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自製雷文霍克顯微鏡
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文/陳其威
生物與物理跨科探究與實作--雷文霍克單式顯微鏡
顯微鏡的出現開啟了人們對微小世界的觀察,滿足了我們對微生物的好奇心。顯微鏡是目前生物課觀察微生物必備的儀器,但礙於某些限制,可能無法讓每名學生單獨一人使用顯微鏡,往往是一組共用一台,甚至一個班級只有兩台顯微鏡,大家輪流著使用。是否有更簡單觀察微生物的儀器?不僅同時能讓每一名學生在教室內觀察微小事物,也能讓學生們到戶外進行野外微生物考察。現在就讓我們來看看如何製作簡單的隨身顯微鏡吧!
前言
1673 年,荷蘭商人雷文霍克(Antoni van Leeuwenhoek)平時的興趣是研磨鏡片並觀察各式各樣的微生物。他設計出比瞳孔還小的單式顯微鏡(圖1),並觀察到放大200倍的微生物,為了紀念雷文霍克,後人稱他為 「微生物學之父」,2004年雷文霍克被票選為最偉大的荷蘭人之一。
圖1. 雷文霍克單式顯微鏡之複製品,樣品可置於透鏡前的針尖上
在單式顯微鏡問世前,當時大多熟悉羅伯特·虎克(Robert Hooke)所設計的複式顯微鏡,放大倍率大約二、三十倍,能夠觀察細胞、跳蚤等,直到雷文霍克設計單式顯微鏡,才大幅提升放大倍率至200倍。他首先觀察肌纖維、細菌、精蟲及各式各樣的單細胞生物等,就連當時候的英國皇家學會也不敢相信。
課前準備
本次實驗主要的材料很簡單,大多可在文具行、五金行購買,比較特別的是玻璃珠與透鏡的部分,玻璃珠可自行將玻璃管,用瓦斯噴燈加熱製作,或是直接買現成的玻璃珠,筆者是向台興玻璃儀器藝品禮品行購買,一公斤440元左右,數量非常多,可以與其他老師們一同分享。LED平凸壓克力透鏡的部分,可以拆雷射筆前端的透鏡,或是向創意改裝工作坊購買,一個大約10元,若需要的數量較多,則可以在淘寶選購,價格會比較低一些。
原理簡介
光學顯微鏡有許多種類,依照鏡片的數量大致可分成兩種,分別是複式顯微鏡與單式顯微鏡。複式顯微鏡主要構造有目鏡與物鏡,比較容易調整對焦位置,因此成像較為清晰,當然製作成本比較高;而單式顯微鏡,構造簡單,主要的材料只需要一個平凸透鏡(玻璃珠)。找到合適的凸透鏡,放大的效果也不輸複式顯微鏡(但無法微調,故不易聚焦)!
本實驗所使用的玻璃珠(平凸透鏡)焦距很短,無法拿到眼鏡行測量度數,換算出透鏡的焦距。但筆者利用太陽光照射後,觀察聚焦的位置,測量焦距的大小,或是由
圖2. 平行光進入透鏡時,光線折射的示意圖
詳細的推導過程,可參考曲面的折射成像--笛卡兒公式。
材料與工具
如圖3,需玻璃珠(直徑1mm)、壓克力平凸透鏡(直徑8.5mm)、厚紙板、圓規、膠水、雙面膠、膠帶、迴紋針、塑膠片、剪刀、美工刀、樣品、染色液、夾子等。
圖3. 製作單式顯微鏡與樣品所需的器材
實驗過程分享
一、玻璃珠顯微鏡製作(圖4)
1. 裁切厚紙板成名片大小,並在中心用圓規的針尖戳一個小洞。
2. 塗些許膠水於洞口處,並塞入小玻璃珠,若有多餘膠水要儘速擦乾,否則會影響成像。
3. 在洞口兩旁可以切兩條縫(0.5mm x 20mm),之後可以放簡易樣品試片。
圖4-1. 在厚紙板的中心處,挖一個小洞
圖4-2. 在洞口旁裁切兩條縫,並塞入玻璃珠
二、平凸透鏡顯微鏡製作(圖5)
1. 在平凸透鏡的邊緣貼上雙面膠,並黏於迴紋針上。
