بررسی نحوه عملکرد میکروسکوپ الکترونی - مجله همراهان

به گزارش خبرنگار ، میکروسکوپ های الکترونی، نوعی میکروسکوپ مرکب محسوب می گردد که از ترکیب حداقل دو عدسی بوجود آمده است و به جای نور مرئی از الکترون استفاده می کند. میکروسکوپ های الکترونی از الکترومگنت ها به عنوان عدسی عمل کمک می گیرد که سیستم، کاملا درون خلاء قرار گرفته است و برای مشاهده سلول ها و ساختار های سلولی، به جای نور مرئی از الکترون استفاده می کنند.

جالب است بدانید؛ میکروسکوپ های اولیه که میکروسکوپ ساده نام داشت، شامل تنها یک عدسی بودند، اما میکروسکوپ الکترونی، که میکروسکوپ مرکب است از ترکیب حداقل دو عدسی بوجود آمده است.

در طول قرن هیجدهم میکروسکوپ در زمره وسایل تفریحی به شمار می آمد. با پژوهش های بیشتر پیشرفت های قابل توجهی در شیوه ساختن عدسی شئی حاصل شد، بطوری که عدسی های دیگر یصورت ذره بین های معمولی نبودند بلکه خطا های موجود در آن ها که به کنج هایی معروف هستند، دفع شده اند و آن ها می توانستند جرئیات یک شی را دقیقا نشان دهند. پس از آن در طی پنجاه سال، پژوهشگران بسکمک تلاش کردند تا بر کیفیت و مرغوبیت این وسیله بیافزایند. بالاخره ارنست آبه توانست مبنای علمی میزان بزرگنمایی میکروسکوپ را تعریف کند. بدین ترتیب میزان بزرگنمایی مفید آن بین 50 تا 2000 برابر معین شد. البته می توان میکروسکوپ هایی با بزرگنمایی بیش از 2000 برابر ساخت. مثلا قدرت عدسی چشمی را بیشتر کرد.

اما قدرت تفکیک نور ثابت است و درنتیجه حتی بزرگنمایی بیشتر می تواند دو نقطه از یک شی را بهتر تفکیک کند. هر چه بزرگنمایی شی افزایش یابد به میزان پیچیدگی آن افزوده می گردد.

بزرگنمایی شی در میکروسکوپ های تحقیقاتی جدید معمولا 3X، 6X، 10X، 12X، 40X و 100X است و در نتیجه بزرگنمایی در این میکروسکوپ بین 18 تا 1500 برابر است. چون بزرگنمایی میکروسکوپ نوری از محدوده معینی تجاوز نمی کند برای بررسی بسکمک از پدیده هایی که احتیاج به بزرگنمایی خیلی بیشتر دارند مفید است. تحقیقات بسکمک صورت گرفت تا وسیله دقیق تری با بزرگنمایی بیشتر ساخته گردد. نتیجه این پژوهش ها منجر به ساختن میکروسکوپ الکترونی شد.

• توپوگرافی شی (نقشه برداری): در این کار با آشکار کردن معینات سطح و بافت داخلی شی، می توان به خواصی مانند سفتی و میزان ارتجاعی بودن آن پی برد.
• مورفولوژی (زیست شناسی): به دلیل اینکه در این رویت شکل و سایر ذرات معین است، می توان به نیروی استحکام پی برد.
• ترکیب: این میکروسکوپ می تواند عناصر سازنده شی را معین کند؛ بنابراین می توان به خواصی مانند نقطه ذوب، اکتیویته شی دست یافت.
• بلور شناسی: میکروسکوپ الکترونی چگونگی چیده شدن اتم را در مجاورت یکدیگر نشان می دهد. به این ترتیب می توان آن ها را از نظر رسانایی و خواص الکتریکی بررسی نمود.

در این میکروسکوپ نمونه را در نوعی پلاستیک، قالب گیری کرده و سپس با تیغ الماسی یا شیشه ای به قطعات بسیار نازک 50 تا 100 نانومتری برش می دهند. برای دست یابی به کنتراست مناسب، نمونه های آماده سازی شده با رنگ هایی مثل اسمیک اسید یا نمک های پرمنگنات، اورانیوم، لانتانیوم، یا سرب تیمارمی شوند (زیرا این مواد از اتم هایی با وزن اتمی بالا تشکیل شده است و الکترون ها را به خوبی متفرق می کند و کنتراست را افزایش می دهد). بعد برش ها را روی یک صفحه یا توری فلزی کوچک قرار می دهند. پرتوی الکترونی از نمونه عبور می کند و نهایتا روی یک صفحه فلورسانت می افتد.

