Microscópio

Um microscópio é um instrumento de laboratório usado para examinar objetos pequenos demais para serem vistos a olho nu. A microscopia é a ciência que investiga objetos e estruturas pequenas com o auxílio de um microscópio. Microscópico designa aquilo que não pode ser visto a olho nu sem esse auxílio.

Há muitos tipos de microscópios, que podem ser agrupados de formas diferentes. Uma classificação considera o modo como o instrumento interage com uma amostra e produz imagens, seja fazendo passar ou incidindo um feixe de luz ou elétrons sobre a amostra em seu caminho óptico, detectando emissões de fótons da amostra, ou percorrendo sua superfície a curta distância com uma sonda. O tipo mais comum, e o primeiro a ser inventado, é o microscópio óptico, que usa lentes para refratar a luz visível que atravessou uma amostra cortada em seção fina com um micrótomo, ou a luz refletida pela superfície de um objeto, formando uma imagem observável. Outros tipos amplamente usados são o microscópio de fluorescência, o microscópio eletrônico, em suas formas de transmissão e varredura, e os microscópios de varredura por sonda.

História

miniatura|direita|200px|Microscópios do século XVIII do Musée des Arts et Métiers, em Paris

Embora objetos semelhantes a lentes remontem a cerca de 4.000 anos e existam relatos gregos do século V a.C. sobre as propriedades ópticas de esferas cheias de água, seguidos por muitos séculos de textos sobre óptica, os primeiros usos conhecidos de microscópios simples, ou lupas, remontam à difusão das lentes em óculos no século XIII. S2CID 96668398. ISBN 0-486-43265-3.Atti Della Fondazione Giorgio Ronchi E Contributi Dell'Istituto Nazionale Di Ottica, vol. 30, La Fondazione, 1975, p. 554. SBN 434 26844 5. Os primeiros exemplos conhecidos de microscópios compostos, que combinam uma lente objetiva próxima da amostra com uma ocular para observar uma imagem real, surgiram na Europa por volta de 1620.

Não se sabe quem inventou o microscópio composto, embora diferentes nomes tenham sido propostos ao longo dos anos. Algumas hipóteses surgiram nos centros de fabricação de óculos dos Países Baixos. Entre elas está a afirmação de que Zacharias Janssen o teria inventado em 1590, feita posteriormente por seu filho, ou de que a invenção teria sido de seu pai, Hans Martens, ou dos dois. Outra hipótese atribui o aparelho ao vizinho e concorrente dos Janssen, o fabricante de óculos Hans Lippershey, que solicitou a primeira patente de telescópio em 1608. Também se atribuiu a invenção ao expatriado Cornelis Drebbel, que possuía uma versão do instrumento em Londres em 1619.Rosenthal, William. Spectacles and Other Vision Aids: A History and Guide to Collecting. Norman Publishing, 1996, pp. 391–392.

Galileu Galilei, também citado em algumas versões como inventor do microscópio composto, parece ter descoberto depois de 1610 que podia ajustar seu telescópio para focalizar objetos próximos. Depois de ver um microscópio composto construído por Drebbel e exibido em Roma em 1624, Galileu construiu sua própria versão aperfeiçoada.Seeger, Raymond J. Men of Physics: Galileo Galilei, His Life and His Works. Elsevier, 2016, p. 24.Rosenthal, J. William. Spectacles and Other Vision Aids: A History and Guide to Collecting. Norman Publishing, 1996, p. 391. Em uma carta a Federico Cesi, Giovanni Faber criou o nome italiano microscopio para o microscópio composto que Galileu apresentou à Accademia dei Lincei em 1625.O nome deriva do grego antigo μικρός (mikrós), "pequeno", e σκοπέω (skopéō), "olhar", "examinar" ou "inspecionar".Biagetti, Maria Teresa. "Dispersed collections of scientific books: The case of the private library of Federico Cesi (1585–1630)". In: Bruni, Flavia; Pettegree, Andrew, eds. Lost Books: Reconstructing the Print World of Pre-Industrial Europe. Leiden: Brill, 2016, p. 396. ISBN 978-90-04-31181-7. Google Books.Faber, Giovanni. "1719: Giovanni Faber a Federico Cesi in Acquasparta". In: Favaro, Antonio, ed. Le Opere di Galileo Galilei. Vol. XIII. Florença: Tipografia Barbèra, 1890, p. 264. Carta original de 13 de abril de 1625. Internet Archive.Gould, Stephen Jay. "The sharp-eyed lynx, outfoxed by nature". In: The Lying Stones of Marrakech: Penultimate Reflections in Natural History. Cambridge: Harvard University Press, 2011, pp. 27–52, especialmente pp. 48–49. Obra publicada originalmente em 2000. ISBN 978-0-674-06167-5. Google Books. Galileu chamava o aparelho de occhiolino, "olhinho".

