Was ist ein Polarisationsmikroskop?
Ein Polarisationsmikroskop ist ein Lichtmikroskop, das selektiv polarisiertes Licht beobachtet.
Optische Mikroskope, die in wissenschaftlichen Experimenten verwendet werden, beobachten das gesamte von einem Material reflektierte Licht durch ein Okular. Licht ist eine Welle, bei der die elektrischen und magnetischen Felder in einer Richtung schwingen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung steht. Licht mit einer regelmäßigen Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes wird als polarisiertes Licht bezeichnet. Bei der Polarisationsmikroskopie wird polarisiertes Licht beobachtet, das in einer bestimmten Richtung schwingt und von einem Material reflektiert wird.
Linear polarisiertes Licht wird auf die Substanz gestrahlt und Änderungen im Polarisationszustand können als Farbe oder hell/dunkel beobachtet werden. Wenn polarisiertes Licht ausgewählt und unter dem Mikroskop beobachtet wird, können der Zustand und die Bestandteile einer Substanz identifiziert werden.
Anwendungen der Polarisationsmikroskope
Die Polarisationsmikroskopie wurde ursprünglich zur Bestimmung des Zustands und der Zusammensetzung von Mineralien eingesetzt, wird heute aber auch bei der Entwicklung von Polymeren und in der Biotechnologie verwendet. Veränderungen im Polarisationszustand spiegeln die molekulare Orientierung und die Kristallstruktur wider, so dass die innere Struktur von Polymeren beurteilt werden kann. In Verbindung mit einer Temperaturkontrollvorrichtung kann außerdem das Phasenübergangsverhalten beobachtet werden.
Eine der wichtigsten Entdeckungen, die mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie gemacht wurden, sind Flüssigkristalle. Flüssigkristalle, die zwar flüssig sind, aber eine festkörperähnliche Molekülanordnung aufweisen, wurden erstmals durch Polarisationsmikroskope identifiziert, was zur Entwicklung der heutigen Flüssigkristallfernseher und anderer Produkte führte.
Darüber hinaus weisen viele biologische Substanzen und andere Materialien einen Zustand und eine molekulare Struktur auf, die den Flüssigkristallen entsprechen und es ist zu erwarten, dass die Polarisationsmikroskope auch in Zukunft eine wichtige Rolle im medizinischen und pharmazeutischen Bereich spielen werden.
Funktionsweise der Polarisationsmikroskope
Polarisationsmikroskope verwenden Filter, um die Polarisation des Lichts auszuwählen, wodurch mikroskopische Bilder entstehen, die die optischen Eigenschaften der Probe widerspiegeln.
1. Aufbau eines Polarisationsmikroskops
Ein gewöhnliches Lichtmikroskop besteht aus einer Lichtquelle, einem Probentisch und einer Objektivlinse. Das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht trifft auf das Material, das durch die Objektivlinse eintritt und durch das Okular beobachtet werden kann. Die Funktionsweise eines Polarisationsmikroskops ist im Grunde dasselbe wie das eines Lichtmikroskops, mit dem Unterschied, dass sich zwischen der Lichtquelle und der Probe ein Polarisator und zwischen dem Objektiv und dem Okular zwei polarisierende Platten, der so genannte Analysator, befinden.
Das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht ist natürliches Licht, das wie Fluoreszenzlicht alle Richtungen einschließt. Dieses Licht wird durch den Polarisator geleitet, in polarisiertes Licht umgewandelt und auf die zu beobachtende Substanz gestrahlt. Das polarisierte Licht, dessen Richtung sich beim Durchgang durch die Substanz ändert, durchläuft einen Analysator in einer Kreuz-Nickel-Anordnung rechtwinklig zum Polarisator und kann beobachtet werden.
2. Bilder eines Polarisationsmikroskops
Bei der Betrachtung einer Probe ohne anisotropen Brechungsindex mit einem Polarisationsmikroskop ändert sich der Polarisationszustand des vom Polarisator ausgestrahlten linear polarisierten Lichts nicht und kann den Analysator nicht passieren, so dass das Sichtfeld bei der Betrachtung durch das Okular dunkel ist.
Wenn bei der Beobachtung einer Probe, deren Brechungsindex sich je nach Polarisationsrichtung unterscheidet (Doppelbrechung), die Schwingungsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichts mit der optischen Achse der Probe übereinstimmt, ändert sich der Polarisationszustand des einfallenden Lichts nicht und das Sichtfeld ist dunkel, wie oben beschrieben. Wenn die Oszillationsrichtung des einfallenden Lichts von der optischen Achse der Probe abweicht, wird das einfallende Licht aufgrund der Doppelbrechung der Probe in zwei Polarisationskomponenten aufgeteilt und die zusammengesetzte Komponente unterscheidet sich von dem Polarisationszustand vor der Übertragung der Probe. Die Änderung des Polarisationszustands bewirkt, dass das Licht den Analysator durchläuft, was zu einem hellen Sichtfeld führt.
Bei der Polarisationsmikroskopie erscheinen die Bilder farbig, da der optische Wegunterschied zwischen den beiden Lichtkomponenten auf die Doppelbrechung der Probe zurückzuführen ist. Bei der Polarisationsmikroskopie kann der Tisch, auf dem das Material liegt, um 360° gedreht werden, um den Winkel des polarisierten Lichts gegenüber der optischen Achse der Probe zu verändern.
Weitere Informationen zu Polarisationsmikroskopen
Verwendung der Polarisationsmikroskope
Die Polarisationsmikroskopie ist eine Technik, die in Kombination mit anderen optischen Messmethoden eingesetzt werden kann, da sie die Untersuchung von Kristalldomänen und sogar deren Ausrichtung ermöglicht.
1. Fluoreszenzmessungen
Die Polarisationsmikroskopie kann in Kombination mit Fluoreszenzmessungen eingesetzt werden. Normale Fluoreszenzmessungen sind Ensemble-Informationen aus verschiedenen Positionen und Orientierungen der Kristalldomänen. Da sich die optischen Eigenschaften jedoch je nach Ausrichtung der Kristalldomänen ändern, kommt die Polarisationsmikroskopie ins Spiel, mit der die Kristallausrichtung ermittelt werden kann. Mit Polarisationsmikroskopen kann die Emission von Polarisationsinformationen in einer bestimmten Richtung beobachtet werden, indem ein Laser mit einer bestimmten Polarisationsrichtung in das einfallende Licht injiziert wird.
2. Zeitaufgelöste Messungen
Polarisationsmikroskope können auch in Kombination mit zeitaufgelöster Spektroskopie eingesetzt werden. Während die normale zeitaufgelöste Spektroskopie Informationen aus verschiedenen Positionen und Orientierungen von Kristalldomänen zusammenfasst, ermöglicht die Polarisationsmikroskopie zeitaufgelöste spektroskopische Messungen von Absorption und Emission durch Bestimmung der Orientierung und Position von Kristalldomänen.