Lịch sử phát triển của kính hiển vi

Lịch sử phát triển của kính hiển vi

 

Hôm nay tôi sẽ giúp các bạn hình dung một cách khải quát nhất về con đường của các bậc tiền bối trong việc phát triển một công cụ quan sát tối ưu cho ngày nay. Xuất phát từ thời Trung cổ, tại thế kỷ 11, để giải quyết bài toán “ làm cách nào để nhìn chữ viết lớn hơn mắt thường”, người Arab đã mài nhẵn đá beryl thành thấu kính dạng cầu lồi. Ở những thời gian sau này, con người đa biết cách sắp xếp các thấu kính lồi này thành một hệ thống với độ phóng đại lớn hơn nhiều lần dạng một thấu kính nguyên bản ban đầu. Mẫu kính hiển vi đầu tiên ra đời là kết quả của rất nhiều ý tưởng và thiết kế đến từ các nhà khoa học và học giả khác nhau.

 

Trước thế kỹ thứ 16, đã có rất nhiều ý tưởng để tạo ra một dụng cụ có thể phóng đại một vật thể lên 2 lần hoặc lớn hơn. Từ cách tạo ra một thấu kính lồi được mài một cách tỉ mỉ và tinh xảo, đến sự kết hợp nhiều thấu kính trên một đường thẳng. Tại thời điểm đó, Hans Janssen – một thợ làm kính người Hà Lan và con trai ông, Zacharias được cho là những người đã tạo ra chiếc kính hiển vi phức hợp đầu tiên, với độ phóng đại có thể điều chỉnh trong khoảng từ 3 đến 9 lần. Cùng thời gian này, các nhà khoa học khác đã chế tạo ra các dụng cụ phóng đại tương tự. Năm 1609, Galileo Galilei đã thiết kế lại chiếc kính viễn vọng của ông để biến nó thành một chiếc kính hiển vi với một thấu kính phân kỳ đóng vai trò như một thị kính và một thấu kính hội tụ thực hiện chức năng của một vật kính. Một chiếc kính hiển vi sơ khai khác được cấu tạo bởi hai thấu kính hội tụ được giới thiệu trong khoảng năm 1620 bởi nhà thiên văn học Cornelius Drebbel nhưng ý tưởng này chính là của Johannes Kepler.

 

 

kính hiển vi vision

 

Học giả người Anh Robert Hooke chính là người đã đặt nền móng cho ngành khoa học hiển vi còn tương đối mới mẻ lúc bấy giờ. Năm 1667 ông đã cho xuất bản một cuốn sách với nội dung căn bản về chủ đề gọi là “Micrographia”. Cuốn sách với những hình vẽ mà ông quan sát được với kính hiển vi đã giúp công chúng được tiếp cận gần hơn với thế giới vi mô. Trong đó có những hình ảnh có độ phóng đại lên đến 50x. Chiếc kính hiển vi của Robert Hooke được chế tạo bởi Christopher Cock, một thợ cơ khí ở London. Ông đã cải tiến chúng bằng cách kết hợp một chiếc đèn dầu thông thường với một quả cầu bằng thủy tinh có chứa nước bên trong để tập trung ánh sáng vào mẫu vật được quan sát, nhờ đó mẫu vật được chiếu sáng đồng đều hơn. Tuy nhiên, hiện tượng quang sai đã gây ra những khó khăn đáng kể cho Robert Hooke, nhất là khi ông kết hợp hai thấu kính với nhau.

 

Độ phóng đại hiển vi cao nhất trong đạt được khoảng thời gian kể trên thuộc về một nhà buôn vải người Hà Lan có tên Antonie van Leeuwenhoek (1632 – 1723). Vốn là một người đam mê hiển vi, Leeuwenhoek đã thành công trong việc tạo ra một chiếc kính hiển vi có độ phóng đại lên đến hơn 200x. Tuy nhiên, thay vì làm việc với một chiếc kính hiển vi phức hợp như Robert Hooke, ông sử dụng một chiếc kính hiển vi chỉ có duy nhất một thấu kính. Nhờ đó ông đã tránh được các vấn đề gây ra bởi hiện tượng quang sai khi sử dụng hai thấu kính. Tuy nhiên, bất lợi của việc sử dụng một thấu kính là phải đặt dụng cụ rất gần với mắt. Thậm chí cho đến ngày nay, người ta cũng chưa thể biết được tại sao Leeuwenhoek lại có thể tạo ra được những thấu kính tốt đến như vậy, chúng hầu như không có tạp chất bề mặt cũng như các khiếm khuyết hình dạng và cho phép độ phóng đại cao. Khi Leeuwenhoek mất năm 1723 ở tuổi 91, những kiến thức về kỹ thuật chế tạo thấu kính cũng đi theo ông. Nhờ độ phóng đại tốt của những chiếc hiển vi của mình, Leeuwenhoek là người đầu tiên quan sát được các tế bào sống và chuyển động như vi khuẩn và tinh trùng. Những chiếc kính hiển vi ban đầu chỉ được xem như thú tiêu khiển dành cho giới thượng lưu, đồng thời giá trị của chúng đối với khoa học cũng chưa được công nhận. Do đó, nhiều thập kỷ trôi qua mà không có một sự cải tiến mang tính tiên phong nào về mặt kỹ thuật. Chỉ đến thế kỷ 18, khi mà người ta chế tạo ra được những vật kính tiêu sắc đầu tiên để hạn chế các sắc sai chủ yếu gây ra bởi sự không hoàn hảo của các thấu kính thì độ phân giải mới được cải thiện. Một trong những nguyên nhân khiến cho việc phát minh ra các vật kính tiêu sắc mất nhiều thời gian đến vậy là bởi một lý thuyết của Isaac Newton. Mặc dù là một trong những nhà khoa học tự nhiên nổi tiếng nhất thời đó, nhưng Newton đã sai lầm khi cho rằng hiện tượng sắc sai là không thể khắc phục được 

