Das Prinzip der Polarisationsmikroskopie

Ockenga, Wymke; DeRose, James

Oktober 31, 2024

Das Prinzip der Polarisationsmikroskopie

Eine Einführung in die mikroskopische Bildgebung mit Polarisationskontrast

Bild eines Weinsäurekristalls, aufgenommen mit Polarisationsmikroskopie. Weinsäure, eine diprotische Aldarkarbonsäure, ist eine natürlich vorkommende organische Verbindung, die vor allem in Weintrauben vorkommt. Tartaric_acids_polarization.jpg

Die Polarisationsmikroskopie wird in den Material- und Geowissenschaften routinemäßig eingesetzt, um Materialien und Mineralien anhand ihrer charakteristischen Brechungseigenschaften und Farben zu identifizieren. In der Biologie werden Polarisationsmikroskope häufig zur Identifizierung doppelbrechender Strukturen wie Kristalle oder zur Abbildung von Zellulose in den Wänden von Pflanzenzellen und Stärkekörnern verwendet. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die grundlegenden Prinzipien der Polarisationsmikroskopie.

Doppelbrechung ist der Schlüssel zur Polarisationsmikroskopie

Doppelbrechende Materialien sind optisch anisotrop und der Brechungsindex solcher Materialien hängt von der Richtung ab, in der sich das Licht durch sie ausbreitet. Doppelbrechung bedeutet, dass ein unpolarisierter Lichtstrahl beim Durchgang durch das Material durch Brechung in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Doppelbrechende Materialien haben eine hochgradig geordnete Molekularstruktur, wie Kristalle aus Kalzit oder Bornitrid. Auch biologische Proben können doppelbrechend sein, z. B. Zellulose und Stärke. In Kombination mit linear polarisiertem Licht kann die Doppelbrechung in der Mikroskopie zur Interferenz der beiden resultierenden Strahlen genutzt werden, wodurch Farbeffekte wie Ringe und die Hervorhebung von Strukturen entstehen können.

Ausrichtung und Strahlengang eines Polarisationsmikroskops

Ein herkömmliches Lichtmikroskop benötigt mindestens zwei zusätzliche Komponenten, um die Mikroskopie mit polarisiertem Licht durchzuführen. Zum Nachweis der Doppelbrechung muss linear polarisiertes Licht zur Beleuchtung der Probe verwendet werden. Daher müssen zwei Polarisationsfilter in den Strahlengang des Mikroskops eingefügt werden. Der erste Polarisationsfilter erzeugt polarisiertes Licht, das die Probe beleuchtet, und der zweite Polarisationsfilter, der so genannte Analysator, beschränkt den Durchgang von Licht auf gebrochenes Licht mit einer bestimmten Polarisation.

Die Transmissionsachsen der Polarisationsfilter müssen sich in einem Winkel von 90° kreuzen, d. h. die Extinktionsachse des einen Filters muss auf die Transmissionsachse des anderen ausgerichtet sein, um die so genannte „Dunkelstellung“ zu erreichen. Wenn die Polarisationsfilter in dieser Position stehen, gelangt kein Licht zur Kamera oder zu den Okularen, und das Bild ist dunkel. Die Einstellung der Dunkelposition ist ein wesentlich bei der Polarisationsmikroskopie, da sie sicherstellt, dass nur Licht sichtbar ist, das nach dem Durchgang durch die Probe eine Polarisationsänderung erfährt.

Abb. 1: Prinzip eines Polarisationsmikroskops: Das unpolarisierte Licht wird durch den Polarisator 1 polarisiert. Nach dem Durchgang durch den Polarisator 1 wird das Licht durch den Kondensor auf die Probe fokussiert. Wenn die Probe doppelbrechend ist oder doppelbrechende Strukturen enthält, wird die Polarisationsebene eines Teils des Lichts um 90° verdreht (symbolisiert durch die roten Linien in der Skizze). Das Bild der Probe wird durch das Objektiv vergrößert und trifft auf den Polarisator 2. Wenn Polarisator 2 gegenüber Polarisator 1 um 90° verdreht ist (die sogenannte „Dunkelstellung“), kann nur Licht zu den Okularen oder zur Kamera gelangen und vom Beobachter gesehen werden, das nach dem Durchgang durch die doppelbrechende Probe eine Polarisationsänderung erfährt. Es werden also nur Strukturen sichtbar, die die Polarisation des Lichts verändern.

Polarisator und Analysator

Passiert das Licht den ersten Polfilter, wird es linear polarisiert. Wenn ein Teil des linear polarisierten Lichts durch die richtige Polarisationsebene eines doppelbrechenden Materials fällt, wird es gebrochen, in zwei Strahlen aufgeteilt und die Polarisationsebene dieser Strahlen um 90° gedreht. Die gebrochenen Strahlen durchlaufen dann den zweiten Polarisator (Analysator), wenn dieser korrekt ausgerichtet ist (d. h. 90° relativ zum ersten Polarisationsfilter). Daher erzeugen bei diesem Aufbau nur doppelbrechende Proben oder Materialien ein Bild, wenn sie mit einem Polarisationsmikroskop betrachtet werden.

Abb. 2: Sonnenlicht oder von einer Glühbirne erzeugtes Licht ist unpolarisiert, d. h. die elektromagnetischen Wellen schwingen in allen Richtungen. Wenn unpolarisiertes Licht den Polarisator 1 passiert, entsteht Licht mit einer definierten Polarisation, in diesem Fall vertikal polarisiertes Licht. Trifft dieses polarisierte Licht dann auf den Polarisator 2, der um 90° gedreht ist, wird kein Licht durchgelassen. Die beiden Polarisatoren befinden sich also in der so genannten „Dunkelstellung“, da nach dem zweiten Polarisator kein Licht mehr zu sehen ist.

Es ist wichtig, dass die Polarisationsachse des zu beobachtenden doppelbrechenden Materials mit der des polarisierten Lichts übereinstimmt, das vom ersten Polarisatorfilter erzeugt wird. Aus diesem Grund sind viele Polarisationsmikroskope mit einem Drehtisch ausgestattet, um eine einfache Ausrichtung der Polarisationsebene der Probe mit der des ersten Polarisators zu gewährleisten. Für spezielle Anwendungen, bei denen die Polarisationsmikroskopie nützlich ist, gibt es verschiedenes Zubehör.

Eine Bertrand-Linse wird im Mikroskop für die konoskopische Beobachtung von Interferenzmustern von Kristallen verwendet, wobei die Lichtstrahlen in der Ebene der hinteren Objektivöffnung fokussiert werden [1,2]. Außerdem ist eine Verzögerungsplatte oder ein Kompensator für die quantitative Analyse doppelbrechender Proben nützlich.