René Descartes, em Dioptrique, de 1637, apresentou microscópios nos quais um espelho côncavo, com a concavidade voltada para o objeto, era usado junto com uma lente para iluminar o objeto, montado em um ponto que o mantinha no foco do espelho.Henker, Otto. "Microscope". Encyclopædia Britannica, 11.ª ed., vol. 18. Cambridge University Press, 1911, p. 392.

Desenvolvimento dos microscópios ópticos modernos miniatura|Microscópio de bancada criado por Joseph Gutteridge na década de 1860, na coleção do Herbert Art Gallery and Museum

O primeiro relato detalhado da anatomia microscópica de tecido orgânico baseado no uso de um microscópio surgiu em 1644, em L'occhio della mosca, ou The Fly's Eye, de Giambattista Odierna.

O microscópio ainda era em grande parte uma novidade até as décadas de 1660 e 1670, quando naturalistas da Itália, dos Países Baixos e da Inglaterra começaram a empregá-lo no estudo da biologia. O cientista italiano Marcello Malpighi, chamado de pai da histologia por alguns historiadores da biologia, iniciou suas análises de estruturas biológicas pelos pulmões. A publicação de Micrographia, de Robert Hooke, em 1665, alcançou ampla repercussão, em grande parte devido às suas ilustrações. Ao observar a cortiça, Hooke chamou de "células" as pequenas cavidades que viu ao microscópio, introduzindo o termo em seu uso biológico. Hooke também produzia pequenas lentes a partir de glóbulos de vidro formados pela fusão das extremidades de fios de vidro.

Antonie van Leeuwenhoek alcançou ampliações de até 300× com um microscópio simples de lente única. Ele prendia uma pequena lente esférica de vidro entre orifícios em duas placas metálicas rebitadas e usava uma agulha ajustável por parafusos para fixar a amostra. Van Leeuwenhoek voltou a observar hemácias, depois de Jan Swammerdam, e espermatozoides, e ampliou o uso de microscópios para a observação da microestrutura biológica. Em 9 de outubro de 1676, relatou a descoberta de microrganismos.

miniatura|Microscópio composto binocular Carl Zeiss, 1914

O desempenho de um microscópio óptico composto depende da qualidade e do uso correto do sistema de lentes do condensador, que focaliza a luz sobre a amostra, e da lente objetiva, que capta a luz proveniente dela e forma a imagem. Os primeiros instrumentos tinham limitações até que esse princípio fosse compreendido e desenvolvido, entre o fim do século XIX e o começo do século XX, e até que lâmpadas elétricas passassem a estar disponíveis como fontes de luz. Em 1893, August Köhler desenvolveu um princípio de iluminação de amostras, a Iluminação Köhler, que permite aproximar o microscópio óptico de seus limites teóricos de resolução. O método produz iluminação uniforme e reduz as limitações de contraste e resolução das técnicas anteriores. Outros avanços vieram da microscopia de contraste de fase, desenvolvida por Frits Zernike em 1953, e da iluminação por contraste de interferência diferencial, criada por Georges Nomarski em 1955. As duas técnicas permitem obter imagens de amostras transparentes e não coradas.

