Una visión cercana de la Microscopía en el Laboratorio de Educación Secundaria
Elementos de un Microscopio Compuesto Básico de un laboratorio de enseñanza media y su fundamentación en el avance de las ciencias
Hasta el momento se han especificado en esta monografía, (1) la necesidad de incluir cambios en la metodología de la enseñanza de las ciencias, donde la microscopía debe volver y hacerse un hueco muy importante como herramienta procedimental de los alumnos en la mejora de la comprensión y estudio de este tipo de materias, (2) unas pinceladas básicas de la evolución histórica de este instrumental óptico a lo largo de lo últimos 400 años de historia de la humanidad, así como (3) la construcción de un microscopio básico con materiales caseros y de fácil adquisición por parte del lector.
Es ahora cuando se debe matizar cuáles son los elementos de un microscopio rutinario y qué es lo que buscamos con su uso en un laboratorio de enseñanza media. Recomendamos, antes de seguir la lectura de este apartado, la obra que López y Boronat (2018a) titulada, Prácticas de Microbiología básica en el laboratorio de educación secundaria. Una experiencia de 12 años de trabajo, publican sobre la necesidad de nuevas prácticas en las aulas laboratorio como metodología activa y de motivación al alumnado, donde reflexiona acerca de muchos aspectos sobre la microscopía óptica:
Responder a la segunda cuestión es sencillo, y más aún cuando cualquier alumno que se precie sabe muy bien que el uso del microscopio ha permitido la descripción y examen de las células o unidades de la vida. Es decir, este instrumento óptico ha permitido acercar un objeto invisible a los ojos del ser humano, haciendo con ello más fácil su análisis. Pero, ¿cómo ha sido posible tal hecho? Lo más importante de cualquier sistema óptico es la resolución del mismo, es decir, la capacidad que tiene de poder separar dos puntos que se encuentran muy próximos.
Hagamos la siguiente experiencia: dibujemos dos puntos en un folio a una distancia que los separe de 1 cm. Volvamos a dibujarlos, ahora a una distancia de 5 mm, 3 mm y 1 mm. A continuación, intenta poner los puntos a una distancia tal que parezca que están unidos. En ese momento, toma una lupa y observa lo que ocurre. Los puntos se verán separados. Pero, ¿por qué este hecho físico?
La lupa es una lente convergente, más gruesa en el centro que en los extremos, y base incipiente de un microscopio simple, como el que describió van Leeuwenhoek. La misma permite analizar un objeto haciéndolo que se aproxime más al ojo, consecuencia de generar un mayor ángulo en el rayo de luz incidente, así como disminuir su velocidad al atravesar la lente, por mostrar el material del que está formada un distinto índice de refracción con respecto al aire que lo envuelve (para mucha más información sobre estos términos se aconseja la lectura de Kane y Sternheim, 1992, páginas 555-586), visualizándose con ello detalles con mayor precisión (figura 6).
Figura 6. Representación esquemática de un diagrama de geometría óptica de distribución de los
rayos que atraviesan una lente convergente, donde se determina la imagen virtual generada
(segmento c-d) a partir de un objeto real (segmento a-b). El rayo que llega a la lente (rojo) es
desviado por la misma para pasar por el foco (F'). El rayo central (azul), cuyo origen es el objeto y
que pasa por el centro de la lente (C), no es desviado. La proyección (línea verde) de los rayos (azul
y rojo) genera la imagen virtual aumentada, que será la contemplada desde fuera por el observador a
través de una lupa o del microscopio de Leeuwenhoek. (dF) Distancia Focal.
Los microscopios que se utilizan en un laboratorio de enseñanza media disponen de dos sistemas de lentes, objetivo y ocular; de ahí llamados microscopios compuestos. El objeto a estudiar se coloca fuera del objetivo, en la plataforma mecánica o platina (figura 8). La imagen conseguida a través de la lente objetivo es real e invertida (figura 7), mucho más grande que el objeto a analizar. Esta imagen generada servirá de nuevo objeto para la lente ocular, que actuará en este caso como una lupa simple, como la estudiada en la Figura 6, proporcionando una imagen virtual e invertida de mayor aumento, a una distancia muy confortable para la visión, 25 cm.
