ساختار و کاربردهای میکروسکوپ الکترونی
در میکروسکوپ از لنزهای شیشه ای شفاف برای بزرگنمایی تصویر اجسام استفاده می شود. بزرگنمایی میکروسکوپ ها محدود است و به طول موج نوری که استفاده می شود، بستگی دارد. طول موج نور مرئی بین 390 تا 700 نانومتر (یک میلیاردم متر) است. یعنی با استفاده از چشم انسان و نور مرئی نمی توان اجسامی که کوچکتر از چند صد نانومتر هستند را دید. با پیشرفت دانش و فناوری، دانشمندان یافتند اجسامی در مقیاس بسیار کوچکتر از این، در تمام جهان وجود دارد که باید آنها را بررسی کرد. برای مثال اندازه اتم ها و مولکول ها بخش کوچکی از یک نانومتر است. بنابراین دانشمندان به فکر افتادند ابزارهایی بسازند که با استفاده از آنها بتوان این ابعاد را مشاهده کرد. میکروسکوپ الکترونی به ما امکان می دهد اجسامی با این ابعاد را مشاهده کنیم.
ارنست روسکا (Ernst Ruska) فیزیکدان آلمانی برای اولین بار در 13 آوریل 1932 اعلام کرد که به روش ساخت میکروسکوپ الکترونی دست یافته است. از آن زمان تاکنون فناوری میکروسکوپ الکترونی دستخوش تغییرات بسیاری شده است.
با توجه به اینکه جایزه نوبل شیمی سال 2017 را به پژوهش هایی در زمینه کاربرد میکروسکوپ الکترونی برای تشخیص ساختار مولکول های زیستی اهدا کردند، در این مقاله شما می توانید با انواع میکروسکوپ های الکترونی و کاربرد آنها آشنا شوید.
میکروسکوپ الکترونی از پرتوی از الکترون ها به جای نور مرئی و از آشکارساز به جای چشم انسان استفاده می کند. پرتو الکترون می تواند به ما امکان دهد اجسام بسیار کوچک را ببینیم چرا که الکترون می تواند مانند نور رفتار کند. پرتو الکترون خاصیت موجی دارد که طول موج آن بسیار کوچکتر از طول موج نور مرئی است. این طول موج می تواند جزئیاتی با اندازه های کوچکتر از نانومتر را آشکار کند. بعضی از میکروسکوپ های الکترونی بزرگنمایی تا 2 میلیون برابر ابعاد جسم دارند، در حالی که بیشترین بزرگنمایی میکروسکوپ های نوری 2 هزار برابر است.
انواع میکروسکوپ های الکترونی
میکروسکوپ های الکترونی را می توان به چهار دسته، تقسیم بندی کرد:
- میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
- میکروسکوپ الکترونی روبشی عبوری (STEM)
- میکروسکوپ الکترونی بازتابی (REM)
میکروسکوپ الکترونی عبوری
میکروسکوپ الکترونی عبوری اولین نوع میکروسکوپ الکترونی است که ساخته شد. در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM، پرتوی از الکترون ها از طریق یک تفنگ الکترونی به یک نمونه بسیار باریک که معمولاً بیش از صد نانومتر (یک میلیاردم متر) ضخامت ندارد، برخورد می کند. الکترون ها از درون نمونه عبور می کنند. الکترون ها، پس از عبور از نمونه به یک صفحه فلورسانس برخورد می کنند و تصویری روی این صفحه تشکیل می شود. در واقع می توان میکروسکوپ الکترونی عبوری را نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو دانست که در آن پرتوی از الکترون ها از میان تصویر عبور داده می شود.
برش نگاری الکترونی (electron tomography) یکی از شکل های میکروسکوپ الکترونی است که به ما امکان می دهد تصویر سه بعدی سلول یا بافت را مشاهده کنیم. مشاهده تصاویر به صورت سه بعدی باعث می شود بررسی آنها بسیار بهتر و آسان تر صورت گیرد. برش نگاری الکترونی همچنین تصاویر با کیفیت تری نسبت به میکروسکوپ الکترونی روبشی معمول ارائه می دهد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی
در میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SEM پرتوی از الکترون ها سطح نمونه را پویش می کند. الکترون هایی که از نمونه برگردانده می شوند، الکترون های ثانویه نامیده می شوند. این الکترون های ثانویه بوسیله یک آشکارساز به دام می افتند. این آشکارساز می تواند تصویر سطح نمونه را پدید آورد. جهت الکترون های ثانویه به جهت گیری مشخصات سطح بستگی دارد. این میکروسکوپ به ما امکان می دهد سطح اجسام سه بعدی را با کیفیت خوبی مشاهده کنیم.
