COMENTARIS SOME EL DESENVOLUPAMENT

DE LA MICROSCOPIA *

Comunicacio presentada el dia 2 1 de gener pel doctor

LLUIS VALLMITJANA

Professor d'llistologia a la Facultat de Cicncies

de la Unicersitat de Barcelona

" Nota exposada com a introduccio al segon curs de IUicroscbpia Electronica, acom-

panlada d'un estudi del microscopi ((Scanning)) a carrec de R. Bargallo.

Conn a introduccio al curset de Microscopia, considercm ncccssari d'ex-

posar primer unes idees sobre el microscopi optic coin a base o preludi del

microscopi electronic.

El nostre desig seria de fer una recopilacil '> del fonarnent, de les varie-

tats i (le les aplicacions , dels principals tipus de microscopic , pcro natural-

nicnt aixo no es possible de resmmnir -ho en una brcu sessio , i potser tanlbe

ens manta la informacio necessaria.

Ens limitarem a exposar alguns punts fonamentals de la microscopia,

cls progressos principals i les idecs que han servit per a aquest salt que ha

consistit a passar de la microscopia fotimica a l'electronica . Per tot aixil

seguirem urn criteri de tipus historic.

Naturahnent, es quasi impossible d ' iniciar una revisio historica amb

el temps de quc disposem , adhuc prescindint dc l'origen dels mate-

rials principals ( vidre , certs i netalls , que en bona part poden esser reem-

placats ). Tanabe prescindireln de possibles intents o assaigs sense conti-

nuitat ni aplicacio reconeguda (vegeu la bibliogralia).

Podem iuiciar els punts o fets folnamentals amh el segle xvll; abans ja

era coneguda la lupa i tanlbe els miralls , be que en general amb molt

poques aplicacions.

Afegirenn que, en I'esmentada cpoca, en ens incipients estudis d'optica

hone barrejava assaigs per a corregir la visio i augnlentar la imatge annb

els instruments de visio a (listancia i d'altres.

Ens pernietem de recordar algunes chides fonaunentals : a la primera mei-

tat del segle xvlr, tenim la iniciacio del microscopi compost; entre els

primers constructors ( 16oo 1 1(;30) recordeun ens assaigs de G-AI.II . Eu, JANS-

SEN, LIPPERSIIEY, mes lard R. HOOKE, 1)m'INI i tanlbe el projecte mitjan-

(;ant grans espills de DESCARTES, etc., * encara que en aquella cpoca el

seu us era compartit annb el del microscopi simple (LEEUWENInoEK , etc.).

Despres el microscopi experinlenta una scrie de perfeccionaments , sobretot

]es corrections dels defectes principals de les lents (correccic del croma-

tIs111C , ISoo-1523, aproximadament , BEELDSNYDER , VAN DEN-I ., SEI.I.IGUE,

CHEVALIER , AMICI, LISTER, etc.).

Finalment , entre 1870 i 1873, ABBE i d ' altres estudiaren i perfecciona-

* llonl son esnlcnIar d'ahres noms, pcro sembla que foren uusuaris», pcro no cons-

u actors (Bon i r., Scorr. kIRCIlI R, Sn i.l.i r1, tic.).

29

4 LLUIS VALLIIITJANA

ren encara mcs l'optica. L'esnicntat ABBE (18oo-1883) construi els sistemesapocromatics, pero tambe precisa amb la seva famosa formula que horn jahavia aconseguit Cl maxim poder resolutiu, bo i limitant tot possible per-feccionament posterior; vegeu a les taules I, II i III el perfeccionamentd'alguns tipus d'objectius per certs constructors.

Corn a fruits del microscopi acromatic tenim grans progressos de I'Ana-

tomia Microscopica i el desenvolupament de la Microbiologia, aixi comde la Histologia i de la Citologia (teoria cellular), etc.; amb les Lentsapocromatiqties horn perfecciona molts coneixements i son descoberts cisorganuls cellulars, pero la manta de resolucio, per les conditions de la11un1, tally el progres i planteja una munio de dubtes (vegeu un resunien ROOSEBOOM 31)

Sense oblidar alguns dispositius especials (ultramicroscopi, hum po-laritzada, hum obliqua) i altres tipus de microscopia (KOHLER, optica dequars i <<llunu ultraviolada), horn aconsegueix de millorar un xic la reso-lucio; altres metodes (Lents de Spirer, illuminacio segons Rheinberg, fluo-rescencia, contrast fasic i interferencial) tenen uns certs avantatges perono incrementen el limit de separacio.

