Ai là người phát minh ra kính hiển vi

Kính hiển vi là gì ?

Kính hiển vi là một phát minh vĩ đại giúp con người có thể theo dõi, phân tích những mẫu vật có kích thước nhỏ với một độ phóng đại nhất định. Để có được chiếc kính hiển vi như chúng ta sử dụng hiện nay là quá trình nghiên cứu, cải tiến lâu dài của rất nhiều nhà phát minh khoa học. 

Vậy, ai là người phát minh ra kính hiển vi?

Kính hiển vi, được mệnh danh là “mắt thần,” là một công cụ vô giá trong việc quan sát các vật thể có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không thể nhìn thấy. Với cơ chế tạo ra hình ảnh phóng đại của vật thể, kính hiển vi cho phép chúng ta khám phá các chi tiết tinh vi và cấu trúc phức tạp của các mẫu vật ở cấp độ tế bào và phân tử. Công cụ này hoạt động dựa trên hệ thống thấu kính hoặc công nghệ quang học tiên tiến, giúp khuếch đại hình ảnh của các đối tượng nhỏ đến hàng triệu lần so với kích thước thật của chúng. Kính hiển vi được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành khoa học, từ sinh học và y học đến vật lý và hóa học, đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu và hiểu biết về thế giới vi mô.

Theo một số nhà sử học, người đầu tiên tạo ra kính hiển vi là Hans Lippershey, một thợ làm kính người Hà Lan, ông cũng là người nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho chiếc kính viễn vọng đầu tiên. 

Tuy nhiên, một số tài liệu khác lại cho thấy rằng chiếc kính hiển vi phức hợp đầu tiên được phát minh vào những năm cuối thế kỷ 16 bởi Hans Janssen cũng là thợ làm kính ở Hà Lan và con trai ông, Zacharias. Cụ thể, trong bức thư của nhà ngoại giao người Hà Lan William Boreel gửi cho bác sĩ của nhà vua Pháp năm 1650 có nói rõ rằng Zacharias Janssen đã mô tả cho ông về chiếc kính hiển vi mới sáng chế vào năm 1590.

Mặc dù vậy, lịch sử của kính hiển vi không chỉ bắt đầu từ thế kỷ 16 mà đã có dấu vết từ trước đó rất lâu.

Lịch sử kính hiển vi

Kính hiển vi ra đời khi nào ?

Tiền thân của kính hiển vi

Ý niệm đầu tiên của kính hiển vi có nguồn gốc từ các nhà triết học La Mã cổ đại, những người đã phát hiện ra rằng các tinh thể trong suốt hoặc pha lê có phần ở giữa dày hơn các cạnh còn lại có khả năng làm mọi thứ trông lớn hơn. Họ nhận thấy rằng các tinh thể này, khi được nhìn qua, có thể phóng đại các vật thể nhỏ và tạo ra hình ảnh rõ nét hơn.

Theo các tài liệu của Bảo tàng Lịch sử Anh, tiền thân của kính hiển vi có thể được truy tìm về những phát minh từ xa xưa. Vào năm 700 trước Công nguyên, người Assyria đã chế tạo ống kính Nimrud, những chiếc đĩa pha lê đá có dạng hình lồi.

Đến năm 167 trước Công nguyên, người Trung Quốc đã sử dụng chiếc ống đựng đầy nước để hình dung ra những đối tượng không thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Vào khoảng năm 100 sau Công nguyên, khi thủy tinh ra đời, người La Mã đã thử nghiệm các hình dạng khác nhau của nó và phát hiện chức năng phóng đại vật thể, từ đó đặt tên là "Lens" (thấu kính) vì có hình dạng giống với cây đậu lăng (Lentils).

Đến thế kỷ 11, người Arab đã mài nhẵn những viên đá quý Beryl thành thấu kính dạng lồi để phóng to chữ viết.