La figura 7 es muy ilustrativa para demostrar al alumnado el increíble poder de aumento que tiene este instrumental óptico, utilizado desde hace siglos para el examen de células o estructuras biológicas de pequeño tamaño.
Con lo expuesto anteriormente se determina que el microscopio es un instrumento que permite discernir entre dos puntos que se encuentran muy próximos, al contrario de lo que ocurriría si se vieran estos -exclusivamente- al ojo humano. Dos fórmulas matemáticas determinan la resolución de un sistema óptico:
Kane y Sternheim (1992)
Alberts et al. (1996)
Figura 7. Representación esquemática de un diagrama de geometría óptica de distribución de
los rayos que atraviesan las lentes convergentes de un microscopio compuesto, utilizado de
rutina en un laboratorio de enseñanza media. 20 La lente objetivo generará una imagen real e
invertida (segmento c-d) de mayor tamaño que la muestra (segmento a-b). Esta imagen
generada por el objetivo será la muestra para la segunda lente, el ocular, que determinará una
imagen virtual e invertida (segmento e-f) de gran aumento con respecto a la muestra originaria.
Ambas tienen en común la longitud de onda (?) de la fuente lumínica que viaja en el aire, el índice de refracción (n) del medio que existe entre la lente objetivo y la muestra a analizar, así como la razón trigonométrica (sen ?) que determina el ángulo generado entre el objetivo y la preparación. Observando las fórmulas puede cuestionarse con los discentes en el aula cómo podemos disminuir el valor de d con el objetivo de aumentar considerablemente el poder de resolución de un sistema óptico, como es el caso de nuestro microscopio. Si atendemos a la fracción matemática para el análisis de d podemos tener presente que, disminuir el numerador, es decir, la longitud de onda de la fuente lumínica, podría ser un primer paso para conseguir una mejora sustanciosa de nuestro microscopio.
La luz blanca utilizada comúnmente en un sistema óptico de laboratorio es un complejo policromático, con una banda de longitudes de onda que abarcan entre los 330 nm (violeta) hasta los 750 nm (rojo). Trabajando por lo tanto con longitudes de onda corta, energética y próxima al violeta, conseguiremos aumentar el poder de resolución de cualquier sistema óptico. Pero, ¿cómo conseguir esto en un laboratorio de enseñanza media, con parcos materiales e instrumental? Difícil. Sin embargo, contar con sistemas de filtros específicos o usar fuentes de iluminación precisas de ? próximas al violeta, serían muy útiles en un laboratorio que se precie en microscopía.
Además, si seguimos analizando las fórmulas podemos aportar nuevas mejoras en los sistemas ópticos para el aumento del poder de resolución. En este segundo caso, debemos tener presente el análisis del denominador de las fracciones matemáticas y ver qué nos aportan. Podemos jugar muy bien en el laboratorio con n, el índice de refracción del medio que baña la lente. Convencionalmente este medio es aire pero podríamos tener rodeada nuestra lente con agua o aceite de inmersión. Si analizamos la siguiente Tabla 1 podemos comprobar cómo hay multitud de materiales, muchos de los cuales son fáciles de encontrar en un laboratorio de Educación Secundaria, que pueden incrementar este índice de refracción y, con ello, disminuir el valor de d.
| Material | Índice de Refracción |
|---|---|
| Vacío | 1 |
| Aire | 1.0002926 |
| Agua | 1.33336 |
| Disolución de azúcar (30%) | 1.38 |
| Glicerina | 1.473 |
| Aceite vegetal | 1.47 |
| Heptanol | 1.423 |
| Disolución azúcar (75%) | 1.4774 |
| Metanol | 1.329 |
| Benceno | 1.501 |
| Aceite de cedro | 1.516 |
| Etanol | 1.361 |
De esta manera, con los equipos rudimentarios de microscopía que disponemos es difícil anteponer un medio de este tipo entre la lente objetivo y la muestra.