Aprofitant les ensenyances de la microscopia optica, pero adaptant totel conjunt per a utilitzar la suposada uona associada a 1'electr6ll, horn ini-cia el 1932 la microscopia eiectronica, la qual, amb el seu colossal poderde resolucio, aconsegueix de posar de manifest sensacionals details de laultrastructura cellular. Les tccniques auxiliars son de gran complicacioi delicadesa.

Per a la nova microscopia cal emprar: produccio (emissio) d'electrons;

concentracio i acceleracio d'aquests, dispositius per a desviar el trajecte

que recorre i'electro com una lent desvia un raig de Hum, inecanisme per

a captar la imatge final. A nies, 1i calen diversos accessoris lnecanics i

eiectrics auxiliars: produccio i manteniment del buit, etc.

Amb el nou aparell cal remarcar la troballa de la ultrastructura comn-

plexa i composta del condriosoma. Hom ha trobat tambe una ultrastructura

complexa en els plasts, aparell de Golgi i centrfol. La deiinlitacio i les ca-

racteristiques d'aquestes estructures, encara que no son definitives, han

progressat molt.

L'ergastoplasma, inalgrat que ja fou sospitat, ha passat a constituiruna realitat. Tambe ha estat descobert el ribosorna (i en un altre terrenyels virus), i tambe els microtubuls, els lisosomes i els microsomes hanconstituiit realitats hen visibles i caracteristiques.

Finalment no oblidem l'estructura interna dels cilis i la realitat iles caracteristiques de la membrana cellular.

No podem, pero, ocultar dos grans defectes del microscopi electronic: Les

ccllules no poden csser-hi vistes senceres ni possiblement tanipoc vives.

30

EL DESE.A i'OLUL'. 1:11LV 'T DE LA .111CROSCOP1.1 i

A part el microscopi electronic basic (de transmissi6), horn ha assajat

altres tipus amb els quals s6n obtinguts efectes especials; on (Fells cs el

d'emissi6 o ((scanning)), molt interessant per a l'estudi de superficies i

rclleus.

No obstant aixo, per a l'estudi de la ccllula ((viva i sencera)) (amb mi-

croscopi optic), cal pensar que a mcs dels mitlans actuals, pugui esscr mi-

llorada la resolucio i incremerttat l'augment fins a obtenir unes tccniques

de tipus interlnedi entre la nlicroscopia fotonica i 1'electronica actual.

La utilitraci6 de la Hum coherent, el registre de la iluatge de difrac-

ci6 interm&dia i cl seu ((revelat)) 0 interpretacio gels procediments equi-

valents it l'holografia, etc., permeten d'aspirar it sous proxims avancos en

el camp de la microscopi a.

En les tattles segiients horn pot veure el perfeccionamcnt gradual i la

resolucio de les lents durant el segle passat; it la taula IV, el rapid per-

feccionament del microscopi electronic. I a 1'ultima llista hi ha una

ressenya cronologica dels avancos obtinguts. Les referencies son preses de

BRADBURY I FREEMAN.

T:1tL:1 I

E.sempl(• de ice cara(leris!igt(es i enolaci(i (lels objeclites fab)ieals /0er la Casa Powell(p)(sleriormeni Powell i Lealand)

DataDistancia focalcn polzades Angle d'obertura Obcrtura nutnerica

1838 1" 20' 0.25

1/2" 26° 0.22

1/4" 40- 0.341 /8" 6o" 0,50

1840 1 /2" 40- 0.3-1

74 0.60

1857 1 /4" 8( 0,70

1/ 12" 137" o.t)3

1/10" 175 0.991 86o 1 "25" 1 75' + proper a 1,o

1864 1/50" ?

1/8o" ? ?

