Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à comparer et contraster différents types de microscopes, et à identifier le type de microscope utilisé à partir de l’image produite. Nous allons d'abord présenter la structure et les caractéristiques d'un microscope optique puis apprendre à calculer son pouvoir grossissant total. Nous apprendrons également ce que signifient les termes de grossissement et de résolution et nous comparerons ces caractéristiques dans trois types de microscopes différents : les microscopes optiques, les microscopes électroniques en transmission et les microscopes électroniques à balayage.
Cette figure représente un microscope, un outil utilisé dans l'étude de la microscopie et de tous les aspects minuscules du monde vivant. Les organismes ou morceaux d'organismes que nous observons au microscope sont appelés des échantillons. Cette petite structure jaune représente un organisme unicellulaire appelé l’amibe. Elle est placée sur une petite couche de verre rectangulaire appelée lame. Les microscopes nous permettent de distinguer les caractéristiques de petits organismes comme cette amibe en les agrandissant. Le grossissement est combien de fois plus grande une image apparaît par rapport à l'objet de départ. Un objet observé au microscope semble donc toujours plus grand qu'il ne l'est en réalité.
Examinons les différentes parties d'un microscope optique, qui est l'exemple spécifique que nous voyons ici. Les microscopes optiques composés sont constitués généralement de deux lentilles : l'oculaire et l'objectif. Lorsque nous regardons dans un microscope, nous regardons à travers une structure appelée l'oculaire. L'oculaire contient la lentille oculaire, qui est la lentille la plus proche de l'œil de l'observateur. L’objectif est celui qui se rapproche le plus de l’objet observé.
Les microscopes optiques comme celui-ci ont généralement plusieurs objectifs qui peuvent modifier le grossissement total de l'échantillon. Ici, il y en a trois. Pour utiliser un microscope optique, nous plaçons une lame contenant notre échantillon sur une large surface plate appelée la platine et la fixons à l'aide de pinces, les valets. Nous regardons ensuite à travers l'oculaire et ajustons la mise au point si l'image est floue. Pour ce faire, nous utilisons d'abord la vis de mise au point macrométrique puis la vis de mise au point micrométrique, plus fine. Notez que si vous augmentez le grossissement, l'image sera probablement à nouveau floue. Vous devrez donc peut-être ajuster la commande de mise au point fine jusqu'à ce que vous puissiez voir une image claire et nette.
Un faisceau de lumière part de la source lumineuse, traverse l'échantillon sur la lame et entre dans l'objectif que nous utilisons actuellement, qui, dans cet exemple, est l'objectif de grossissement fois 10. De là, la lumière traverse la lentille de l'oculaire et pénètre dans l'œil de l'observateur, où elle forme une image de l'objet, plus grande que l'objet lui-même.
Dans un microscope optique, le grossissement de la lentille de l'oculaire reste le même, généralement autour de fois 10. Mais le grossissement de l'objectif que vous choisissez d'utiliser détermine le grossissement total de l'image que vous verrez. Par exemple, si nous regardons au microscope l’échantillon d'amibe sur cette lame, nous pourrions voir quelque chose qui ressemble à ceci. Si un échantillon est agrandi 100 fois, cela signifie qu'il apparaît 100 fois plus large et 100 fois plus long qu'il ne l'est réellement.
En tournant les lentilles de manière à ce que la lentille fois 40 se place au-dessus de l’échantillon, nous avons augmenté le grossissement du microscope, de sorte que l’amibe apparaîtra plus grande. Voici à quoi pourrait ressembler l’amibe avec un grossissement fois 400 en utilisant l’objectif fois 40.
La mesure dans laquelle une image produite par un microscope est plus grande que l'objet lui-même dépend du pouvoir grossissant total du microscope. Le pouvoir grossissant total, également appelé grossissement total, peut être calculé en multipliant le grossissement de la lentille de l'oculaire, qui est généralement de 10 fois dans un microscope optique, par le grossissement de l'objectif utilisé. Par exemple, nous observons cette amibe à l'aide de l'objectif le plus puissant, soit fois 40 sur ce microscope optique. Notre pouvoir grossissant total serait de 10 fois, le grossissement de la lentille de l'oculaire, multiplié par 40 fois, le grossissement de l'objectif que nous utilisons. Le pouvoir grossissant total de notre microscope et l'agrandissement de l'image de l'objet sont donc, dans ce cas, de 400 fois.