با این روش امکان مشاهده تک ملکول های پروتئین و نو کلئیک اسید نیز وجود دارد. اگر تنها مشاهده ویژگی های خارجی یک نمونه مد نظر باشد، تهیه برش های نازک لازم نیست. سلول های دست نخورده یا محتویات آن را می توان به طور مستقیم با TEM و به کمک تکنیکی به نام رنگ آمیزی منفی مشاهده کرد.

روش دیگر برای مشاهده ویژگی های خارجی یک نمونه استفاده از میکروسکوپ الکترونی نگاره است. درکار با این میکروسکوپ نمونه با لایه نازکی از یک فلز سنگین مثل طلا پوشانده می گردد. سپس یک پرتو الکترونی با حرکت عقب و جلو سطح نمونه را اسکن می کنند. الکترون های متفرق شده از سطح پوشش فلزی جمع آوری می گردد و یک صفحه نمایش را فعال کرده و تولیدتصویر می کند. در این میکروسکوپ پرتوی الکترونی از درون نمونه عبور نمی کند و معمولا سطح نمونه قابل مشاهده است.

میکروسکوپ مرکب از یک لوله تشکیل شده که در دو انتهای آن دو عدسی شئی نزدیک به شی مورد مطالعه و عدسی چشمی قرار گرفته است. تصویری که توسط عدسی شئی بوجود می آید، بوسیله عدسی چشمی بزرگتر می گردد. به این جهت بزرگنمایی آن بیش از قدرت یک عدسی است. در میکروسکوپ های پیشرفته، دستگاه نوری پیچیده تر است. بدین ترتیب که در آن ها علاوه بر لامپ، یک کندانسور (مجموعه عدسی های متمرکز کننده نور) و یک دیافراگم که شدت نور را کنترل می کند، قرار داده شده است. لامپی که در این نوع میکروسکوپ ها مورد استفاده قرار می گیرد، با ولتاژ کم کار می کند. لامپ های فراوانی برای این منظور وجود دارند که هرکدام نوری با شدت و طول موج مورد نظر تامین می کنند؛ بنابراین برای تفکیک دو نقطه نزدیکتر از 2500 آنگستروم باید از میکروسکوپ الکترونی استفاده کرد.

زیرا طول موج الکترون از طول موج نور کمتر است. اولین میکروسکوپ الکترونی که ساخته شد، درست مانند میکروسکوپ نوری که شعاع نور را از داخل نمونه مورد مطالعه عبور می دهد، شعاع الکترون را از داخل مقطع بسیار نازکی عبور می دهد.

زیرا تراکم مواد در تمام قسمت های نمونه مورد مطالعه یکسان نیست، میزان الکترونی که از قسمت های مختلف عبور می کند متفاوت است و درنتیجه تصویری از قسمت های تاریک و روشن آن بدست می آید. میکروسکوپ الکترونی دارای یک قسمت لوله ای شکل است که الکترون می تواند آزادانه از آن عبور کند و در قسمت بالای لوله یک قطب منفی الکتریکی به شکل رشته سیم نازک وجود دارد که جنس آن از تنگستن است. این قسمت آنقدر حرارت داده می گردد تا بتواند از خود الکترون آزاد کند.

این عمل با ایجاد اختلاف پتانسیل از 20000 تا 100000 ولت بین کاتد و آند صورت می گیرد. در نتیجه یک شعاع الکترونی بسوی پایین قسمت لوله ای شکل شتاب داده می گردد. به این سیستم تفنگ الکترونی می گویند و در طول لوله عدسی هایی همگرا اندازه و روشنایی شعاع الکترونی را قبل از برخورد با نمونه مورد مطالعه کنترل می کنند. مقطع مورد بررسی روی یک صفحه مشبک دایره شکلی قرار داده می گردد.

شعاع الکترونی پس از عبور از مقطع و قبل از این که به حد بزرگنمایی نهایی برسد، از میان عدسی هایی شئی عبور کرده و تنظیم می گردد. سپس توسط عدسی هایی بر روی صفحه زیر میکروسکوپ منعکس می گردد. چگالی بزرگنمایی بیشتر میکروسکوپ ها از 50 تا 800000 برابر است. صفحه زیر میکروسکوپ از مواد فسفردار (فسفید روی) پوشانیده شده که در مقابل پرتو الکترون از خود نور تولید می کند. در زیر این صفحه یک دوربین عکاسی قرار گرفته است که از تصویر روی صحنه عکس می گیرد.