Cuối thế kỷ 13, kính mắt trở nên phổ biến hơn, kéo theo việc lan truyền các loại kính lúp có ống kính đơn với độ phóng đại hạn chế. Tuy nhiên, phải đến năm 1600, con người mới nhận ra rằng thấu kính có thể được sử dụng để chế tạo các dụng cụ quang học, mở đường cho sự phát triển của kính hiển vi hiện đại.

Kính hiển vi ra đời như thế nào ?

Như đã nói ở trên, những chiếc kính hiển vi đầu tiên ra đời dưới bàn tay của những người thợ làm kính mắt Hans Lippershey hoặc cha con nhà Janssen. Trong đó, chiếc kính hiển vi của cha con nhà Janssen có tới 3 ống kính, dài khoảng 50cm, đường kính 5cm và có độ phóng đại từ 3x đến 9x.

Đến năm 1609, Galileo Galilei đã thiết kế lại chiếc kính viễn vọng chuyển đổi nó thành kính hiển vi với một thấu kính phân kỳ. Đổi mới này đã mở ra một kỷ nguyên mới trong việc quan sát các vật thể nhỏ bé bằng cách phóng đại chúng lên nhiều lần. Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu của Galileo bị gián đoạn đáng tiếc khi ông bị bắt hầu tòa vì những quan điểm của mình về việc "Trái đất quay xung quanh mặt trời," dẫn đến việc ông bị buộc tội dị giáo. Sự kiện này đã ảnh hưởng đến tiến trình phát triển của kính hiển vi, mặc dù những đóng góp của Galileo trong lĩnh vực quang học vẫn để lại ảnh hưởng sâu rộng.

Vào năm 1620, nhà thiên văn học Cornelis Drebbel đã giới thiệu một chiếc kính hiển vi sơ khai với hai thấu kính hội tụ, tuy nhiên, ý tưởng này thực chất đã được Johannes Kepler tiên phong

Chân dung Cornelis Drebbel

Đến năm 1667, học giả người Anh Robert Hooke, người đặt nền móng cho ngành khoa học hiển vi, đã xuất bản cuốn sách “Micrographia”, trong đó chứa những hình ảnh được quan sát qua kính hiển vi. Kính hiển vi mà Hooke sử dụng được chế tạo bởi thợ cơ khí London Christopher Cock, với cấu tạo gồm một chiếc đèn dầu thông thường và quả cầu thủy tinh chứa nước bên trong, giúp chiếu sáng đồng đều và đạt độ phóng đại lên đến 50x. Tuy nhiên, hiện tượng quang sai là một khuyết điểm lớn trong quá trình nghiên cứu của Hooke, đặc biệt khi kết hợp hai thấu kính.

Phác thảo kính hiển vi Robert Hooke đã sử dụng

Người tạo ra kính hiển vi có độ phóng đại cao nhất 200x trong thời bấy giờ là Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723). Không sử dụng kính hiển vi phức hợp như Hooke, Leeuwenhoek dùng thiết bị chỉ có một thấu kính, giúp tránh hiện tượng quang sai nhưng yêu cầu phải đặt dụng cụ rất gần mắt. Với kính hiển vi này, ông là người đầu tiên quan sát được tế bào sống như vi khuẩn và tinh trùng, mở ra những khám phá quan trọng trong nghiên cứu sinh học.

Chân dung Antonie van Leeuwenhoek

Vì được xem như thú vui của giới thượng lưu nên không được công nhận giá trị đối với các lĩnh vực khoa học và trong 2 thế kỷ sau hầu như không có sự phát triển nào. Mãi đến thế kỷ 18, khi những vật kính tiêu sắc đầu tiên ra đời thì độ phân giải của kính hiển vi mới được cải thiện.

Vào đầu thế kỷ 19, Joseph von Fraunhofer đã có những cải tiến quan trọng trong chất lượng thủy tinh dùng để chế tạo kính hiển vi quang học, giúp nâng cao khả năng quan sát.

