Dernière mise à jour le 13 juin 2023 .
Mis au point durant les XVIe et XVIIe siècles, le microscope est un instrument scientifique permettant d’observer des objets invisibles à l’œil nu. Cet appareil d’optique est employé dans de nombreux domaines comme l’enseignement, la biologie, la médecine et l’industrie. Mais quels sont les différents types de microscopes ? Et quels sont leurs principaux usages ? Microscope optique, microscope électronique, microscope à sonde locale, voici tout ce que vous devez savoir sur ces dispositifs grossissants !
Le microscope optique : un instrument performant simple à utiliser
Mais qui a inventé le microscope ? Si cette découverte est souvent attribuée aux lunetiers Hans et Zacharias Janssen ou à Galilée, l’identité de son véritable inventeur demeure encore incertaine. Nous savons toutefois que le premier instrument de ce type était un microscope optique, constitué d’un système de lentilles superposées.
Présentation et principe de fonctionnement
Le microscope optique (ou microscope photonique) est un appareil performant permettant à l’utilisateur d’obtenir une image agrandie du sujet étudié. Il est muni d’un ou plusieurs objectifs ainsi que d’oculaires devant lesquels on place ses yeux. Cet outil d’observation comporte également des molettes de mise au point (fine et grossière), une platine porte-échantillon, un condenseur et un dispositif d’éclairage.
Le microscope optique fonctionne grâce à la lumière. Son objectif produit une image intermédiaire grossie et inversée vers l’oculaire qui va agrandir et fournir une vue redressée à l’utilisateur. Il bénéficie d’un pouvoir grossissant pouvant aller jusqu’à 2 500 fois. Ne le confondez donc pas avec la loupe binoculaire (stéréomicroscope), qui se destine aux observations à faible grossissement (insectes, plantes, monnaies, etc.).
Différents types de microscopes optiques
Aujourd’hui, trois grands types de microscopes optiques sont disponibles sur le marché : le microscope optique classique, le microscope optique à fluorescence et le microscope optique numérique.
Microscope optique simple
Le microscope optique classique est un instrument permettant une utilisation en transmission ou en réflexion. Dans le premier cas, la lumière traverse totalement l’échantillon étudié par le dessous. Dans le second cas, elle éclaire l’objet du même côté que l’objectif, se réfléchit à sa surface et diffuse une image au moyen d’un système de miroirs. Cette technique permet ainsi d’observer des échantillons épais ou opaques.
Microscope optique à fluorescence
Le microscope optique à fluorescence est un outil très utile pour étudier des spécimens naturellement fluorescents (chlorophylle, quartz, etc.). Il est également employé pour examiner des molécules ou des corps devenus fluorescents à la suite de leur excitation par une source lumineuse d’une longueur d’onde spécifique. La microscopie par fluorescence crée donc une image à partir de la lumière émise par l’échantillon et la transmet à l’utilisateur.
Microscope optique numérique
Le microscope numérique fonctionne de la même manière qu’un microscope optique. L’oculaire y est simplement remplacé par une caméra optique puissante. Cet appareil se connecte à un ordinateur ou dispose d’un écran couleur intégré afin de pouvoir visualiser les images étudiées en temps réel.
Ce type de microscope se destine particulièrement aux observateurs exigeants. Ses avantages demeurent en effet nombreux : confort visuel plus élevé, images de qualité supérieure, grossissement puissant (jusqu’à 5 000 fois pour les modèles les plus performants) et enregistrement des vues obtenues.
Domaines d’utilisation du microscope optique
Les différents types de microscopes optiques (classique, à fluorescence et numérique) peuvent être employés dans divers domaines :
- enseignement ;
- recherche ;
- biologie (tissus, cellules) ;
- agriculture ;
- métallurgie (métaux et alliages) ;
- pétrographie (roches) ;
- industrie (contrôle qualité) ;
- horlogerie ;
- loisirs privés.
Le microscope électronique : un appareil d’observation doté d’une résolution plus élevée
Le premier microscope électronique a été inventé en 1931 par deux scientifiques allemands : Max Knoll et Ernst Ruska (prix Nobel de physique 1986). Cette prouesse technique a révolutionné le monde de la microscopie. Désormais, il est possible d’étudier la matière à l’échelle atomique !
Présentation et principe de fonctionnement
Tout comme le microscope optique, le microscope électronique fonctionne grâce à un système de lentille et de faisceaux. La différence réside dans le fait que cet instrument diffuse des électrons et non de la lumière sur l’échantillon et dispose de lentilles électromagnétiques (électro-aimants déviant les électrons) au lieu de lentilles en verre.
Les électrons présentant une longueur d’onde plus courte, ce type de microscope bénéficie donc d’une résolution beaucoup plus importante et d’une capacité de grossissement pouvant atteindre 2 millions de fois !
Différents types de microscopes électroniques
Actuellement, les deux principaux types de microscopes électroniques sont le microscope électronique à balayage (MEB) et le microscope électronique en transmission (MET). Ces modèles sont généralement réservés aux professionnels.
Microscope électronique à balayage (MEB)
Un microscope électronique à balayage, abrégé MEB, est un appareil destiné à l’observation d’objets en relief. Il est équipé d’un canon à électrons et de lentilles électromagnétiques qui diffusent et focalisent un fin faisceau d’électrons sur chaque point de l’échantillon.
