در این مطالب برای آشنایی با میکروسکوپ‌ها و نحوه کار آن‌ها به بررسی عملکرد و معرفی میکروسکوپهای زمینه روشن، میکروسکوپ فلورسانس و میکروسکوپ الکترونی می‌پردازیم.
تعریف میکروسکوپ
میکروسکوپ ابزاری است که با استفاده از آن می‌توان اجسام کوچک، حتی سلول‌ها را مشاهده کرد. تصویر یک جسم حداقل از طریق یک عدسی در میکروسکوپ بزرگ می شود. این لنز نور را به سمت چشم خم می‌کند و باعث می‌شود یک شی بزرگتر از حد واقعی مشاهده شود.
یکی از ویژگی‌هایی که میکروسکوپ را به یک ابزار محبوب در آزمایشگاههای زیست شناسی تبدیل کرده است،این است که می‌توان برای مشاهده یک شی در سطح سلولی از آن استفاده کرد. درواقع میکروسکوپ به زیست شناسان اجازه می‌دهد شکل سلول، هسته آن، میتوکندری و سایر اندامک ها را ببینند. در حالی که میکروسکوپ مدرن قطعات زیادی دارد، مهمترین قطعات در هر نوع میکروسکوپ لنزهای آن است. از طریق لنزهای میکروسکوپ است که می توان تصویر یک جسم را با جزئیات بزرگ و بزرگ کرد. یک میکروسکوپ نوری ساده نحوه ورود نور به چشم را با استفاده از یک عدسی محدب، تغییر می‌دهد. وقتی نور از جسمی که در زیر میکروسکوپ مشاهده می شود منعکس می‌شود و از لنز عبور می‌کند ، به سمت چشم خم می شود. همین امر باعث می شود که شی بزرگتر از آنچه که هست واقعی به نظر برسد.
تصویر زیر سلولهای یک برگ جوان جوانه گل کاج، گیاه کوچک گل دهنده مربوط به خردل را نشان می‌دهد.
این تصویر یک میکروگراف نوری ساده نیست. این یک تصویر فلورسنت از برگ گیاه تهیه شده است که در آن قسمت‌ها‌ی مختلف سلول با برچسب‌ها‌یی برچسب گذاری شده اند تا باعث درخشش آن‌ها در زیر میکروسکوپ شود.
مروری بر تاریخچه میکروسکوپ‌ها
در طول تاریخ میکروسکوپ، نوآوری‌ها و فن آوری‌های جدید استفاده از میکروسکوپ را آسان کرده و کیفیت تصاویر تولید شده را بهبود بخشیده است. میکروسکوپ مرکب که حداقل از دو عدسی تشکیل شده است، در سال ۱۵۹۰ توسط سازندگان هلندی، زکریا و هانس جانسن اختراع شد. یکی از قدیمی‌ترین میکروسکوپ‌ها را نیز فردی هلندی به نام آنتوان ون لیوون هوک ساخته است. میکروسکوپهای لیوون هوک شامل یک توپ کوچک شیشه‌ای بود که درون یک قاب فلزی قرار گرفته بود. وی به دلیل استفاده از میکروسکوپهای خود برای مشاهده میکروارگانیسم‌های تک سلولی آب شیرین که آن‌ها را جانوران کوچک نامید، مشهور شد.
میکروسکوپ و لنزها
اگرچه سلول‌ها اندازه‌های متفاوتی دارند، اما به طور کلی بسیار کوچک هستند. به عنوان مثال، قطر یک گلبول قرمز معمولی انسان حدود هشت میکرومتر (0.008 میلی متر) است. برای اینکه تصور بهتری برای شما فراهم شود، قطر سر یک سنجاق حدود یک میلی متر است، بنابراین می‌توان حدود ۱۲۵ گلبول قرمز را به صورت یک ردیف در سر یک سنجاق سر قرار داد. به استثنای چند مورد، سلولهای منفرد با چشم غیر مسلح دیده نمی‌شوند، بنابراین دانشمندان برای مطالعه آن‌ها باید از میکروسکوپ استفاده کنند. میکروسکوپ ابزاری است به وسیله آن اشیا بسیار کوچک را می‌توان در ابعاد بزرگتر مشاهده کرد. در واقع میکروسکوپ تصویری از اشیا کوچک تولید می‌کند که در آن جسم بزرگتر به نظر می‌رسد. بیشتر عکس‌های سلول‌ها با استفاده از میکروسکوپ گرفته می‌شود و می‌توان این تصاویر را میکروگراف نیز نامید.
