Kanadabalsam – das Baumharz für die Mikroskopie

Baumharz, also ein Naturprodukt, wird tatsächlich in manchen Bereichen der Mikroskopie eingesetzt. Der Kanadabalsam wird aus der kanadischen Balsam-Tanne (Abies balsamea) und aus der Fraser-Tanne (Abies fraseri) gewonnen. Es gibt aber noch andere Balsame, zum Beispiel den Oregonbalsam. Auf dem Bild mit dem Baumharz in einer besonderen Aufbewahrungsflasche kann man bereits erkennen, warum dieser Naturstoff ganz besonders nützlich für die Mikroskopie ist – aber es springt einem nicht sofort ins Auge.

Es ist deswegen nicht sofort offensichtlich, weil etwas fehlt: In der Flasche steht ein Glasstab, mit dem das recht zähflüssige Harz, ähnliche wie Honig, in kleinen Portionen entnommen werden kann. Folgt man dem Glasstab von oben nach unten, hinein in die Flüssigkeit, stellt man fest, dass er an der Oberfläche des Kanadabalsams quasi verschwindet, und in der Flüssigkeit gar nicht zu sehen ist. Und das liegt allein an der Lichtbrechung und dem Brechungsindex der beteiligten Materialien: Glas, Kanadabalsam und Luft. Und ganz nebenbei kann man damit auch erklären, warum man überhaupt durchsichtige Dinge sehen kann.

Der Brechungsindex gibt an, vereinfacht gesagt, wie das Verhältnis zwischen Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Material ist. Allein mit dieser Information – dass das Licht in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell ist – kann man schon die Lichtbrechung erklären. Schön visualisiert ist das in dem folgenden Bild, bei dem von einer Punktquelle Lichtwellen ausgehen und in ein Medium übergehen, das einen höheren Brechungsindex hat. Dabei spricht man auch von einem „optisch dichteren“ Medium, beispielsweise Glas oder Wasser.

Zurück zur Frage warum wir durchsichtige Dinge sehen können: Das Licht wird gebrochen, wenn der Brechungsindex sich zur Umgebung unterscheidet, beispielsweise ein Glasstab (Brechungsindex ~ 1,5) in Luft (Brechungsindex ~ 1), und deswegen können wir das transparente Objekt sehen. Aber nicht nur die Brechung spielt dabei eine Rolle, sondern auch Reflexion. Die ist immer auch an Grenzflächen zwischen Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex zu finden. Das heißt, dass an jeder Grenzfläche ein bisschen Licht reflektiert wird, meist im Bereich von einigen Prozent, und der übrige Teil des Lichts wird gebrochen.

Lichtbrechung hat noch eine unangenehme Eigenschaft: Dispersion. In jedem durchsichtigen Material ist die Lichtgeschwindigkeit abhängig von der Wellenlänge, also der Farbe, des Lichts. Die Lichtgeschwindigkeit in Glas ist für blaues Licht kleiner als für rotes Licht, dass heißt blaues Licht wird beim Passieren einer Grenzfläche um einen größeren Winkel abgelenkt als rotes Licht – so entsteht die Aufspaltung in alle Farben bei einem Prisma.

In der Mikroskopie kann es durch die Dispersion zu einem Abbildungsfehler kommen, zur chromatischen Aberration, über die ich bereits im Artikel über die richtige Deckgläschenstärke etwas geschrieben habe. Um diesen Abbildungsfehler zu vermeiden, werden in der Mikroskopie achromatische Linsen verwendet. Diese Linsen, die auch Achromaten genannt werden, sind, im einfachsten Fall, Kombinationen aus einer Kronglaslinse (Brechungsindex 1,5 bis 1,6) und einer Flintglaslinse (Brechungsindex bis 2,0). Diese Linsen werden miteinander verklebt, und tatsächlich wurde das in früherer Zeit mit Kanadabalsam gemacht, da der Brechungsindex dieses Baumharzes bei 1,54 liegt. Das sorgt im einfachen Beispiel eines Achromaten, der nur aus einer Kronglas- und einer Flintglaslinse besteht, dafür, dass es nur eine Grenzfläche innerhalb der Linse gibt, nämlich zwischen Kanadabalsam und Flintglas (Brechungsindex bis zu 2,0), da man das Kronglas mit gleichem Brechungsindex wie den Kanadabalsam wählen kann. Bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts wurden auch Kratzer in Fensterscheiben oder Brillengläsern mit Kanadabalsam repariert. In vielen Bereichen wurde das Naturprodukt mittlerweile durch Acrylharze ersetzt, da diese schneller aushärten, besser zu lagern und auch preisgünstiger sind.

