تعرف على الميكروسكوب الإلكتروني وكيفية استخدامه في البحث العلمي

الميكروسكوب الإلكتروني هو جهاز يستخدم شعاعاً من الإلكترونات المتسارعة كمصدر للإضاءة. يتميز هذا المجهر بدقته العالية في تصوير الأشياء، حيث يتمكن من تكبير العينات إلى مستويات نانوية.

الميكروسكوب الإلكتروني

المجهر الإلكتروني يعد أداة متقدمة تستخدم لالتقاط صور ذات دقة عالية للعينات البيولوجية وغير البيولوجية على حد سواء.

يستخدم هذا المجهر في المجالات الطبية الحيوية لإجراء الدراسات المعمقة حول تركيب الأنسجة والخلايا والعضويات، بالإضافة إلى المجمعات الجزيئية.

تتميز الصور الناتجة عن المجهر الإلكتروني بدقتها العالية، ذلك بفضل استخدام الإلكترونات، التي تمتلك أطوال موجية قصيرة للغاية كمصدر للإضاءة.

كما يُستخدم الميكروسكوب الإلكتروني مع مجموعة متنوعة من التقنيات المساعدة، مثل التحضير الرقيق والعلامات المناعية والتلوين السلبي، للجواب عن أسئلة بحثية معينة.

توفر صور المجهر الإلكتروني معلومات قيمة حول الأساس البنيوي لوظائف الخلايا والأمراض الخلوية.

نظرًا لأن الطول الموجي للإلكترونات يمكن أن يكون أقصر بنحو 100,000 مرة من طول فوتونات الضوء المرئي، فإن المجاهر الإلكترونية تعتبر أكثر فعالية من المجاهر الضوئية، حيث يمكنها الكشف عن الهياكل الأصغر بكثير.

حقق المجهر الإلكتروني النافذ للمسح دقةً تتجاوز 50 م في وضع تصوير المجال المظلم الحلقي، مع تكبير يصل إلى حوالي 10,000,000×.

في المقابل، فإن المجاهر الضوئية تواجه محدوديات بسبب الانعراج، حيث تصل دقتها إلى 200 نانومتر فقط، ولا تتجاوز تكبيراتها 2000×.

يعتمد تصميم الميكروسكوب الإلكتروني على مجالات مغناطيسية تشكل أنظمة عدسات بصرية إلكترونية تشبه تلك المستخدمة في المجهر الضوئي.

نبذة تاريخية عن الميكروسكوب الإلكتروني

في عام 1926، قام هانز بوش بتطوير العدسة الكهرومغناطيسية بناءً على أفكار دينيس جابور. في عام 1928، حاول الفيزيائي ليو زيلارد إقناع بوش ببناء مجهر إلكتروني، حيث تم تسجيل براءة اختراع له.

تم تطوير أول مجهر إلكتروني نموذجي قادر على التكبير بأربعمائة مرة في عام 1931 من قبل الفيزيائي إرنست روسكا والمهندس الكهربائي ماكس نول، وكان الجهاز هو العرض الأول العملي لمبادئ المجهر الإلكتروني.

في مايو من نفس العام، حصل رينهولد رودنبرغ، المدير العلمي لشركة Siemens-Schuckertwerke، على براءة اختراع لمجهر إلكتروني.

في عام 1932، قام إرنست لوبيك من شركة Siemens & Halske بتطوير صورة لنموذج أولي لمجهر إلكتروني، وفقًا للمفاهيم التي تم توضيحها في براءة اختراع رودنبرغ.

أيضًا في عام 1937، كان مانفريد فون أردين رائدًا في استخدام المجهر الإلكتروني الماسح، بينما أنتجت شركة سيمنز أول مجهر إلكتروني تجاري في عام 1938.

وفي نفس العام، تم بناء أول مجهر إلكتروني في أمريكا الشمالية في جامعة تورنتو بواسطة إيلي فرانكلين بيرتون والطلاب سيسيل هول، وجيمس هيلير، وألبرت بريبوس.

أنواع الميكروسكوب الإلكتروني

يوجد نوعان رئيسيان من المجهر الإلكتروني، هما:

• المجهر الإلكتروني النافذ (Transmission Electron Microscope – TEM).
• المجهر الإلكتروني الماسح (Scanning Electron Microscope – SEM).

يستخدم المجهر الإلكتروني النافذ لفحص عينات رقيقة، حيث يمكن للإلكترونات المرور خلالها لتوليد صورة تكبير.

أما المجهر الإلكتروني الماسح، فهو مشابه في بعض النواحي للمجهر الضوئي التقليدي، ويستخدم لتصوير الأجزاء الداخلية للخلايا والهياكل الجزيئية، بالإضافة إلى تنظيم الجزيئات في الفيروسات وهياكل الخلايا.