از تعریف بالا، ممکن است به نظر برسد که میکروسکوپ فقط نوعی ذره بین است. در واقع، ذره بین‌ها به عنوان میکروسکوپ شناخته می‌شوند. از آنجا که آن‌ها فقط یک عدسی دارند، به آن‌ها میکروسکوپ ساده می‌گویند. ابزارهای ساده‌تری که ما معمولاً به عنوان میکروسکوپ شناخته می‌شوند، میکروسکوپهای ترکیبی نام دارند، به این معنی که آن‌ها دارای چندین لنز هستند. به دلیل نحوه چیدمان این لنزها، آن‌ها می‌توانند نور را خم کنند و تصویری با بزرگنمایی بیشتر از یک ذره بین تولید کنند.
در یک میکروسکوپ ترکیبی با دو عدسی، چیدمان لنزها نتیجه جالبی دارد: جهت گیری تصویری که مشاهده می‌کنید در ارتباط با شئی واقعی که بررسی می‌کنید تغییر می‌یابد. به عنوان مثال، اگر به کاغذ روزنامه‌ای با حرف “e” نگاه می‌کردید، تصویری که از طریق میکروسکوپ مشاهده کردید می‌تواند “ə” باشد. میکروسکوپهای مرکب پیچیده‌تر ممکن است تصویری معکوس تولید نکنند، زیرا شامل یک لنز اضافی هستند که تصویر را به حالت عادی خود برگرداند.
چه چیزی میکروسکوپ اولیه را از ماشین قدرتمندی که امروزه در آزمایشگاه تحقیقاتی استفاده می‌شود جدا می‌کند؟ دو ویژگی اصلی در هر میکروسکوپ وجود دارد که از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند که بزرگنمایی و وضوح تصویر در میکروسکوپ‌ها را شامل می‌شوند. در ادامه در مورد هریک از این ویژگی‌ها بحث می‌کنیم:
بزرگنمایی
بزرگنمایی اندازه‌گیری میزان بزرگتر کردن میکروسکوپ (یا مجموعه ای از لنزهای درون میکروسکوپ) برای بزرگتر شدن تصویر یک شی است. به عنوان مثال، میکروسکوپهای نوری که به طور معمول در دبیرستان‌ها و دانشگاه‌ها استفاده می‌شوند، می‌توانند تصویری تقریباً ۴۰۰ برابر اندازه واقعی بزرگ اجسام را ایجاد کنند. بنابراین، چیزی که در شرایط واقعی ۱ میلی متر عرض دارد، در تصویر میکروسکوپ به اندازه ۴۰۰ میلی متر مشاهده می‌شود.
وضوح
وضوح میکروسکوپ یا لنز کوچکترین فاصله‌ای است که می‌توان از طریق آن دو نقطه را جدا کرد و در حالی که همچنان به عنوان اجسام جداگانه قابل تشخیص باشند. هرچه این مقدار کوچکتر باشد، قدرت تفکیک میکروسکوپ بیشتر و وضوح و جزئیات تصویر بهتر خواهد بود. اگر دو سلول باکتریایی روی یک اسلاید بسیار نزدیک به هم باشند، ممکن است به صورت یک نقطه مبهم بر روی میکروسکوپی با قدرت تفکیک پایین به نظر برسند، اما می‌توان آن‌ها را با استفاده از یک میکروسکوپ با قدرت تفکیک بالا به صورت جداگانه مشاهده کرده و مورد بررسی قرار داد.
اگر تصویر واضحی از جسم بسیار ریزی را بخواهیم مشاهده کنیم، بزرگنمایی و وضوح تصویر نیز بسیار اهمیت دارد. به عنوان مثال، اگر یک میکروسکوپ از بزرگنمایی زیاد اما وضوح پایین برخوردار باشد، آنچه دریافت خواهیم کرد نسخه بزرگتر از جسم با یک تصویر تار است. انواع مختلف میکروسکوپ‌ها از نظر بزرگنمایی و تفکیک متفاوت هستند. در ادامه به بررسی برخی از انواع میکروسکوپهای متداوال که روزانه در آزمایشگاههای سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌پردازیم.
