Kể từ khi kính hiển vi xuất hiện vào khoảng thập niên 1590, chúng ta bắt đầu nhìn thấy thế giới của những sinh vật cực kỳ nhỏ bé sống trong nước, thức ăn và thậm chí ngay trong cơ thể chúng ta.
Kính hiển vi thời kỳ đầu
Giới khoa học hiện nay không biết chính xác ai đã sáng chế kính hiển vi. Theo nhiều nhà sử học, kính hiển vi đầu tiên do Hans Lippershey chế tạo. Ông sinh ra tại Wesel, Đức, vào năm 1570. Sau này, ông chuyển đến sống và định cư ở Middelburg, Hà Lan – một quốc gia khi đó đang trải qua thời kỳ đổi mới nghệ thuật và khoa học được gọi là Thời đại Hoàng kim của Hà Lan (Dutch Golden Age). Tại Middelburg, Lippershey làm nghề chế tạo kính mắt với khả năng mài thấu kính điêu luyện. Ông cũng tự nghiên cứu để tạo ra ống nhòm và một số kính hiển vi, kính thiên văn sớm nhất. Lippershey được biết đến là người đầu tiên nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho một chiếc kính viễn vọng.
Nhưng một số bằng chứng khác lại cho thấy, hai cha con Hans Janssen và Zacharias Janssen là những người tạo ra kính hiển vi sơ khai. Họ cũng làm nghề chế tạo kính mắt và sống cùng thị trấn với Lippershey ở Hà Lan. Vào những năm 1650, nhà ngoại giao người Hà Lan William Boreel đã viết một bức thư cho bác sĩ của nhà vua Pháp. Trong bức thư của mình, Boreel nói rằng Zacharias Janssen đã kể và mô tả cho ông về một chiếc kính hiển vi mới sáng chế vào đầu thập niên 1590.
Zacharias Janssen, một trong những người đầu tiên chế tạo kính hiển vi. (Ảnh: Wikimedia).
Những chiếc kính hiển vi do gia đình nhà Janssen chế tạo là kính hiển vi phức hợp, sử dụng ít nhất hai thấu kính hội tụ. Vật kính (objective len) với tiêu cự rất nhỏ được đặt gần vật thể cần quan sát, tạo ra ảnh thật lớn hơn vật. Hình ảnh này được phóng to hơn nữa bởi một thấu kính thứ hai gọi là thị kính (eyepiece) trước khi đến mắt người quan sát.
Hiện nay, một bảo tàng ở thị trấn Middelburg vẫn đang lưu giữ một trong những chiếc kính hiển vi đầu tiên của Hans Janssen và Zacharias Janssen, có niên đại vào năm 1595.
Phương pháp chế tạo kính hiển vi nhanh chóng lan truyền khắp châu Âu. Năm 1609, Galileo Galilei cải tiến thiết kế kính hiển vi phức hợp để làm tăng độ phóng đại và ông gọi thiết bị của mình là occhiolino, hay “con mắt nhỏ”.
Robert Hooke, nhà khoa học người Anh, cũng sửa đổi thiết kế kính hiển vi để quan sát cấu trúc của bông tuyết, bọ chét, chấy và thực vật. Hooke là người đưa ra thuật ngữ tế bào (cell) bắt nguồn từ tiếng Latinh “cella”, nghĩa là “căn phòng nhỏ”. Bởi vì ông thấy rằng, tế bào khi quan sát dưới kính hiển vi trông khá giống với những căn phòng nhỏ mà các nhà sư sinh sống. Năm 1665, những quan sát của Hooke được nêu chi tiết trong cuốn sách “Micrographia”, giúp công chúng tiếp cận gần hơn với thế giới vi mô.
Những chiếc kính hiển vi phức hợp thời kỳ đầu cung cấp độ phóng đại lớn hơn kính hiển vi thấu kính đơn, nhưng chúng cũng làm biến dạng hình ảnh nhiều hơn. Để khắc phục vấn đề này, Antoine van Leeuwenhoek, nhà khoa học người Hà Lan, đã thiết kế kính hiển vi chỉ với một thấu kính nhưng có độ phóng đại lớn vào thập niên 1670. Điều bất lợi của việc sử dụng một thấu kính là phải đặt dụng cụ rất gần với mắt. Với thiết bị này, ông là người đầu tiên quan sát, mô tả tinh trùng của chó và người. Ông cũng nghiên cứu nấm men, hồng cầu, vi khuẩn từ miệng và động vật nguyên sinh. Kính hiển vi thấu kính đơn của Van Leeuwenhoek có thể phóng to gấp 270 lần so với kích thước thực tế. Nó tiếp tục được sử dụng phổ biến cho đến thập niên 1830.
Đi kèm với sự cải tiến thiết kế kính hiển vi, các nhà khoa học cũng phát triển những phương pháp mới để làm tăng độ tương phản cho mẫu vật, ví dụ sử dụng kỹ thuật nhuộm màu để khiến mẫu vật dễ quan sát hơn. Nhờ áp dụng kỹ thuật này, bác sĩ người Đức Robert Koch đã phát hiện Mycobacterium tuberculosis, trực khuẩn gây ra bệnh lao, vào năm 1882. Sau đó, Koch tiếp tục sử dụng kỹ thuật nhuộm màu để phân lập vi khuẩn gây bệnh tả.
Các loại kính hiển vi hiện đại
Hiện nay, các phòng thí nghiệm được trang bị nhiều loại kính hiển vi khác nhau, tùy thuộc mục đích sử dụng.
Các loại kính hiển vi quang học tốt nhất đã đạt đến giới hạn quan sát vào đầu thế kỷ 20, bởi vì chúng không thể giúp nhìn thấy các vật nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy được). Nhưng vào năm 1931, hai nhà khoa học người Đức là Ernst Ruska và Max Knoll đã vượt qua rào cản lý thuyết này bằng kính hiển vi điện tử.
Ernst Ruska sinh năm 1906, tại Heidelberg, Đức. Ông học ngành điện tử tại Đại học Kỹ thuật ở Munich, sau đó nghiên cứu công nghệ chân không và điện áp cao ở Đại học Công nghệ Berlin. Tại đây, Ruska và cố vấn của ông, tiến sĩ Max Knoll, lần đầu tiên tạo ra một “thấu kính” ảo nhờ từ trường và dòng điện. Đến năm 1933, hai nhà khoa học này chế tạo thành công một chiếc kính hiển vi điện tử có thể vượt qua giới hạn phóng đại của kính hiển vi quang học vào thời điểm đó.
Hiện nay, các phòng thí nghiệm được trang bị nhiều loại kính hiển vi khác nhau, tùy thuộc mục đích sử dụng. Ví dụ như kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi phân cực kính hiển vi phản xạ, kính hiển vi tương phản pha, kính hiển vi đồng tiêu, kính hiển vi tia cực tím. Các nhà khoa học cũng có thể dùng máy tính kết nối với kính hiển vi để chụp và phân tích hình ảnh mà mắt người không nhìn thấy được. Kính hiển vi hiện đại thậm chí có thể ghi lại hình ảnh một nguyên tử duy nhất.