Regardons maintenant les caractéristiques typiques d’un microscope optique. Les microscopes optiques produisent toujours des images bidimensionnelles, ou 2D. Cela signifie que les images n’ont qu’une longueur et une largeur, et aucune profondeur, qu'elles semblent plates. Leur grossissement maximal typique est d’environ fois 1500, ce qui leur permet de faire apparaître des objets 1500 fois plus grands qu’en réalité. Ce grossissement maximal est beaucoup plus élevé que le grossissement typique des microscopes couramment disponibles tels que ceux utilisés dans les écoles, qui produisent généralement des images jusqu’à 400 fois la taille de l’objet réel.
Les microscopes optiques sont uniques en ce sens que les échantillons, qui peuvent être vivants ou morts, peuvent également être colorés en microscopie optique, ce qui signifie qu'ils peuvent produire des images colorées à contraste élevé. Les microscopes optiques sont le plus souvent utilisés en biologie pour observer les tissus et distinguer les cellules individuelles et certains des plus grands organites qu'elles contiennent. Par exemple, le noyau est souvent assez visible lorsqu’il est coloré en microscopie optique. Les microscopes optiques nous permettent de voir les couleurs naturelles d'un échantillon, par exemple, les chloroplastes verts d'une cellule végétale ou les pigments violets d'une cellule d'oignon rouge.
Cependant, la plupart des cellules sont transparentes, ce qui les rend difficiles à distinguer les unes des autres. Pour résoudre ce problème, des colorants comme le rouge congo ici peuvent être appliqués sur un échantillon avant de le placer sous un microscope optique. Les colorants sont absorbés à des degrés différents par les différents composants cellulaires, ce qui augmente le contraste entre ces composants, les rendant plus faciles à identifier. Souvent, plusieurs colorants sont utilisés dans un processus appelé coloration différentielle pour distinguer et identifier un mélange de composants.
Regardons un exemple dans le corps humain pour mieux visualiser cela. Voici une image micrographique produite par un microscope optique de cellules du foie humain. Les micrographies sont en fait des photographies d’une structure agrandie qui sont produites à l’aide d’un microscope. Ces cellules hépatiques ont été colorées à l’hématoxyline et à l’éosine. Alors que l'hématoxyline colore les noyaux de ces cellules hépatiques d'une couleur bleu violacé, l'éosine colore en rose la matrice extracellulaire et le cytoplasme de ces cellules hépatiques, ce qui permet de distinguer plus facilement les structures les unes des autres.
Voyons ensuite une autre caractéristique importante des microscopes, le pouvoir de résolution. Le pouvoir de résolution du microscope est le niveau avec lequel il peut produire une image haute résolution. La résolution de tout dispositif optique, tel qu’un microscope, est la distance minimale entre deux objets adjacents pour qu’ils puissent être visuellement distincts. Plus les objets sont petits, plus il est difficile de les distinguer. Par conséquent, lorsque nous observons des objets minuscules au microscope, nous avons besoin d'un fort pouvoir de résolution, car ils se trouvent à une très faible distance les uns des autres.
Pour comprendre la résolution à l’échelle microscopique, réfléchissons d’abord à une grande échelle. La nuit, si une voiture vient vers vous, de loin vous ne verrez qu’une seule lumière se rapprocher. Mais au fur et à mesure que la voiture se rapproche, une lumière se transforme en deux lumières distinctes, une provenant de chaque phare. Les lumières semblent maintenant plus éloignées les unes des autres qu'elles ne l'étaient à distance. Et ainsi, le pouvoir de résolution de nos yeux peut distinguer plus facilement les deux sources de lumière. Cela permet également à certains détails plus fins de la voiture, comme la plaque d'immatriculation, de devenir plus reconnaissables et distincts.
