Microscope

Microscope optique Leitz de 1909, un microscope de laboratoire typique de l'époque.

Un microscope est un instrument scientifique utilisé pour observer des objets trop petits pour être vus à l'œil nu. La microscopie est la science de l'étude de petits objets et structures à l'aide d'un tel instrument. Le microscope est un outil important en biologie, médecine et science des matériaux dès que les facteurs de grossissement d'une loupe se révèlent insuffisants.

Les principes physiques utilisés pour l'effet de grossissement peuvent être de nature très différente. Les types les plus connus sont les microscopes optiques qui sont équipés d'une seule ou plusieurs lentilles permettant de récupérer l'image d'un objet éclairé ou traversé par une source lumineuse. Au fil du progrès, d'autres techniques ont permis de reconstituer des images plus précises comme les microscopes électroniques ou les microscopes en champ proche.

Étymologie

Le mot microscope vient du grec μικρός / mikrós (« petit ») et σκοπεῖν / skopeîn (« regarder »).

Histoire

Les objets ressemblant à des lentilles remontent à 4 000 ans, suivis de plusieurs siècles d'écrits sur l'optique. La première utilisation connue de loupes remonte à l'utilisation des lentilles dans les lunettes au XIII^e siècle. La technique de microscopie la plus ancienne connue est la microscopie optique, qui a probablement été développée aux Pays-Bas vers 1600. Elle consiste en l'observation d'un objet à travers une lentille de verre près de l'échantillon et un oculaire près de l’œil. Son invention fait suite à celle des lunettes astronomiques.

L'inventeur est inconnu, même si de nombreuses affirmations ont été faites au fil des ans, dont plusieurs tournent autour des centres de fabrication de lunettes aux Pays-Bas. L'une des affirmations est qu'il a été inventé en 1590 par Zacharias Janssen (affirmation faite par son fils) ou le père de Zacharias, Hans Martens, ou les deux. Un autre inventeur possible est leur voisin et fabricant de lunettes concurrent, Hans Lipperhey (qui a demandé le premier brevet de télescope en 1608). Un autre encore est l'expatrié Cornelis Drebbel, qui a été noté comme en ayant une version à Londres en 1619.

Galilée, parfois cité comme l'inventeur du microscope, semble avoir découvert après 1610 qu'il pouvait faire la mise au point de son télescope pour observer de petits objets et, après avoir vu un microscope construit par Drebbel et exposé à Rome en 1624, il a construit sa propre version améliorée. Giovanni Faber a inventé le nom « microscope » pour celui que Galilée a présenté à l'Accademia dei Lincei en 1625 (Galilée l'avait appelé occhiolino, « petit œil »).

La résolution maximale d'un microscope optique classique possible physiquement dépend de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Elle est limitée à environ 0,25 micromètre, au mieux. Cette limite est appelée critère de résolution d'Abbe. Ernst Abbe en a en effet décrit les lois sous-jacentes à la fin du XIX^e siècle. Cependant, elle peut maintenant être surmontée grâce à certaines méthodes.

Les microscopes électroniques, qui ont été développés depuis les années 1930, permettent une résolution plus élevée car les faisceaux d'électrons ont une longueur d'onde plus petite que la lumière visible. Les microscopes à force atomique fonctionnent selon un principe différent : des aiguilles très fines scannent la surface des objets.

Microscopes optiques

Historiquement, le microscope optique est le premier instrument focal. En utilisant la lumière visible et une grande ouverture numérique la meilleure résolution l'on puisse atteindre est de l'ordre de 200 à 400 nm. En imagerie directe, la microscopie optique atteint alors seulement la limite supérieure du domaine nanométrique. Cependant, beaucoup de spectroscopies optiques ont été adaptées avec succès à l’étude des nano-structures individuelles, en particulier la diffusion élastique de la lumière, l'absorption, la luminescence et la diffusion Raman. Des mesures sur nano-structure unique, et même sur molécule unique, sont possibles si une seule de ces espèce se trouve dans le champ de vision du microscope.

Les principaux microscopes optiques utilisés sont :

• le microscope à lumière polarisée ;
• le microscope à contraste de phase ;
• le microscope à contraste interférentiel ;
• le microscope en fluorescence ;
• le microscope confocal.

Microscopes électroniques

Les microscopes électroniques utilisent un faisceau collimaté d'électrons accélérés par des tensions de l'ordre d'une centaine de kilovolts, par la suite des lentilles électrostatiques et magnétiques vont focaliser ce faisceau sur l'échantillon. En sortant de l'échantillon les électrons vont arriver sur une plaque détectrice qui va reconstruire une image. Cette image peut atteindre une résolution subatomique en théorie, bien supérieure à ce qu'on peut atteindre avec un microscope optique. Ce pouvoir de résolution est fixé par la longueur d'onde du faisceau d'électrons λ , et il s'exprime de la façon suivante :

$R\approx {\frac {\lambda }{2\beta }}$

où β désigne l'ouverture numérique.

Les trois principaux types de microscopes électroniques sont :

• le microscope à transmission électronique (TEM) :

Lorsqu’on utilise un microscope électronique à transmission, un faisceau d’électrons traverse l’échantillon observé à grande vitesse, l’image obtenue est en noir et blanc et dépend de la quantité d’électrons ayant traversés l’échantillon.

• le microscope à balayage électronique (SEM) :

Lorsqu’on utilise un microscope électronique à balayage, le faisceau d’électrons ne traverse pas l’échantillon mais balaye sa surface, l’image obtenue est en noir et blanc et présente des contrastes permettant d’avoir une vue sur les reliefs de l’échantillon.

• le microscope à réflexion électronique (REM).

Microscopes à sonde locale

Les microscopes à sonde locale sont des microscopes permettant de cartographier le relief ou une autre grandeur physique à l'échelle atomique, en balayant la surface à imager à l'aide d'une pointe extrêmement fine (idéalement un cône se terminant par un seul atome).

Les trois principaux types de microscopes à sonde locale sont :

• le microscope à force atomique (AFM), qui utilise la force de répulsion entre d'une part les nuages électroniques des atomes de la surface à imager et d'autre part le nuage électronique des atomes de la pointe ;
• le microscope à effet tunnel (STM), qui mesure la topographie à l'aide du courant tunnel apparaissant entre une pointe conductrice et la surface à cartographier ;
• le microscope optique en champ proche (SNOM ou NSOM), qui utilise la présence d'onde optiques évanescentes à la périphérie immédiate d'une surface transparente, qui sont captées par une fibre taillée en pointe.

Voir aussi

Articles connexes

• Liste d'instruments et équipements scientifiques
• Pouvoir de résolution
• Macroscope
• Antoni van Leeuwenhoek

Liens externes

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• Microscope
• Microscopes : observer le vivant pour combattre les maladies sur le site de l'Institut Pasteur
• « Microscope : la face cachée de la vie », Eurêka ! , France Culture, 5 août 2021.