaban mucho en cuestión de diseño y calidad de producción, pero los principios generales que determinaban las propiedades ópticas eran relativamente similares. El microscopio que se ilustra en la Figura 5 fue fabricado por Hugh Powell y Peter Lealand alrededor de 1850. La base trípode proporcionaba un soporte sólido al microscopio, siendo considerada una de las más avanzadas de su época.

Partes del diagrama en un microscopio Powell y Leland

A finales del siglo XIX, se manifestó un alto grado de competencia entre los fabricantes de microscopios. Como resultado, los costos [Esp. costes] de desarrollo y producción de microscopios se tornaron aspectos cruciales. El latón, material de predilección de los fabricantes de microscopios hasta ese entonces, resultaba caro. Por otra parte, mecanizar, pulir y laquear los cuerpos de los microscopios y otras piezas mecanizadas hechas de latón requería mucha dedicación. Por consiguiente, para reducir los costos [Esp. costes], los fabricantes de microscopios comenzaron a pintar en un principio el exterior del cuerpo y el soporte de los microscopios, así como las platinas y otras partes fijas (no móviles).

Microscopios del siglo XX

Durante el primer cuarto del siglo XX, muchos fabricantes de microscopios comenzaron a sustituir el latón por el hierro fundido en los estativos y las platinas de los microscopios. El hierro, que era un material más económico, no podía contrastar con el latón al ser pintado de negro. También, se comenzó con la galvanoplastia de muchos componentes críticos de latón, como las perillas, los cilindros de objetivos, los portaobjetivos, los oculares y los montajes mecánicos de platina (ilustrados en la Figura 6).

Estos microscopios de principios del siglo XX todavía se apoyaban en un diseño común: eran monoculares con un espejo de subplatina que se usaba con una lámpara externa para iluminar la muestra. En la Figura 6, se muestra un microscopio típico de la época: un microscopio del Laboratorio Zeiss. Este tipo de microscopio es muy funcional, y muchos todavía están en uso hoy en día.

Partes de un microscopio del laboratorio Zeiss

Microscopios modernos

Los microscopios modernos superan con creces las especificaciones de diseño de aquellos fabricados antes de mediados del siglo XX. La formulación del vidrio ha mejorado enormemente, lo que permite una corrección de la aberración óptica más elevada que antes. Es más, ahora los revestimientos de lentes antideslumbrantes sintéticos ahora son mucho más avanzados. La tecnología de circuitos integrados también ha permitido a los fabricantes producir microscopios «inteligentes» que incorporan microprocesadores en el soporte del microscopio. La fotomicrografía es más fácil que nunca con accesorios que monitorean la intensidad de la luz, calculan la exposición en función de la velocidad de la película y ejecutan automáticamente tareas complejas como el horquillado, la exposición múltiple y la fotografía en intervalos de tiempo.

El microscopio ilustrado en la Figura 7 es un microscopio de investigación Provis AX70 de Olympus. Comercializado a partir de 1990, este microscopio presentaba un diseño sofisticado que incorporaba múltiples iluminadores (episcópicos y diascópicos), analizadores y polarizadores, prismas DIC, accesorios de fluorescencia y capacidades de contraste de fase. El sistema de fotomicrografía ofrecía una medición puntual, un regulador de exposición automático y una magnificación de zoom para un encuadre fácil y flexible. Su estativo en forma de Y favorecía la ergonomía y la facilidad de uso. Hoy en día, los fabricantes de microscopios continúan desarrollando nueva tecnología para los microscopios a fin de mejorar la comodidad del usuario, la facilidad de uso y respaldar nuevas investigaciones.

Partes de un microscopio Provis AX 70 de Olympus

Usos prácticos en la microscopía

Casi todo el mundo, en un momento dado, ha visto el mundo a través de un microscopio óptico. La mayoría de las personas ha vivido esta experiencia durante las clases de biología de la escuela secundaria o la universidad, bien que algunos emprendedores científicos hayan comprado sus propios microscopios, ya sea a modo individual o como parte de un equipo científico.

La fotografía a través del microscopio, o fotomicrografía, ha sido durante mucho tiempo una herramienta útil para los científicos. Las ciencias biológicas y médicas han dependido fuertemente de la microscopía para resolver problemas relacionados con las características morfológicas de las muestras, y como herramienta cuantitativa para registrar características y datos ópticos. De esta forma, el microscopio óptico ha demostrado ser una herramienta útil para investigar los secretos de la vida.

La microscopía se ha convertido en una herramienta popular en las ciencias físicas y de los materiales, así como en la industria de los semiconductores, ya que en estos ámbitos se requiere observar las características superficiales de los nuevos materiales de alta tecnología y circuitos integrados. También, ha demostrado ser útil en la ciencia forense al facilitar el examen de cabellos, fibras, ropa, manchas de sangre, balas y otros elementos asociados a delitos. Los avances modernos a nivel de las tinciones con fluorocromos y técnicas de anticuerpos monoclonales han dado cabida al gran crecimiento del uso del microscopio fluorescente, tanto en el análisis biomédico como en la biología celular.

Diferencias entre microscopía biomédica y de materiales

Las diferencias básicas entre la microscopía biomédica y de materiales engloba la manera de cómo el microscopio proyecta la luz sobre la muestra. En la microscopía biológica clásica, la luz se transmite o propaga a través de muestras muy delgadas, ésta se enfoca usando el objetivo y, posteriormente, pasa a los oculares del microscopio.

Cuando se trata de observar la superficie de los circuitos integrados, que conforman el funcionamiento interno de las PC modernas, la luz pasa a través del objetivo y, a continuación, se refleja desde la superficie de la muestra hacia el objetivo del microscopio. En la terminología científica, la microscopía de luz transmitida y reflejada son conocidas respectivamente como microscopía de iluminación diascópica y episcópica. Las microfotografías de nuestras galerías provienen de investigaciones científicas microscópicas con luz transmitida y reflejada.

Un problema común en la microscopía es el bajo contraste que se produce cuando la luz pasa a través de muestras muy delgadas o se refleja en superficies con un alto grado de reflectividad. A fin de superar la falta de contraste, se han desarrollado varias técnicas ópticas dedicadas a aumentar el contraste y proporcionar variaciones de color en las muestras. Entre estas técnicas ópticas destacan:

• Luz polarizada
• Procesamiento de imágenes con contraste de fase
• Contraste de interferencia diferencial
• Iluminación de fluorescencia
• Iluminación de campo oscuro
• Iluminación Rheinberg
• Contraste de modulación Hoffman
• Uso de varios filtros ópticos de gelatina

Encuentre una discusión completa de estas técnicas ópticas en la sección técnicas especializadas de microscopía de este manual. Para mayor comodidad, se proporcionan referencias en modo de bibliografía clásica y de enlaces a cibersitio. Estos materiales didácticos pueden ayudarle a conocer y educar a otros en la microscopía y fotomicrografía.