31

I1. DFSEATOLUPA,11F,A'T DE LA MIICROSCOPIA

TAULA III

Desenvolupament this object us apocromaatics

Anv Fabricant SistemaDistancia Obertura

focal numcrica

1883 Abbe sec I" o,,;o

1883/4 Abbe sec 1 /6 " o,86

1886 Zeiss sec 1" 0,30

(dissenN ,ats sec 2 /3" 0,30

per Abbe) sec 1 /2 " 0,6o

sec 1/3" o,6osec 1 /4" 0,95sec 1 /6" 0,95

» aigua 1/ 1o" 1 ,25oli 1/8" 1,30oli 1/ 12" 1,30

oli 1/8" 1,40oli 1/12" 1,40

1888 sec 1/4"

0,95sec 1 /6" 0,95

1889 sec 1/8" 0,95

oli I /1(;" 1,30

1894 sec 1/8" 0,95

oli 1/ 12" 1 ,3o1895 sec 1/6" 0,95

1897 restes de serie

1889 » monobromur 1/10" 1 ,63

de naftale

1892 Powell & oli 1/8" 1,40Lealand

oli 1/10" 1,40o l i 1/12" 1,40oli 1 /20" 1,40

» oli I/ Io" 1,50

oli 1/12" 1,x10

oli 1/20" 1,50

Comentaris

i

Objectius experiulentals

Primera serie; vidre inesta-ble en certs elements i leslents no eren de confiancadespres d'un temps en de-terminats climes.

Segona serie; recalculada i

amb millors correccions.

Tercera serie; construida

amb vidre non.

Poques unitats; costaven

unes 40 Mures el 1893.

Van Heurck opinava queeren molt bons; costaven50 Mures el 1898.

33

3 LLU[S 1".l[LJILTJ.^1V'.9

Tnut.:^ IV'

Alguns ^nicroseopis electronics i llur coder resohttiu nproximnt

Any Constructor Motlel

1954 Ruska

19.'.4 Driest i ^Iullcr193(i Marton i cols. E.M. i

1 959 Siemens ( prinicrmodel comercial)

1940 RCA ^B»1940 SICn1enS

1941 R (.,^ EMU

1945 Metro-Vick E.M.z

1950 :Metro-Fick E.IVL+;

1953 Siemens l'1M^ooe

1954 Siemens Elmiskop I

lgr,(i A.E.I. I?.M.(i

ty(i,I A.E.I. E.M.fiB

Yoder resolutiu

500 R

400 .\

]^Iillor que ^

100 .^25 ^

2 ^ r^

zo ^^ o nlillor

ioo ,^ o minor

Mitjana do :;^ :C; el minor, zr, a

^ o :^

q :^

Prototipus to ^^; mes tardmilloraren a 5 ^^

5

T:wr.n ^'

Rrr^i.^^iu hi.cloricn de In mirroscb(^in elerhonica

ifir,o. O. ^^o^ t^rICR1e6P, construi el nib elecu^imic.

iii.;. I^:k^S^r Annr: demoslrii que el poder resolutiu uu^al del microscopi fotonic esta^'a

liu^itat per la longitud d'ona do la lluui emprada, aproximadamenl i/: de la

longiwd d'ona do la llum.i^Sq^. P. Bu.^uty incenta el tub de raigs catrrdics.

i&^^. 1. 1. ^I^HOJISON demostr.l relations entre els electrons i el u^b de raigs calodics.

iqo^. C. Srur^n^i calculi acuradament la u^ajectoria dell electrons en els camps mag-

net i cs.^gsq. L. l'. uc BKOCLrr: demostrir que un feix d'clcctrons por esscr considerat tom una

1926.

1927.

1931.19p.

1932.

i 9:;.}.

iq^r^.

X937•

ona en moviment, d'una manes similar a la llum.H. 13uscn demosira que un camp magnetic de forma convenient operaria tom

una lent i facia cunvergir un feix d'electrons.D. Gaaok desenvolupa una lens magnctica emoltada de Ferro.R. Ri'^UeNm^xc patent3 el projecte d'un microscopi electronic a Alernan^a.F.. ]3kucfu^. i H. JonnNNSON construu^eu el primer microscopi electri^nic electros-tatic.M. hNOir. i E. Bustin construiren el primer model de microscopi electronic queutilitzava Lents magnetiques.L. nL^arov construi un microscopi electronic magnetic simple amh el goal esfercn Les primeres obsereacions bioli^giques.E. llairsr i H. O. MuerrrR aamseguircn un augment d'aproximadament ^.ooodiametres amb una resolucio superior a la del microuopi fori^nic, usant el mi-a^oscopi electronic magnetic de hxori. i Rusti:^.1.. MARTON obtingue Les primeres microclectrografies bactcrioli^giqucs.