 

Vào đầu Thế kỷ 19, Joseph von Fraunhofer đã có thể giảm thiểu quang sai của ảnh hơn nữa bằng những cải tiến đáng kể về chất lượng của loại vật liệu thủy tinh dùng để chế tạo kính hiển vi quang học. Vào giữa Thế kỷ 19, Giovanni Amici tiến thêm một bước với việc phát triển các vật kính ngâm nước và ngâm dầu. Cuối cùng, vào năm 1873, Ernst Abbe đã đặt nền móng khoa học cho việc sản xuất ra các thế hệ kính hiển vi mạnh mẽ về sau. Trước đó, người ta chế tạo các thấu kính cho kính hiển vi bằng cách thử nghiệm và làm lại, chứ không phải bằng cách tính toán quang học. Tuy nhiên, cũng trong khoảng thời gian đó, Abbe đã dự đoán rằng độ phân giải tối đa có thể đạt được đối với một kính hiển vi quang học là 200nm. Cùng với cơ sở cho các tính toán quang học, Abbe đã cải tiến các vật kính ngâm dầu và cho ra một thiết bị chiếu sáng tối ưu trong một vài năm sau đó. Cũng chỉ một vài năm sau, August Koehler đã phát triển một phương pháp chiếu sáng mang tên ông, về sau trở thành tiêu chuẩn trong chiếu sáng hiển vi và vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay.

 

Nửa đầu Thế kỷ 20 đã chứng kiển rất nhiều khám phá đặt nền tảng cho các kỹ thuật hiển vi hiện đại. Trong đó quan trọng nhất là việc thiết lập nên những nguyên lý cơ bản cho hiển vi huỳnh quang và các kỹ thuật có liên quan như hiển vi nhị và đa photon. Một sự phát triển mang tính cách mạng khác đối với khoa học hiển vi là sự ra đời của chiếc kính hiển vi tương phản pha đầu tiên của Fritz Zernike vào năm 1941. Một vài năm sau, ở thời điểm bắt đầu của nửa sau Thế kỷ 20, Georges Nomarski đã phát minh ra một kỹ thuật hiển vi khác gọi là tương phản pha giao thoa khác biệt (DIC). Và cũng giống như tương phản pha, kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay.

 

Một bước tiến quan trọng cho sự phát triển sau này của hiển vi huỳnh quang là sự khám phá ra chất đánh dấu GFP (Green Flourescing Protein). Nó đến từ loại sứa có tên Aequorea victoria và được mô tả lần đầu tiên bởi Osamu Shimomura vào năm 1961. Trong những năm 1990, Douglas Prasher and Martin Chalfie đã thành công trong việc lần đầu tiên tái tạo GFP bên ngoài cơ thể sứa và do đó nó có thể được dùng như là một chất đánh dấu cho các protein khác. Trong những năm sau đó có rất nhiều các kỹ thuật hiển vi huỳnh quang đã được phát triển và cải tiến. Những kỹ thuật như FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) và TIRF (Total Internal Reflection Microscopy) vẫn đóng một vai trò quan trọng trong hiển vi hiện đại.

 

Năm 1957, Marvin Minsky đã đăng ký sáng chế đầu tiên về hiển vi đồng tiêu. Ban đầu, phát minh này không gây được sự chú ý đối với giới khoa học. Tuy nhiên sau khi phương pháp này được cải tiến nhờ kỹ thuật laser, nó cuối cùng cũng được chấp nhận và trở thành một kỹ thuật hiển vi được sử dụng rộng rãi.

 

Kính hiển vi Vesion

 

Tiến bộ mang tính đột phá cuối cùng trong hiển vi quang học được giới thiệu vào những năm 1990 bởi Stefan Hell, người đã phát triển các kỹ thuật hiển vi huỳnh quang độ phân giải siêu cao. Điều này cuối cùng đã cho phép vượt qua giới hạn về độ phân giải của định luật nhiễu xạ Abbe. Sử dụng kỹ thuật hiển vi đồng tiêu STED (Stimulated Emission Depletion) hay hiển vi trường rộng độ phân giải siêu cao GSDIM (Ground State Depletion Microscopy followed by Individual Molecule Return), giờ đây người ta có thể phân giải các cấu trúc nhỏ cỡ nanomet. Stefan Hell cùng với Eric Betzig và William Moerner đã được trao giải Nobel về Hóa học năm 2014 cho những đóng góp của họ đối với sự phát triển của hiển vi huỳnh quang độ phân giải siêu cao.

 

Đây là toàn cảnh về cái cách mà con người đã tạo ra kính hiển vi. Nó thực sự là một quá trình tích lũy lâu dài về kiến thức cũng như kính nghiệm trong chế tác. Tôi thực sự thán phục cái cách mà con người ngày ngày tìm tòi và phát triển tri thức. Còn các bạn thì sao? Hãy để lại lời bình hoặc phản biện nếu tôi có gì sai sót và hãy đợi tôi ở những bài kế tiếp nhé.

Thân!