L’un des facteurs affectant la résolution d’un outil optique est la longueur d’onde de la source d’illumination utilisée, qui est la lumière dans les microscopes optiques. Les meilleurs microscopes optiques peuvent résoudre des images jusqu’à environ 200 nanomètres, ce qui est un très petit 0,0002 millimètres d’écart entre deux objets. Et ceci est en partie limité par la longueur d’onde de la lumière. Vous pouvez voir sur ce schéma que la lumière a une longueur d'onde assez longue, ce qui signifie que ces deux grands objets roses sont suffisamment éloignés pour qu'on puisse les distinguer l'un de l'autre avec un outil qui utilise la lumière, comme un microscope optique.
Mais comme ces deux objets verts sont distants de moins de 200 nanomètres, ils ne peuvent pas être distingués avec un microscope optique. Comme les faisceaux d’électrons ont une longueur d’onde significativement plus petite que la lumière, ils ont un pouvoir de résolution bien meilleur. Ainsi, les objets peu distants, comme ces structures vertes, sont bien distinguables les uns des autres. Il existe deux principaux types de microscopes qui utilisent des faisceaux d’électrons au lieu de la lumière comme source d’illumination, les microscopes électroniques en transmission ou MET et les microscopes électroniques à balayage ou à MEB.
Les MET produisent des images agrandies à haute résolution en transmettant un faisceau d’électrons à travers un échantillon. Le faisceau d’électrons est ensuite focalisé en utilisant des électro-aimants pour produire une image. Cette micrographie a été réalisée à l’aide d’un microscope électronique en transmission. Elle montre le nucléole dans le noyau d’une cellule. Comme vous pouvez le voir, les MET produisent des images planes bidimensionnelles en noir et blanc qui sont fortement agrandies.
Regardons ensuite les microscopes électroniques à balayage ou les MEB. Les MEB produisent également des images très agrandies avec une bonne résolution, mais ils fonctionnent plutôt en faisant passer un faisceau d’électrons sur la surface d’un échantillon, recouvert d’ions métalliques tels que l’or. Les ions métalliques réfléchissent les faisceaux d’électrons, dont les signaux sont collectés par des détecteurs spécifiques qui produisent une image de la surface de l’échantillon.
Regardons une image micrographique qui a été produite par un MEB. Cette micrographie, produite par un MEB, montre une surface très détaillée de grains de pollen. Vous pouvez voir sur la micrographie que les MEB, comme les MET, produisent des images en noir et blanc, mais les MEB produisent une image avec une vue en trois dimensions de la surface d’un échantillon. Une image 3D a une longueur, une largeur et une profondeur, de sorte qu’elles ne semblent pas plates, un peu comme un cube a trois dimensions tandis qu’un carré n’en a que deux : longueur et largeur, et est donc en 2D.
Voyons les caractéristiques typiques des microscopes électroniques afin de pouvoir les comparer aux microscopes optiques. Pour ce faire, nous allons utiliser un tableau. Nous savons que les images produites par les MET et les microscopes optiques sont bidimensionnelles, mais les images produites par les MEB sont tridimensionnelles. Les microscopes électroniques en transmission et à balayage produisent tous deux des images en noir et blanc, bien que de fausses couleurs puissent être ajoutées après la réalisation de la micrographie. La microscopie optique peut nous montrer la vraie couleur d’un échantillon, ou des colorants peuvent être ajoutées aux échantillons pour produire des images colorées à contraste élevé.
La préparation d’échantillons pour la microscopie électronique entraîne généralement leur mort. Si un échantillon vivant était soumis à un faisceau d’électrons, il mourrait assurément, et ainsi seuls les échantillons morts sont utilisés pour la microscopie électronique, alors qu’en microscopie optique, les échantillons peuvent être vivants ou morts. Alors que les MET peuvent produire une image très détaillée des organites et autres structures d’une cellule, les MEB produisent des images détaillées de la surface d’un échantillon et les microscopes optiques sont généralement utilisés pour visualiser des cellules spécifiques dans les tissus.