انواع خاصی از میکروسکوپ نوری که منبع نور آن پرتو های فرابنفش است. برای مشاهده نمونه زیر این میکروسکوپ ها بخش ها یا ملکول های ویژه داخل سلول با مواد فلورسانت یا نورافشان رنگ آمیزی می شوند. زمانی هدف تشخیص پروتئین های خاص یا جایگاه آن ها در سلول باشد، روش های معمولی رنگ آمیزیکه پروتئین ها را به طور عام رنگ می کنند قابل استفاده نیست.

برای رنگ آمیزی اختصاصی، معمولا از پادتن های اختصاصی متصل به مواد فلورسانت استفاده می گردد. مواد فلورسانت نور را در طول موج فرابنفش جذب می کنند و در طول موج بلندتری در طیف مرئی تابش می کنند. تصویری که دیده می گردد حاصل نور تابش شده از نمونه است. جالب است بدانید؛ رودامین و فلورسئین دو نوع از رنگ های معمول فلورسانت هستند که به ترتیب نور قرمز و سبز از خود تابش می کنند.

مزیت میکروسکوپ اختلاف فاز در این است که می توانیم با آن سلول های زنده را با جزئیات بیشتر مشاهده کنیم. تیمار هایی مثل تثبیت نمونه می توانند دگرگونی هایی در ساختار درونی سلول بوجود آورند؛ بنابراین مطاله سلوله های زنده که هیچ تیماری ندیده اند خیلی مطلوب است. می توان فرایند هایی مثل تقسیم میتوز (mitosis) در سلول های زنده را نیز با این میکروسکوپ ها مطالعه کرد.

در برخی موارد برای عکس برداری پیوسته و دراز مدت از سلول فعال، دوربینی به میکروسکوپ وصل می گردد. مطالعه سلول های زنده با میکروسکوپ تداخلی (interference microscope) و میکروسکوپ زمینه سیاه (dark field microscope) نیز مقدور است. سیستم های نوری خاصی در تمام این نوع میکروسکوپ ها وجود دارد که به علت ویژگی آن ها تباین کافی بین اجزای سلول ایجاد و مشاهده سلول های زنده مقدور می گردد. استفاده از میکروسکوپ زمینه سیاه برای مشاهده حرکت باکتری معمول است، که در این مورد ایجاد تباین بین سلول باکتری زنده و محیط اطرافش مهم است.

نوع ساده تر میکروسکوپ الکترونی است برای بررسی نمونه با این میکروسکوپ، نمونه با لایه ای نازک از فلز سنگین به صورت یکنواخت پوشیده گردد. الکترون های تابیده شده به سطح نمونه از هیچ ناحیه ای از آن عبور نمی کنند، بلکه در برخورد با سطح نمونه باعث تولید الکترون های بازتابیده می شوند.

این الکترون ها تشخیص داده شده و تصویری سه بعدی از سطح نمونه حاصل می گردد و قدرت جداسازی میکروسکوپ الکترونی نگاره حدود nm10 است.

STM حروف اول Scanning Tunneling Microscope است این نوع میکروسکوپ در دهه 1970 اختراع شد و مخترعان آن در سال 1981 جایزه نوبل را دریافت کردند و همانطور که گفته شد طول موج محدودیتی برای میزان R. معین می کند. نوآوری STM در این است که در آن امواج نوری یا امواج نوع دیگر به کار گرفته نمی گرددو هیچ نوع عدسی در آن وجود ندارد.

بیان دقیق نحوه کار این میکروسکوپ خارج از توان این مطلب است، ولی به طور خلاصه سوندی که نوک آن به اندازه یک اتم است، ویژگی های نمونه را در ابعاد اتمی روبش می کند. STM ساختار سطحی نمونه را بررسی می کند. اما میکروسکوپ مشابه دیگر ویژگی های الکتریکی، مغناطیسی و یا دمای نمونه را معین می کنند و در حال حاضر این میکروسکوپ ها برای نمونه های زیستی و بیشتر برای نمونه های غیر زیستی مورد استفاده قرار می گیرند.

میکروسکوپ پرتو X نوع دیگری از میکروسکوپ های نوین است که کاربرد بیشتری برای نمونه های زیستی دارد و قدرت جداسازی آن چند صد آنگسترم و ضعیفتر از میکروسکوپ الکترونی است، اما سلول های زنده با آن قابل بررسی هستند.