34

EL DESIhVi"OLUP.I,IIFST DI: L.l ,11LCROSCOPIA 9

1938. B. VON BORRIIS i E. RusK.A projectaren i consiruiren tin ilist ruulent capac d'acon-scl;ui1 2o.oocr (IianteIres d'augulent i una resolucio do too A.

19.38. A. PRranusr i J. 11ii,i,ucR fabrica en Cl primer nticroscopi electronic magnetic alsF.stats Units.

1939. I.a Contpanv ia Siemens i Halske a AlemanNa comenc:l la producciu comercial

del uticroSCOpi do BORRI S i RI SKA.

I9Io. La R. C. A. llanSa al ntereat on nticroscopi electronic comercial basat en el

lliSSe11V (IC I'RFBUSI i HILLIFR.

1940. H. Rc sts obtingttc les primeres iutatges dc virus.1940. H. M.An1, produi nit microscopi electronic electrostatic a Alenranla.1943. H. Hot issctt descobri cl fenonlen de difraccio de Fre.snel en ]es imatges del mi-

croscope electronic.1944. R. WILLIAMS i R. W. G. AVICROFF desenvoluparen la tccnica d'ombrejat que

pcrntet do ntostrar cis pcrfils dels organismes.

1945. V. IWORYSIN, G. 1MORION, E. RAsu ll-RG, J. 111LLII R i A. A ANCr: publicar en lint

text classic aLlectrun optics and the electron uticros(Ope)l.1946. J. HILLIER i F. RA111IBERG observaten el paper de 1'astigmatisme de les tents en la

liniitacit de Yalta resolucio.

1949- S. NEWMAN, E. BOR1SKO i M . SwERm.ow introdu'ircn el metacrilat com a mitjaWin( Iusi6.

1950. Ii. I.ArrA i J. HARTMANN introdtiiren Ies ganivetes de vidre per al set ionament.

1952. G. PALAUc. utilitza el telraoxid cl'osllli amorlit cons a fixador acceptable.

1953• K. PtRTrR i J. Bit M introdu'iren tun microtont apte per a tallar cis espe(imensper a nticroscopia clectronica.

1955- C. HALL usa el tintatge negatiu en la demostiacit do 1'estructura fina dels virus.1136. J. Levi dcsenvolupa la fixacio amb el permanganat.1956. O. MAALE i A. BlRCu-ANmTRSIN rceixiren en la inclusi6 de resina epoxi Araldita.1956. F. K i-l.Lr:NB!RCER, AV. SCIIwAR i A. R) ILR inforntaren (]lie tin poliester (\esto-

pal-AV) era tin medi d'ineinsi6 apte.

1g6o. J. Lure a America i H. KusinoA at Jape introdu'ircn tin altre mitja d'inclusiucpoxi, 1'Epon 812.

19.60. G. DurotY, F. I'iRRIFR i L. Di I(RItu a Toulouse (Franca) examinaren organ sinesvius a 65o kV. amb tin nou instrument projcctat per it Ileballar it 1,5 MV.

1962. J. I'RrrMAN i B. SrlRLOCI: apli(aren el Maraglas cpoxi coin a niedi d inclusi6.1963. 1). S:licvrINt, K. BINSCH i R . B:SRNI ci demostrarert que 1'estrnctura fina cellular

i 1'activitat enzinlatica es pre5etyayell anib la fixacio per ulitja d'aldehids.

BIBLIOGRAFIA

i. BARGALI.O , R. - A'ociones de Ilicioscopia filectrdnica p1ara Bidlogos. LibrerfaHerder, Barcelona, 1970.

2. BARRON, A. L. F. - Using the Microscope. Chapman and Hall Ltd., ii NewFetter Lane. Londres, 1965-

3. IllIMRURC, J. M. i altres. - The Billings llicroscoppe Collection. The AmericanKegysu'v of Pathology, Washington, 1967.

.1. BRADBt RI, S . --- The h:volntion of the .1licroscope. Perganion Press, 1967.,,. BROTiltISION , M. - F0(II1lonnennenl e1 utilisattoils des Masers et Lasers. Dunod,

Paris. 1970.

6. CLARK, G. L.. - The Fncyclo/tedia of ,llicroscopr. o(Reinhold Publ. Co.,), 1961 (Art.sobic Kist., etc.).

7. (a-AY, K. S., i Cooler. T. H. The History of the Microscoppe. Charles Griffin Co.,Loud res. 1442.