Les deux microscopes électroniques peuvent atteindre un grossissement maximal bien plus élevé que les microscopes optiques, dont les meilleurs peuvent produire des images agrandies jusqu'à 1 500 fois. Alors que les MEB peuvent produire un grossissement compris entre un et deux millions de fois la taille de l’échantillon, les MET peuvent produire une image agrandie jusqu’à 50 millions de fois la taille réelle de l’échantillon. Le pouvoir de résolution des microscopes électroniques est meilleur que celui des microscopes optiques les plus sophistiqués, qui peuvent tout au plus distinguer des objets distants de 200 nanomètres. Les MEB peuvent produire des images où des objets distants de 0,5 nanomètre peuvent encore être distingués les uns des autres, tandis que les MET peuvent produire des images impressionnantes où les objets peuvent être distants de seulement 0,05 nanomètre et sembler encore distincts.
Essayons de répondre à une question d'entraînement pour voir ce que nous avons appris sur les différents types de microscopes.
La micrographie fournie est celle de la tête d'une fourmi. Quel type de microscope est le plus susceptible d’avoir été utilisé pour produire cette image ? Un microscope optique, un microscope électronique à balayage ou un microscope électronique en transmission.
Commençons par examiner les informations qui nous ont été fournies par la question et la micrographie. Cette image est tridimensionnelle et montre la surface de la tête de la fourmi. Elle est également en noir et blanc. Différents microscopes produisent différentes sortes d’images, et nous pouvons utiliser ces informations pour déterminer quel microscope a produit cette micrographie spécifique.
Utilisons un tableau pour comparer les trois différents types de microscopes. Les microscopes électroniques à balayage peuvent être abrégés en MEB, tandis que les microscopes électroniques en transmission peuvent être abrégés en MET. Les microscopes optiques et les MET produisent tous deux des images planes en deux dimensions, tandis que les MEB produisent des images en trois dimensions. La microscopie optique nous montre la couleur naturelle des échantillons, qui peuvent également être teintés avec des colorants pour produire des images colorées à fort contraste, tandis que les images produites par les deux microscopes électroniques ne peuvent être qu'en noir et blanc, bien qu'elles puissent être colorées ultérieurement.
Les microscopes optiques ont le plus faible grossissement des trois types. Par conséquent, ils sont généralement utilisés pour visualiser et distinguer les cellules au sein des tissus ou pour visualiser de petits organismes vivants entiers. Les microscopes électroniques à balayage ont un pouvoir d'agrandissement et de résolution élevé et fonctionnent en faisant passer des faisceaux d'électrons sur la surface d'un échantillon, qui sont réfléchis par des ions métalliques placés à la surface de l’échantillon. Et les signaux résultants sont collectés par des détecteurs spécifiques pour produire des images très détaillées de la surface de l’échantillon.
Les microscopes électroniques en transmission ont généralement un pouvoir de grossissement et de résolution encore plus élevé, et ils fonctionnent en faisant passer un faisceau d’électrons à travers un échantillon pour produire des images très détaillées des structures intracellulaires telles que les organites.
La micrographie de la fourmi est en 3D. En se basant uniquement sur sa nature tridimensionnelle, les microscopes optiques et les microscopes électroniques en transmission peuvent être exclus, ce qui suggère que l'image a été produite par un microscope électronique à balayage, qui produit des images en 3D. L’image montre également la surface de la tête de la fourmi. Et nous savons que les MEB produisent généralement des images de la surface des échantillons. La micrographie ne représente pas les cellules elles-mêmes ni les structures intracellulaires telles que les organites, ce qui suggère que ni les microscopes optiques ni les microscopes électroniques en transmission ne pourraient produire cette micrographie. On peut donc en déduire que cette image a été produite par un microscope électronique à balayage.
Voici quelques points clés que nous avons abordés dans cette vidéo.