CryoSEM نوع خاصی از میکروسکوپ الکترونی روبشی است که برای بررسی بهتر نمونه هایی که رطوبت دارند (مانند غذاها و گیاهان)، بکار می رود. در CryoSEM نمونه ها پیش از مشاهده در نیتروژن مایع منجمد می شوند. دانشمندان معمولاً این روش را انتخاب می کنند چرا که تصویر دقیق تری از نمونه ارائه می دهد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی عبوری
این میکروسکوپ الکترونی ترکیبی از قابلیت های هر دو نوع میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری را دارا است. پرتو الکترون از میان نمونه عبور داده می شود و در عین حال سطح نمونه توسط پرتوی که تا کوچکترین اندازه ممکن متمرکز شده است، روبش می شود. این میکروسکوپ کاربردهای زیادی همچون تصویربرداری مستقیم از اتم های منفرد یا آرایش آنها روی سطح دارد.
میکروسکوپ الکترونی بازتابی
در یک میکروسکوپ الکترونی بازتابی نیز پرتوی از الکترون ها به سطح نمونه برخورد می کند ولی به جای عبور از آن یا پویش نمونه، پرتو بازتاب شده ناشی از پراکندگی کشسان الکترون ها، آشکارسازی می شود. در این روش، نمونه در یک محیط خلاء فوق العاده شَدید قرار می گیرد. با استفاده از این میکروسکوپ می توان جزئیات سطح را به دقت مشاهده کرد. با این میکروسکوپ می توان به کیفیتی تا یک دهم نانومتر دست یافت.
میکروسکوپ الکترونی و عملکرد مغز در شبانه روز
دانشمندان بر اساس تصاویر تهیه شده توسط میکروسکوپ الکترونی از درون مغز موش ها، توانستند بگویند هر روزه در مغز ما چه می گذرد. سیناپس ها (اتصالات میان سلول های عصبی)، بر اثر تحریک ها در طول روز قوی و بزرگ می شوند، سپس زمانی که ما خواب هستیم، حدود بیست درصد کوچکتر می شوند تا فضا برای رشد بیشتر و یادگیری در روز بعد باز شود. دانشمندان معتقدند علت انجام این فرآیند در زمان خواب این است که در این زمان ما کمترین توجه را به جهان بیرون داریم. دانشمندان برای مشخص کردن تفاوتی که در طول شبانه روز در اندازه سیناپس ها ایجاد می شود، از روشی استفاده کردند که «پویش پیاپی سه بعدی میکروسکوپ الکترونی» نام دارد. دانشمندان طی این تحقیقات (که 4 سال طول کشید)، به عکس برداری و آنالیز 6920 سیناپس پرداختند و آنها را اندازه گیری کردند. آنها طی تحقیقات خود دریافتند چند ساعت خواب موجب کاهش اندازه سیناپس ها تا 18 درصد می شود.
هولوگرافی الکترونی تک پروتئین ها
پروتئین ها مولکول های پایه حیات هستند. دانشمندان می توانند با بررسی ساختار پروتئین های تکی به یک روش بسیار خاص، مشخص کنند که این مولکول ها چطور ساخته شده اند، وظایف خود را در سلول ها چگونه انجام می دهند و در مقابل داروهای شیمیایی چه واکنشی دارند. این کار با تهیه هولوگرام پروتئین ها ممکن می شود. محققان موسسه ماکس پلانک آلمان برای اولین بار با استفاده از الکترون های بسیار کُند، این کار را انجام دادند.