Microscópios eletrônicos

miniatura|Microscópio eletrônico construído por Ernst Ruska em 1933

No início do século XX surgiu uma alternativa ao microscópio óptico, baseada no uso de um feixe de elétrons em vez de luz para gerar a imagem. O físico alemão Ernst Ruska, em trabalho conjunto com o engenheiro eletricista Max Knoll, desenvolveu em 1931 o primeiro protótipo de microscópio eletrônico, um microscópio eletrônico de transmissão ou MET. O microscópio eletrônico de transmissão emprega princípios semelhantes aos do microscópio óptico, mas usa elétrons no lugar da luz e eletroímãs no lugar de lentes de vidro. Como o comprimento de onda associado aos elétrons pode ser muito menor que o da luz visível, o instrumento alcança resoluções muito maiores.

O desenvolvimento do MET foi seguido em 1935 pelo trabalho de Max Knoll no microscópio eletrônico de varredura. Microscópios eletrônicos de transmissão já eram usados em pesquisas antes da Segunda Guerra Mundial e tiveram uso mais amplo depois do conflito. O microscópio eletrônico de varredura só se tornou disponível comercialmente em 1965.

Ruska, trabalhando na Siemens, desenvolveu o primeiro microscópio eletrônico de transmissão comercial. Na década de 1950 começaram a ser realizadas grandes conferências científicas dedicadas à microscopia eletrônica. Em 1965, o professor Charles Oatley e seu aluno de pós-graduação Gary Stewart desenvolveram o primeiro microscópio eletrônico de varredura comercial, vendido pela Cambridge Instrument Company com o nome "Stereoscan".

A microscopia eletrônica também pode ser usada para identificar vírus. Como a imagem é formada diretamente pela interação dos elétrons com a amostra, a morfologia de partículas virais e outras estruturas celulares pode ser examinada sem depender de reagentes de marcação específicos, auxiliando a identificação de agentes patogênicos.

Microscópios de varredura por sonda

miniatura|Primeiro microscópio de força atômica

De 1981 a 1983, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer trabalharam na IBM, em Zurique, na Suíça, no estudo do fenômeno do tunelamento quântico. A partir da teoria do tunelamento quântico, criaram um instrumento prático de varredura por sonda capaz de detectar interações muito pequenas entre uma sonda e a superfície de uma amostra. A sonda se aproxima tanto da superfície que elétrons podem fluir continuamente entre ela e a amostra, produzindo uma corrente.

O instrumento teve recepção inicial limitada devido à dificuldade das explicações teóricas que sustentavam seu funcionamento. Em 1984, Jerry Tersoff e D. R. Hamann, então nos Bell Labs da AT&T em Murray Hill, Nova Jérsia, começaram a publicar trabalhos que relacionavam a teoria aos resultados experimentais obtidos pelo aparelho. Instrumentos comerciais funcionais surgiram em 1985. Em 1986, Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber inventaram o microscópio de força atômica. No mesmo ano, Binnig e Rohrer receberam o Prêmio Nobel de Física pelo desenvolvimento da microscopia de tunelamento por varredura.

Novos tipos de microscópios de varredura por sonda passaram a ser desenvolvidos à medida que avançaram as técnicas de fabricação de sondas e pontas ultrafinas.

Microscópios de fluorescência

miniatura|Microscópio de fluorescência com a torreta de cubos de filtros acima das objetivas, acoplado a uma câmera

Parte dos avanços mais recentes da microscopia óptica ocorreu com a expansão da microscopia de fluorescência em biologia. Nas últimas décadas do século XX, em especial na era posterior ao sequenciamento dos genomas, foram desenvolvidas muitas técnicas de coloração fluorescente de estruturas celulares. Entre elas estão a coloração química dirigida a estruturas específicas, como o composto DAPI, usado para marcar DNA, o uso de anticorpos conjugados a marcadores fluorescentes, empregado na imunofluorescência, e proteínas fluorescentes como a proteína fluorescente verde. Esses fluoróforos permitem analisar estruturas celulares em escala molecular, em amostras vivas ou fixadas.

A expansão da microscopia de fluorescência levou ao desenvolvimento do microscópio confocal. O princípio foi patenteado por Marvin Minsky em 1957, mas a tecnologia de laser disponível limitava sua aplicação prática. Em 1978, Thomas Cremer e Christoph Cremer desenvolveram um dos primeiros microscópios confocais práticos de varredura a laser, e a técnica passou a ser adotada de forma ampla na década de 1980.

Microscópios de super-resolução