8. COSSLI Fr, V. E. - Practical Electron Microscopy. >d.onclon But . Sc. Publ. s, 1951-

35

I0 LLUIS J'.ILLAIITJANA

9. CULLI LL, R. - .-ispectos de la evolution del microscopio. ((Revista de la RealAcademia de Farmacia de Barcelona)), 9, 1g61.

10. FONVIELLE, W. Dr.. - Les Merveilles du Monde Invisible. Librairic do L. Ilachcuc,Paris, 181)7. (Altres mon(grafics en cl matrix volum.)

11. FRAN^,ON, M. - Progress in Aicrosco )V. Pergamon Press, 1961.12. FRANS:ON, M. - Holographic. Masson & Cie., Paris, lgbq.13. FREEMAN, J. A. - Cellular fine structure. An introductory Student Text & Atlas.

The Blafiston Division. McGraw-Hill Book Conlpanv, 1964.14. FRISON, ED. - L'cvo1ution de la panic optique du microscope an tours du dix-

neuvieme siecle. Les tests objects, les test-, Probe-et Typen-Plattens (Anvers).Leiden, 1954. Rijsksmuscum visor do Geschiedenis der Natuurwetenschappcn.

15. FRISON, ED. -- Henri I'crdi)land van Hew(/ 1W.1909, sa vie, son oeuvre (Avers).Leiden, 19 59. Rijsksmuseunl voor de Geschiedenis der Natllurwetenschappeu.

16. PRISON, F.D. - Geillustreerde Inventaiis van de Histoncsche Microscopen Onder-delcn en Uitrusting (11cnri an Ilcurck Museum). Koninklijke Maatschappijvoor Dicrkunde van Antwerpen.

17. 1IAIN) , M. E., i Cossl.l:-rr, V. E. -- The Electron :1ii toscope. The present stateof the art. E. & F. N. Spon Limited, Londres, 1961.

8. 11 u.1:, A. J. - The iulerference Microscope in Biological Research, E. & S. Li-vingstone, Ltd. Ediulburg i Londres, 1958-

19. 1IARTLt:v, W. G. - Microscopy. English Universities Press, Ltd., 102. NewgateStreet, Londres, 1962.

20. HOLZI., J., i BANCIIER, E. - Microscopios cldsicos. "Revista Zeiss)), 48: 64 (Ig...).21. HooKE, R. -- 11icrographia or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies

made By Magnifvind Glasses with Observations and Inquiries Thereupon. Ori-ginal 1663, Royal Soc. etc. Dover Pub., Inc., Nova York, 1961, reimpressib.

22. KRUG, RIENI'rz i SCHULZ. - Contributions to interference microscopy. Hilguer &Watts Ltd., 1964.

23. LEEUWENHOEK, A. - Opera (Epistolae Phisiologiae super compluribus naturaleArcanis). Adrianuni Benlan, Delphis, 1719. (Exemplar existent a l'InstitutBotanic.)

24. 1.EEUWKNHOEK. A. - The collected lettres of Antoni van Leeuwenhoek, Committeeof Dutch Scientists. Sweets & /citlinger, Ltd., 1939.

25. L(Yrro, E. Di. -- Dallis srne)aldo di Nerone agli ochiali del Cadore. TopografiaBenctla-Bclluno, 1956.

26. MACNAN, C. - i aite dc' Alicroscopie Ileetronigne. Hermann, r i 2, 1961.27. MARE(HAL, A., i FRAN)ON, M. - Diffraction Structure des Images. Influence de

la coherence de la lumiere. Masson & Cie., Paris, 1970.28. MEEK, G. A. -- I'ractiral Electron 11i(rostopy for Biologists. Wiley-Interscience,

a division John Wiley & Sons Ltd., Londres, Nova York, Svdnev, 'Toronto, 1970.29. MILL], A. -- Panorama general de Historia de la Ciencia. Espasa-Calpe Argen-

tina, S. A.. Buenos Aires-Mcxic, 1952.30. ORUETA Y DU.ARTE, D. OF. - Microscopia (La teoria v manejo del microscopio).

Madrid, 1923.

31. RooSEBoo2l, M. - 3/ucoscopiunn. Leiden, 1956. Rijksmuscum nor de Geschiedenisder Natuurwetcnschappen.

32. TERRII-N, J. - De la loupe an microscope electronique. Presses Universitaires deFrance, Paris, 1989.

33. WiSCHNITZER, S. - Introduction to electron microscopy. 11ergamon Press, 1962.

36