در گذشته از روش های مختلفی برای تصویربرداری با استفاده از الکترون ها استفاده می کردند اما در حال حاضر دانشمندان به یک روش جدیدی دست یافته اند که هولوگرافی الکترونی نام دارد. دانشمندان برای هولوگرافی الکترونی، از نوعی میکروسکوپ الکترونی استفاده می کنند. این مکروسکوپ، الکترون هایی با انرژی کم را به یک پروتئین می تاباند، با روی هم قرار گرفتن الکترون های پراکنده شده و بخشی از پرتو الکترون که با پروتئین برهم کنشی نداشته است، طرح تداخلی ایجاد می شود که میکروسکوپ آن را ثبت می کند و هولوگرامی ساخته می شود که شبیه هولوگرامی است که بوسیله هولوگرافی نوری بدست می آید. با ساخته شدن میکروسکوپ هولوگرافی الکترونی، فیزیکدانان توانستند به ایده واقعی دنیس گابور (Dennis Gabor) مخترع هولوگرافی پی ببرند؛ هنگامی که او هولوگرافی را اختراع کرد، در حقیقت توسعه میکروسکوپ الکترونی را در سر پرورانده بود. اما در آن زمان منابع الکترون مناسب وجود نداشت و در نتیجه پس از اختراع لیزر، هولوگرافی بوسیله لیزر انجام گرفت.
مشاهده مکان دقیق 23 هزار اتم برای اولین بار
در فوریه 2017 برای اولین بار دانشمندان مکان دقیق بیش از 23 هزار اتم را در یک ذره مشاهده کردند. این ذره به اندازه ای کوچک است که می تواند در دیواره یک تک سلولی جای گیرد. دانشمندان از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی برای بررسی ذره ای استفاده کردند که از آهن و پلاتین ساخته شده بود و 8.4 نانومتر عرض داشت.
به گفته دانشمندان، تصویر ساخته شده با روش معمول پویش تنها می تواند حالت قرارگیری توده اتم ها را نشان دهد، نه جای دقیق هر یک از آنها را. همچنین به دلیل نامنظم بودن بلور نانوذره آهن – پلاتین نمی توان از روش معمول پویش برای آن استفاده کرد. بنابراین دانشمندان راه جدیدی برای استفاده از میکروسکوپ های الکترونی روبشی پیدا کردند. آنها تصمیم گرفتند از جهت های مختلف به یک ذره آهن – پلاتین نگاه کنند.
آنها نمونه را روی پایه خاصی قرار دادند که امکان می داد بتوانند آن را بچرخانند یا جهتش را پس از هر تصویربرداری با پرتو الکترون عوض کنند. این تغییر ساده بسیار موثر بود. چرخش های مختلف باعث ایجاد الگوهای مختلفی از پراکندگی شد. از این الگوهای مختلف می توان برای محاسبه دقیق مکان 6569 اتم آهن و 16627 اتم پلاتین در نانوذره استفاده کرد. این کار بی شباهت به ساخت مدل سه بعدی اشیاء با عکس برداری از زوایای مختلف نیست. با این روش دانشمندان به کیفیتی به اندازه یک دهم قطر اتم دست یافتند.
ساخته شدن مولکول فرار ترینگولن
محققان IBM با استفاده از میکروسکوپ کاوشگر روبشی توانستند ترینگولن بسازند. ترینگولن یک شبکه تخت مثلثی از اتم های کربن است که بسیار ناپایدار است و تولید آن با سنتزهای شیمیایی معمول ممکن نیست.
میکروسکوپ کاوشگر روبشی از یک کاوشگر یا کاونده (پروب) که روی نمونه حرکت می کند، برای بررسی نمونه ها استفاده می کند. دانشمندان برای ساخت ترینگولن از یک مولکول پایه به نام دی هیدروترینگولن استفاده کردند که فاقد الکترون های جفت نشده است. آنها رسوبی از این ماده تولید و آن را زیر میکروسکوپ بررسی کردند. سپس از دو پالس الکتریکی پیاپی که دقیقاً بالای مولکول ها قرار گرفته بود، برای جابجا کردن دو اتم هیدروژن و به وجود آوردن الکترون های جفت نشده استفاده کردند و با استفاده از میکروسکوپ، از محصول ایجاد شده تصویربرداری کردند. تصاویر شکل و تقارن پیش بینی شده برای ترینگولن را داشتند. در شرایط آزمایشگاهی خلاء شَدید و دمای کم، مولکول ها به اندازه ای پایدار ماندند که دانشمندان توانستند نگاهی به آنها بیندازند.
جالب است بدانید که دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ الکترونی تصویری از ویروس زیکا تهیه کرده اند و امیدوار هستند تا با داشتن این تصویر بتوانند درمانی برای این بیماری پیدا کنند.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «ساختار و کاربردهای میکروسکوپ الکترونی»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله سوگند متقی در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
