Was ist ein Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop?
Bei dem Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop handelt es sich um eine Art von Lichtmikroskop, das hauptsächlich zur Beobachtung farbloser, transparenter Materialien verwendet wird.
Um 1954 entwickelte Georges Nomarski ein Prisma, das so genannte Nomarski-Prisma, das für die differentielle Interferenzbeobachtung eingesetzt wurde, eine Methode, die auch heute noch in Geräten verwendet wird. Das zur Beobachtung verwendete Licht ist polarisiertes Licht, wie es z. B. in Polarisationsmikroskopen (englisch: polarization microscope oder polarizing microscope) verwendet wird.
Indem zwei orthogonal polarisierte Lichter auf ein Material gerichtet werden, kann die Form des Materials visuell bestätigt werden, indem ein Hell-Dunkel-Kontrast durch die Interferenz des Lichts und den optischen Wegunterschied zwischen den beiden Polarisationen erzeugt wird.
Anwendungen der Differentialinterferenzkontrast-Mikroskope
Das Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop wird zur Beobachtung farbloser, transparenter Substanzen und biologischer Materialien wie Zellen eingesetzt. Früher war es schwierig, transparente Substanzen mit gewöhnlichen Lichtmikroskopen zu beobachten, daher wurden die Substanzen vor der Beobachtung eingefärbt.
Dies war jedoch zeitaufwändig und die Färbung zerstörte manchmal die Substanz vor der Beobachtung. Die Differentialinterferenzkontrast-Mikroskope hingegen nutzen den optischen Wegunterschied und kontrastieren Hell und Dunkel, um Substanzen dreidimensional zu betrachten. Die innere Struktur von Zellen und anderen Objekten kann sogar im lebenden Zustand beobachtet werden.
Funktionsweise der Differentialinterferenzkontrast-Mikroskope
Natürliches Licht (Licht mit einer Schwingungsrichtung in alle Richtungen) aus einer Lichtquelle tritt in den Polarisator ein und wird linear polarisiert. Wenn das linear polarisierte Licht in das erste Wollaston-Prisma eintritt, wird es in zwei Polarisationen mit orthogonalen Schwingungsrichtungen aufgeteilt und kann durch das zu beobachtende Material übertragen werden.
Die beiden durch die Substanz übertragenen Polarisationen werden zu Licht unterschiedlicher Phase und werden beim Eintritt in das zweite Wollaston-Prisma kombiniert. Wenn sie in den Analysator eintreten, werden sie wieder zu polarisiertem Licht mit der gleichen Schwingungsrichtung, was eine Lichtinterferenz darstellt.
Die beiden interferierenden Polarisationen haben unterschiedliche Phasen, so dass es zu einem Versatz in der optischen Wegdifferenz kommt. Daher ist der Kontrast zwischen hell und dunkel deutlich und selbst transparente Materialien können dreidimensional betrachtet werden.
Aufbau von Differentialinterferenzkontrast-Mikroskopen
Der Strahlengang eines Differentialinterferenzkontrast-Mikroskops besteht aus einem Hellfeldmikroskop sowie zwei Polarisationsplatten und zwei Nomalsky-Prismen. Werden die Polarisationsplatten und die Nomalsky-Prismen aus dem Strahlengang entfernt, so kann das Mikroskop als Hellfeldmikroskop verwendet werden. Wird nur das Nomalsky-Prisma aus dem Strahlengang entfernt, kann es als Polarisationsmikroskop verwendet werden.
Bei dem Differentialinterferenzkontrast-Mikroskop werden die folgenden Schritte durchlaufen, bevor die Lichtquelle das Material durchdringt und das menschliche Auge erreicht. Ausgehend von der Lichtquelle durchläuft es einen Polarisator, ein Wollaston-Prisma, einen Objekttisch, auf dem das zu beobachtende Material befestigt ist, ein Objektiv, ein Wollaston-Prisma, einen Analysator und ein Okular, bevor es vom menschlichen Auge beobachtet werden kann.
Polarisatoren und Prismen werden in diesen Mikroskopen verwendet, um die Polarisation zu extrahieren, das Licht zu stören und eine Fehlausrichtung der optischen Wegunterschiede zu verursachen.
Auswahl eines Differentialinterferenzkontrast-Mikroskops
Die Differentialinterferenzkontrast-Mikroskope haben große Vorteile bei der Beobachtung von nicht gefärbten biologischen Proben. Beispiele hierfür sind einzellige Organismen in Wasser, gezüchtete Zellen und ungefärbte Proben von mehrzelligen Tieren wie Milben und Fadenwürmern. Im Vergleich zu herkömmlichen Hellfeldmikroskopen zeichnet sich das Mikroskop durch eine höhere Auflösung und klarere Beobachtungsbilder aus.
Die Differentialinterferometrie eignet sich nicht für transparente Proben, deren Brechungsindex sich nicht stark von dem des umgebenden Materials unterscheidet. Sie eignet sich auch nicht für dickere Proben, wie z. B. dunkel gefärbte Proben mit vielen Pigmenten oder Gewebeschnitte. Die meisten nicht lebenden Proben sind polarisiert und daher für die differentielle Interferometrie ungeeignet.
Differenzielle Interferenzbilder haben unter optimalen Bedingungen eine sehr hohe Bildqualität und sind weniger anfällig für Artefakte. Bei der Interpretation von differentiellen Interferenzbildern muss jedoch immer die Richtung des Nomarsky-Prisma berücksichtigt werden. Besonderes Augenmerk sollte auf Strukturen gelegt werden, die parallel zur Richtung des Prismas verlaufen und nicht sichtbar sind, was jedoch durch Drehen der Probe für die Beobachtung leicht behoben werden kann.