Allerdings ist Kanadabalsam nicht als Kleber in Achromaten in der Mikroskopie berühmt geworden, sondern als Mittel zur Herstellung von Dauerpräparaten. Mikroskop-Präparate bestehen in der Regel immer aus einem Objektträger und einem Deckgläschen, die in irgendeiner Form miteinander verklebt sind. Kanadabalsam bietet sich hier förmlich an. Einmal, weil das Harz nach Verdunsten der ätherischen Öle einen passablen Klebstoff darstellt, aber vor allem wegen seines Brechungsindex von 1,54. Objektträger und Deckgläschen sind in der Regel aus Glas mit einem ganz ähnlichen Brechungsindex, so dass der Kanadabalsam dafür sorgt, dass keine internen Grenzflächen entstehen an denen Brechung oder Reflexion auftritt. Durch ein Mikroskop betrachtet, wirkt eine Probe mit Kanadabalsam so, als sei sie in Glas gegossen.

Ich habe versucht dies mit einigen Mikroskopiebildern zu illustrieren. Es handelt sich um ein Barthaar von mir, das mit Kanadabalsam zwischen Objektträger und Deckgläschen geklebt ist, allerdings ist nicht das komplette Haar vom Harz umschlossen und genau auf diese Stelle der Probe habe ich den Bildausschnitt gelegt, um einen Vergleich zwischen „Barthaar eingebettet in Kanadabalsam zwischen Glas“ (jeweils links in den Bildern) und „Barthaar in Luft zwischen Glas“ (jeweils rechts in den Bildern) zu haben. Die Mikroskopiebilder unten zeigen zwei verschiedene Vergrößerungen: das obere der beiden Bilder ist mit Licht von oberhalb und unterhalb der Probe aufgenommen worden. Dort kann man erkennen, dass das Haar in Luft etwas mehr Licht reflektiert (rechts im Bild) und der eingebettete Teil (links im Bild) ein paar mehr Details erkennen lässt. Das untere der beiden Bilder wurde nur mit Licht von unterhalb der Probe aufgenommen, und hier kann man sehr gut erkennen, dass das Licht Teile des eingebetteten Haares (links im Bild) durchdringen kann und etwas von der Struktur sichtbar wird, wohingegen der Teil des Haares in Luft (rechts im Bild) schwarz erscheint.

Es gibt noch viele andere Methoden um Dauerpräparate für die Mikroskopie herzustellen. Die Verwendung von Kanadabalsam ist aufwendig, da das Harz mehrere Tage aushärten sollte. Trotzdem finde ich die Verwendung von einem reinen Naturprodukt in der Mikroskopie immer wieder faszinierend. Wie sehen Sie das? Ich würde mich über Kommentare freuen.

Über den Autor:
André Lampe ist Physiker und hat in Biochemie promoviert über Hochauflösungsmikroskopie. Seit 2015 bloggt er bei den scienceblogs.de über „die kleinen Dinge“ und ist sonst auch viel in der Wissenschaftskommunikation unterwegs, beispielsweise mit zwei Podcast Projekten.
blog: scienceblogs.de/diekleinendinge/    Podcast: Wirkstoffradio.de    Podcast: mgg.andre-lampe.de    Twitter: @andereLampe