2. 將迴紋針夾緊後,貼上膠帶固定(避免使用快乾膠,因為快乾膠會滲入鏡面影響觀察)。
3. 讓平面的位置對準相機鏡頭,並用橡皮筋固定平凸透鏡顯微鏡,即可完成。
圖5-1. 細長的雙面膠黏於透鏡半圈的邊緣
圖5-2. 透鏡在迴紋針夾緊後,再用膠帶固定
三、簡易的樣品製作(圖6)
1. 收集樣品標本,例如:水蘊草、洋蔥、蚊子、果蠅、食鹽等。
2. 將樣品染色、切片後,攤平置在1.5cm x 5cm的塑膠片上。
3. 最後再黏上膠帶,並把多餘的水份(染色液)擦乾。
圖6-1. 將染色液滴在洋蔥樣品上
圖6-2. 樣品攤平後,舖在透明的塑膠片上
實驗心得與結果
本次的課程規劃,包含簡單介紹顯微鏡的發展史、光學原理、動手實作與觀察紀錄,課程時間約2~3節課,大部分的同學生都認真製作並仔細觀察周遭的細微事物,整堂課結束後學生表示有收穫,並覺得很有成就感,利用這次實驗的簡單材料,就能夠做出效果很棒的顯微鏡,不僅能在課堂上觀察,也能夠帶回家操作使用。
一、玻璃珠顯微鏡所拍攝的畫面(放大倍率約300倍)
使用玻璃珠顯微鏡拍攝較不容易對焦,一點點的晃動,就會造成相片的模糊,因此拍攝時可利用相機的腳架輔助,玻璃珠與紙片的部分,可以使用無痕膠帶直接黏貼於相機上,拍攝時,與樣品緊貼在一起。剛開始拍攝時,可以先試拍電腦螢幕的畫素(pixel),不用另外增加光源,可以很清楚地拍攝紅藍綠三原色,也可以調整螢幕的顏色、明暗,觀察畫素三原色的變化(見圖7、8)。
圖7. 電腦螢幕的畫素,由紅藍綠三原色組成
圖8. 蚊子腳上的觸鬚,也照得非常清楚
拍攝自製樣品的部份,筆者選用生活中常見的洋蔥。將洋蔥染色後,除了可以看到細胞壁外,甚至還可清楚地看到細胞核。也可以到水族館買些水蘊草來觀察,選擇透光度佳、較新鮮的葉子,水蘊草的厚度只有兩層細胞,容易觀察。又或者是可以抓隻蚊子來觀察,可以選擇蚊子的腳、觸鬚部分拍攝,可以拍到許多有小纖毛。也可以與生物老師借一些現成的標本來拍攝,例如椴木年輪的切面、向日葵的莖、骨骼細胞等,可以觀察不同細胞的形狀與它們的組成結構(見圖9)。
圖9-1. 染色的洋蔥細胞,可以看到細胞壁與細胞核
圖9-2. 水蘊草的細胞,可觀察細胞整齊排列
圖9-3. 椴木年輪橫切面的樣品
圖9-4. 向日葵莖部的橫切面的樣品
二、平凸壓克力顯微鏡所拍攝的畫面(放大倍率約30倍)
利用平凸壓克力顯微鏡所拍攝的畫面,雖然放大倍率低一些,從拍攝電腦螢幕的畫素來比對,放大倍率大約差了10倍,但此顯微鏡比玻璃珠顯微鏡更容易對焦,拍攝的效果立體感佳,看得範圍也比較廣,因此適合觀察整體的構造。例如小菜蟲、蚊子、小蜘蛛和果蠅等(見圖10〜13),都能夠觀察到更細微的結構。
圖10. 放大倍率較低時,拍攝範圍雖廣,但四周會有些形變
圖11. 觀察小菜蟲的蠕動過程
圖12. 觀察蚊子的細微結構
圖13. 6mm的小蜘蛛,景深增加了不少立體感
此外,也可以觀察喜馬拉雅山粉色岩鹽(一般食鹽也可以;見圖14)和星砂。在微小的世界中,或許跟你想像的很不一樣唷!另外,此顯微鏡還有辨識真鈔的功能,例如在百元的真鈔上,有許多小地方印有「100」的小字樣(見圖15),透過平凸壓克力顯微鏡就可以很容易地觀察到喔!本次的實作儀器不僅製作步驟簡單,費用低廉,但效果卻非常好,有興趣的老師可以帶學生一起動手做做看唷!
圖14. 粉色的岩鹽結晶,每個形狀都不一樣
圖15. 百元鈔票上印有許多100的小字樣
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陳其威