میکروسکوپ نوری
بیشتر میکروسکوپ‌ها‌یی که در مراکز آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرند به عنوان میکروسکوپ نوری طبقه بندی می‌شوند. در میکروسکوپ نوری، نور مرئی از نمونه عبور می‌کند و از طریق سیستم عدسی خم می‌شود و به کاربر اجازه می‌دهد یک تصویر بزرگ شده نمونه را ببیند. یکی از مهمترین مزیت میکروسکوپ نوری این است که اغلب می‌توان به وسیله آن روی سلولهای زنده مطالعه کرد، بنابراین می‌توان سلول‌ها‌یی را که رفتارهای طبیعی خود را انجام می‌دهند (به عنوان مثال مهاجرت یا تقسیم) زیر میکروسکوپ مشاهده کرد.
میکروسکوپ نوری، از این نوع که معمولاً در آزمایشگاههای زیست شناسی دبیرستان و کارشناسی وجود دارد.
میکروسکوپ زمینه روشن
میکروسکوپهای آزمایشگاهی آموزشی اغلب از نوع میکروسکوپهای نوری زمینه روشن هستند، به این معنی که نور مرئی از نمونه عبور داده می‌شود و مستقیماً برای ایجاد تصویر، بدون هیچ گونه تغییری مورد استفاده قرار می‌گیرد. اشکال کمی پیچیده‌تر از میکروسکوپ نوری از ترفندهای نوری برای افزایش کنتراست استفاده می‌کند و جزئیات سلول‌ها و بافت‌ها را به شکل مشخصی‌تری نشان می‌دهند. از جمله سایر میکروسکوپهای نوری می‌توان به میکروسکوپ فاز کنتراست، میکروسکوپ معکوس و میکروسکوپ زمینه تاریک و فلورسنت اشاره کرد.
میکروسکوپ فلورسنت
نوع دیگر میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ فلورسانس است که برای تصویربرداری از نمونه‌ها‌یی که دارای فلورسنس هستند (یک طول موج نور را جذب می‌کنند و دیگری را ساطع می‌کنند) استفاده می‌شود. برای تحریک مولکولهای فلورسنت، از نوری با یک طول موج مشخص استفاده می‌شود و نوری که با طول موج متفاوتی از نمونه ساطع می‌شود جمع شده و برای تشکیل تصویر به کار گرفته می‌شود. در بیشتر موارد، قسمتی از سلول یا بافت که می‌خواهیم آن را مورد بررسی قرار دهیم به طور طبیعی فلورسنت نیست و به همین دلیل باید قبل از قرار گرفتن زیر میکروسکوپ، آن بخش با رنگ یا برچسب فلورسنت برچسب گذاری شود.
تصویر برگ در ابتدای مقاله با استفاده از نوع خاصی از میکروسکوپ فلورسانس به نام میکروسکوپ کانفوکال تهیه شده است. میکروسکوپ کانفوکال با استفاده از لیزر لایه نازکی از نمونه را تحریک می‌کند و فقط نور ساطع شده از لایه هدف را جمع می‌کند و یک تصویر واضح و بدون تداخل از مولکولهای فلورسنت در لایه‌ها‌ی اطراف تولید می‌کند.
میکروسکوپ الکترونی
برخی از انواع پیشرفته میکروسکوپ نوری (فراتر از تکنیک‌ها‌یی که در بالا به آن‌ها پرداختیم) می‌توانند تصاویر با وضوح بسیار بالا تولید کنند. در حالی که اگر می‌خواهید چیزی بسیار ریز و با وضوح بسیار بالا مشاهده کنید، ممکن است بخواهید از یک روش متفاوت و آزمایش شده دیگر استفاده کنید: میکروسکوپ الکترونی.