Chân dung Joseph von Fraunhofer 

Giữa thế kỷ 19, kính hiển vi đạt một bước phát triển lớn nhờ Giovanni Amici với việc phát triển các vật kính ngâm nước và ngâm dầu. Đến năm 1873, Ernst Abbe sử dụng các phép toán quang học để dự đoán độ phân giải tối đa của kính hiển vi quang học có thể lên tới 200 nanomet và cải tiến các vật kính ngâm dầu để tạo ra thiết bị chiếu sáng tối ưu hơn.

Ernst Abbe - người đặt nền móng cho kỹ thuật sản xuất kính hiển vi khoa học thời kỳ sau

Vài năm sau, August Koehler phát triển phương pháp chiếu sáng Koehler, phương pháp này nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn và vẫn còn được sử dụng rộng rãi đến ngày nay.

Trong nửa đầu thế kỷ 20, nhiều phát kiến đã đặt nền tảng cho kỹ thuật kính hiển vi hiện đại, bao gồm chiếc kính hiển vi tương phản pha đầu tiên ra đời năm 1941 nhờ Fritz Zernike, và kỹ thuật hiển vi tương phản giao thoa khác biệt (DIC) do Georges Nomarski phát minh.

Fritz Zernike và chiếc kính hiển vi tương phản pha của ông

Năm 1961, Osamu Shimomura mô tả đầu tiên về chất đánh dấu GFP (Green Fluorescent Protein) qua nghiên cứu một loại sứa có tên Aequorea victoria. Đến những năm 1990, Douglas Prasher và Martin Chalfie thành công trong việc tái tạo GFP bên ngoài cơ thể sứa, mở ra cơ hội sử dụng chất đánh dấu này cho các loại protein khác. Từ cơ sở đó, các kỹ thuật hiển vi huỳnh quang như FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) và TIRF (Total Internal Reflection Microscopy) được phát triển và cải tiến, tiếp tục thúc đẩy sự tiến bộ trong nghiên cứu và quan sát sinh học.

Phổ màu GFP dùng để đánh dấu Protein trong nghiên cứu

Năm 1951, Marvin Minsky đã đăng ký bằng sáng chế đầu tiên liên quan đến hiển vi đồng tiêu, đánh dấu một bước quan trọng trong sự phát triển của kính hiển vi. 

Đến năm 1987, nhóm nghiên cứu từ EMBL và Medical Research Council đã ứng dụng kính hiển vi Confocal mới để quan sát vận chuyển cấu trúc tế bào và phân chia đa bào. 

Năm 1990, Stefan Hell đã thực hiện một bước đột phá trong hiển vi quang học bằng kỹ thuật STED (Stimulated Emission Depletion), giúp loại bỏ sự phát xạ không mong muốn và tăng cường độ phân giải.

Đến năm 2000, Mats Gustafsson đã phát triển kính hiển vi SIM (Structured Illumination Microscopy), một công nghệ mô phỏng cấu trúc sử dụng tấm ánh sáng để giảm năng lượng lên mẫu. 

Năm 2004, Ernst Stelzer đã tạo ra kính hiển vi SPIM (Selective Plane Illumination Microscopy) nhằm giảm năng lượng ánh sáng, hạn chế tổn hại cho tế bào.

Khoảng năm 2006, Eric Betzig đã vượt qua giới hạn nhiễu xạ bằng cách sử dụng các phân tử huỳnh quang có thể kích thích, dẫn đến sự ra đời của kính hiển vi kích thích tại chỗ.

3 nhà khoa học đoạt giải Nobel hóa học nhờ kỹ thuật phát triển vượt bậc cho hiển vi huỳnh quang

Năm 2014, Stefan Hell, Eric Betzig và William Moerner được trao giải Nobel Hóa học nhờ những kỹ thuật mới của họ, kết hợp các phương pháp SPIM, SIM, và chùm sáng lưới, mở ra những khả năng quan sát sâu rộng hơn trong nghiên cứu sinh học - một sự phát triển vượt bậc cho hiển vi huỳnh quang khi có thể phân giải các cấu trúc nhỏ cỡ nanomet.