يعتمد المجهر الإلكتروني الماسح على انبعاث الإلكترونات الثانوية من سطح العينة، ويوفر صورًا مفصلة لأسطح الخلايا، وهو مثالي لدراسة العناصر التي لا يمكن رؤيتها بواسطة المجهر TEM.

يمكن أيضًا استخدام SEM لحساب الجسيمات وتحديد الحجم والتحكم في العملية. يُطلق عليه المجهر الإلكتروني الماسح لأنه يقوم بمسح العناصر باستخدام شعاع إلكتروني مركّز.

أجزاء الميكروسكوب الإلكتروني

يتكون الميكروسكوب الإلكتروني من عمود فراغي طويل يتم تركيبه عموديًا ويحتوي على المكونات التالية:

• بندقية إلكترونية: تقوم بتوليد الإلكترونات بواسطة خيوط تنغستن ساخنة.
• العدسات الكهرومغناطيسية: تركز العدسة الأولى شعاع الإلكترون على العينة، بينما تشكل عدسة المكثف الثانية حزمة دقيقة من الإلكترونات.
  • يمر شعاع الإلكترون الخارجي عبر العدسة الموضوعية، التي تمتلك قوة عالية، لتشكيل صورة مكبرة متوسطة.
  • العدسات الثالثة تسمى عدسات بروجيكتور، التي تنتج الصورة النهائية المكبرة.
  • تعمل هذه العدسات على تكبير الصورة مع الحفاظ على مستوى عالي من التفاصيل والدقة.
• حامل العينة: وهو غشاء رقيق للغاية مصنوع من الكربون أو الكولوديون مثبت بشبكة معدنية.
• نظام عرض وتسجيل الصور: يتم عرض الصورة النهائية على شاشة الفلورسنت، وأسفلها توجد كاميرا لتسجيل الصورة.

اللون في صور الميكروسكوب الإلكتروني

في التكوينات الشائعة، تنتج المجاهر الإلكترونية صورًا بخلفية سطوع واحدة لكل بكسل، وعادةً ما يتم عرض النتائج بتدرج رمادي.

ومع ذلك، يمكن تلوين هذه الصور باستخدام برامج متخصصة أو تحرير يدوي باستخدام محرر رسومات، وذلك لتوضيح البنية أو للأغراض الجمالية، دون إضافة معلومات جديدة حول العينة.

سلبيات الميكروسكوب الإلكتروني

تتميز المجاهر الإلكترونية بتكاليف عالية في البناء والصيانة، ولكنها تعتبر الآن منافسة للاستخدامات التقليدية للمجاهر الضوئية.

يجب أن يتم وضع المجاهر عالية الدقة في مباني مستقرة، وغالبًا ما تتطلب خدمات خاصة مثل أنظمة إلغاء المجال المغناطيسي.

تحتاج العينات إلى أن تُفحص في فراغ، حيث أن جزيئات الهواء ستؤدي إلى تشتت الإلكترونات.

المجاهر الإلكترونية الماسحة التي تعمل في بيئة الفراغ التقليدي، تتطلب عادةً أن تكون العينات موصلة، مما يجعل المواد غير الموصلة بحاجة إلى طلاء موصل.

تطبيقات الميكروسكوب الإلكتروني

تشتمل تطبيقات المجهر الإلكتروني على مجموعة متنوعة من المجالات، ومنها:

تخزين البيانات وأشباه الموصلات

• تعديل الدوائر.
• تحليل الأخطاء.
• تحليل الفشل.

علم الأحياء وعلوم الحياة

• علم الأحياء البرية.
• المجهر الإلكتروني بالتبريد.
• الفحص المجهري الإلكتروني التشخيصي.
• البحوث الدوائية مثل المضادات الحيوية.
• تصوير مقطعي بالإلكترون.
• تحليل الجسيمات.
• كشف الجسيمات.
• توطين البروتينات.
• علم الأحياء البنيوي.
• تصوير الأنسجة.
• علم السموم.
• علم الفيروسات مثل مراقبة الحمل الفيروسي.

بحوث المواد

• اختبار الأجهزة والتوصيف.
• تجارب المواد الديناميكية.
• الترسيب الناجم عن شعاع الإلكترون.
• التوصيف في الموقع.
• تأهيل المواد.
• البحوث الطبية.
• علوم النانو.
• النمذجة النانوية.

الصناعة

• الكيماويات/البتركيماويات.
• تصنيع شعاع الكتابة المباشرة.
• علم الغذاء.
• الطب الشرعي.
• الفركتوجرافي.
• التوصيف الدقيق.
• التعدين (تحليل تحرير المعادن).
• مراقبة الجودة في الصناعات الدوائية.