Finalmente, en el denominador de las fracciones nos queda jugar con el ángulo que forma el objetivo del microscopio con el portaobjetos de la muestra a analizar. Es decir, cuanto más se aproxime el objetivo del microscopio a la muestra, mayor será el seno del ángulo (ver esquema ilustrativo de este hecho en López y Boronat, 2018a). En definitiva, un buen equipamiento óptico debe presentar una fuente lumínica próxima a la radiación violeta, medio que garantice un elevado índice de refracción y lente objetivo lo más próxima a la muestra. En nuestro laboratorio, y después de mucha ayuda por parte de la Asociación de Madres y Padres, se ha conseguido en parte con un microscopio óptico que dispone de una lente 100x de inmersión en aceite. Estos equipos son más caros pero garantizan una resolución plena a los máximos aumentos (con un total de aumentos de 1000x) sin aberraciones que pudieran enturbiar el correcto análisis.
Elementos de un microscopio convencional
El microscopio convencional de nuestro laboratorio de Enseñanza, también llamado compuesto, permite la observación de cuerpos mediante transparencia (el haz luminoso debe atravesar la muestra). En este sistema óptico se combinan dos lentes: el objetivo, lente más próxima a la muestra estudio, y el ocular, lente más cercana al ojo del observador. Esta última lente puede ser simple, hablándose de cabezal monocular, o doble, si se dispone de dos lentes o binocular, que permite la visión más prolongada en el tiempo sin provocar una fatiga visual temprana.
El microscopio se compone de dos elementos básicos (figura 8): el elemento mecánico y el elemento óptico. Entre los componentes del elemento mecánico destacan (Nachtigall, 2004):
- El soporte del microscopio, formado por el pie sobre el que reposa el aparataje y que sostiene al brazo o columna que fija todo el equipamiento óptico y de visión.
En la parte superior del brazo se halla el tubo (provisto de la lente ocular) y el revólver que porta los objetivos en su extremo inferior. En la parte media del brazo se halla la platina (provista de un orificio central para el paso de la luz), lugar donde se colocarán las preparaciones montadas en el portaobjetos-cubreobjetos. Este sistema se fijará a la platina mediante unas pinzas. - Los tornillos de enfoque: macrométrico, que permite una aproximación general a la muestra, y micrométrico, que afina y precisa una correcta visualización.
Por otro lado está el elemento óptico que, entre sus componentes generales, destacan:
- Objetivo. Consta de un sistema de lentes que proporciona una imagen mayor e invertida del objeto. En el mismo se consideran tres elementos fundamentales: el aumento (o cantidad de veces que se incrementa un objeto), el campo de visión (o zona visible que se observa a través del ocular del microscopio) y el poder de resolución (que ya se ha descrito con anterioridad). En el microscopio óptico convencional de laboratorio encontramos tres lentes principales: 4x, 10x y 40x, proporcionando unos aumentos reales de 4 veces, 10 veces y 40 veces, respectivamente. Este sistema no permite la observación nítida y clara de bacterias, objeto de estudio de este trabajo. Para ello es necesario la adquisición de un objetivo de inmersión, ya descrito anteriormente, que proporciona 100 aumentos reales.
- Ocular. Esta lente, colocada al final del tubo, hace que la imagen formada en el objetivo se incremente aún más su tamaño. Es decir, si utilizamos una lente objetivo de 40x y la lente ocular proporciona 10 veces más (10x), los aumentos finales serán 400 (muy alejados del desafío de la observación nítida del mundo bacteriano).
- El sistema de iluminación generado a través de lámparas incorporadas al pie del microscopio.
- El diafragma iris que permite regular la entrada de luz al condensador.
- El condensador o sistema de lente doble, localizado debajo de la platina, y que permite la concentración de los rayos de luz procedentes de la fuente de iluminación y su incidencia en la preparación.
Figura 8. Elementos de un microscopio óptico convencional
de campo claro utilizado en el laboratorio de
Educación Secundaria. (1) Lente ocular. (2) Tubo. (3) Brazo. (4) Tornillo macrométrico. (5) Tornillo
micrométrico. (6) Lente objetivo. (7) Revolver. (8) Platina. (9) Pinzas sujeta preparaciones. (10) Fuente de
iluminación. (11) Base o pie. (12) Diafragma iris.