میکروسکوپهای الکترونی با میکروسکوپهای نوری تفاوت دارند زیرا آن‌ها با استفاده از پرتو الکترون به جای پرتو نور، تصویری از نمونه را تولید می‌کنند. طول موج الکترون‌ها بسیار کمتر از نور مرئی است و این به میکروسکوپهای الکترونی اجازه می‌دهد تا تصاویر با وضوح بالاتر از میکروسکوپهای استاندارد نوری تولید کنند. از میکروسکوپهای الکترونی می‌توان نه تنها ساختار کلی سلول، بلکه ساختارهای دورن سلولی و اندامک‌های درون آن‌ها را نیز بررسی کرد.
باید به این نکته نیز اشاره کرد که میکروسکوپهای الکترونی دارای محدودیت‌هایی نیز هستند. یکی از این محدودیت‌ها این است که نمونه‌ها‌ی میکروسکوپ الکترونی باید در تحت خلا قرار بگیرند (و معمولاً از طریق یک فرآیند تثبیت ویژه نمونه تهیه می‌شوند). این بدان معنی است که نمی‌توان از سلولهای زنده با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی تصویربرداری کرد.
در زیر تصاویری از باکتری سالمونلا را مشاهده می‌کنید که از طریق میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی گرفته شده است. جزئیات بیشتر در میکروگراف الکترونی روبشی دیده می‌شود.
در تصویر بالا، می‌توانید نحوه مشاهده باکتری‌ها‌ی سالمونلا در میکروگراف نوری (چپ) را در مقایسه با تصویری که با میکروسکوپ الکترونی (سمت راست) گرفته شده، مقایسه کنید. باکتری‌ها در تصویر تهیه شده با میکروسکوپ نوری به صورت نقاط ریز بنفش ظاهر می‌شوند، در حالی که در میکروگراف الکترونی، می‌توانید شکل و بافت سطح آن‌ها و همچنین جزئیات سلولهای انسانی را که می‌خواهند به آن‌ها حمله کنند، به وضوح مشاهده کنید.
میکروسکوپ الکترونی دو نوع عمده دارد که با نام‌های SEM و TEM شناخته می‌شوند. در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پرتویی از الکترون‌ها از سطح سلول یا بافت به عقب و جلو حرکت می‌کند و تصویری دقیق از سطح سه بعدی نمونه ایجاد می‌کند. از این نوع میکروسکوپ برای تهیه تصویر باکتری سالمونلا در سمت راست که ویشتر در مورد آن بحث کردیم، استفاده شده است.
در مقابل، در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، نمونه قبل از تصویربرداری در اندازه‌هایی با قطر کم و بسیار نازکی برش داده می‌شود (برای تهیه برش از نمونه اغلب از تیغه‌های الماس استفاده می‌شود) و پرتو الکترون به جای اینکه از سطح آن عبور کند، از قطر نمونه عبور می‌کند. TEM اغلب برای بدست آوردن تصاویر دقیق از ساختارهای داخلی سلول‌ها به کار می‌رود.
میکروسکوپهای الکترونی نسبت به میکروسکوپهای نوری استاندارد، بسیار بزرگتر و گران قیمت‌تر هستند و اغلب در آزمایشگاههای تخصصی و توسط کارشناسان ماهر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
میکروسکوپ المپیوس
شرکت المپیوس (Olympus) ژاپن یکی از مهمترین شرکت‌های پیشرو در تولید میکروسکوپهای بیولوژی و پزشکی به شمار می‌آید. این شرکت با بیش از ۱۰۰ سال تجربه تولید انواع میکروسکوپ، قادر به ارائه راه‌های حل‌های نوری و اپتیکی نوین در جهت پیشبرد انواع برنامه‌ها و پروژه‌های تحقیقاتی است. میکروسکوپهای المپیوس در انواع مختلف برای کاربردهای آموزشی و دانشگاهی، آزمایشگاهی و تحقیقات پیشرفته در زمینه‌های مختلف زیست شناسی مانند آسیب شناسی و سیتولوژی دردسترس پژوهشگران قرار دارد.
شرکت پارس ژن پویا فعال در زمینه تامین تجهیزات آزمایشگاهی معتبر، انواع میکروسکوپهای بیولوژی و تجهیزات مرتبط با برند المپیوس را در ایران ارائه می‌دهد.
منبع: khanacademy