Les électrons balayent ainsi la totalité du spécimen étudié et créent une image en relief. Cet instrument d’optique demeure donc idéal pour examiner la surface de matériaux, d’objets et de bactéries. Sa résolution est de l’ordre d’un nanomètre.
Microscope électronique en transmission (MET)
Un microscope électronique en transmission ou MET est un instrument d’optique complexe. Il comporte notamment un canon à électrons, plusieurs lentilles électromagnétiques, un dispositif de détection et deux oculaires.
Cet appareil emploie un faisceau d’électrons à haute tension qui est transmis à travers une préparation microscopique très fine. Les interactions se produisant entre ces électrons et l’échantillon créent ensuite une image dont la résolution peut s’élever à 0,08 nanomètre et parfois même à 0,04. Un MET permet donc d’examiner des virus, des cristaux, des mitochondries (éléments microscopiques assurant la respiration cellulaire), etc.
Domaines d’utilisation du microscope électronique
Les différents types de microscopes électroniques (MEB et MET) s’utilisent dans des domaines très variés :
- biologie ;
- chimie ;
- médecine ;
- pathologie ;
- géologie ;
- science des matériaux ;
- métallurgie ;
- industrie des semi-conducteurs.
Le microscope à sonde locale : un instrument puissant conçu pour les observations à l’échelle atomique
Le microscope à sonde locale fait son apparition dans les années 1980. C’est Gerd Binning et Heinrich Rohrer, alors chercheurs chez IBM, qui sont à l’origine de cette découverte. Ils conçoivent en effet le premier microscope à effet tunnel et sont récompensés par un prix Nobel en 1986. Ce nouvel instrument d’optique fournit une résolution à l’atome.
Présentation et principe de fonctionnement
La microscopie de champ proche ou à sonde locale repose sur le principe de la cartographie par balayage. Les appareils employant cette technique sont dotés d’une fine pointe en forme de cône qui parcourt la surface de l’échantillon. L’interaction entre la sonde et le spécimen analysé se trouve ainsi enregistrée puis transmise à l’observateur sous forme d’image à l’échelle atomique. Ils nécessitent tous l’utilisation d’un ordinateur afin de contrôler le déplacement de la sonde et de visualiser les résultats.
Différents types de microscopes en champ proche
Trois grands types de microscopes à sonde locale sont utilisés de nos jours : le microscope à effet tunnel, le microscope à force atomique et le microscope optique en champ proche.
Microscope à effet tunnel (STM)
Inventé en 1981 par les chercheurs Gerd Binning et Heinrich Rohrer, le microscope à effet tunnel (STM, pour scanning tunneling microscope) repose sur le phénomène quantique de l’effet tunnel. Il fournit l’image d’un matériau à l’échelle atomique en mesurant l’intensité du courant électrique établi entre la sonde et la surface de l’échantillon scanné. L’utilisateur doit pour cela ajuster la hauteur de la pointe par un ordinateur afin de conserver un courant constant. Sa résolution s’élève à 1/100 d’atome.
Microscope à force atomique (MFA)
Dérivé de l’appareil précédent, le microscope à force atomique (MFA ou AFM pour atomic force microscope) a été inventé en 1985. Il permet de créer une cartographie détaillée en trois dimensions d’un objet à l’échelle atomique. Pour ce faire, cet instrument d’optique enregistre les variations des forces s’exerçant entre les atomes de l’extrémité de la sonde et ceux de la surface de l’échantillon examiné.
Microscope optique en champ proche (MOCP)
Enfin, le microscope optique en champ proche (MOCP ou SNOM pour scanning near-field optical microscope) correspond à un appareil qui capte le champ électromagnétique présent à la surface d’une préparation au moyen d’une sonde à fibre optique.
L’objet peut être étudié en transmission (après avoir été traversé par la lumière) ou en réflexion (après que la lumière s’y est reflétée). Les vues fournies atteignent une résolution spatiale de 10 nanomètres.
Domaines d’utilisation du microscope à sonde locale
Voici les principaux domaines d’application des différents types de microscopes à sonde locale :
- recherche biomédicale ;
- physique ;
- chimie ;
- métallurgie ;
- nanosciences ;
- nanotechnologies.
Les différents types de microscopes : ce qu’il faut retenir
Vous connaissez désormais les différents types de microscopes, leurs caractéristiques ainsi que leurs divers champs d’application. Ces instruments grossissants se divisent en trois grandes familles : les microscopes optiques, les microscopes électroniques et les microscopes à sonde locale.
Le microscope optique reste l’appareil le plus courant. Facile à manier, il se montre très performant dans les domaines de l’enseignement, de la biologie et de l’industrie. Le microscope électronique offre quant à lui une plus haute résolution et demeure particulièrement utilisé en médecine, en pathologie et en science des matériaux. Enfin, le microscope à sonde locale, qui permet d’analyser un échantillon à l’échelle atomique, s’emploie plutôt dans le monde des nanosciences, des nanotechnologies et de la recherche biomédicale.
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Sources
https://www.universalis.fr/encyclopedie/microscopie/
https://www.culture.fr/franceterme/microscopie
