میکروسکوپ آزمایشگاهی و انواع مختلف آن چیست؟
تعریف میکروسکوپ
میکروسکوپ از دو واژه ی یونانی “میکرو” به معنی کوچک و “اسکوپ” به معنی دیدن، گرفته شده است. بنابراین میکروسکوپ یعنی دیدن ذرات کوچک. این وسیله با بزرگنمائی های متفاوت برای بررسی موجودات و ساختار موادی که با چشم غیر مسلح قابل بررسی نیستند کاربرد دارد. میکروسکوپهای مختلف دارای بزرگنمائی های متفاوتی می باشند که عموما با وجود عدسی های گوناگون، تصویر نمونه مورد نظر چند برابر می شود. اصول کلی در تمامی انواع میکروسکوپ ها براساس عبور نور با طول موج های متفاوت از چندین عدسی محدب می باشد که هر چقدر طول موج نور به کار رفته در میکروسکوپ مزبور کوتاهتر باشد قدرت تفکیک و یا جداکنندگی آن میکروسکوپ بیشتر است.
برای مثال قدرت تفکیک چشم انسان mm 0.1 می باشد و میکروسکوپ نوری معمولی 0.243. بزرگنمائی یک میکروسکوپ حاصل ضرب بزرگنمائی عدسی شیئی در بزرگنمائی عدسی چشمی می باشد.
کاربرد میکروسکوپ چیست؟
میکروسکوپ ابزاری است که برای بزرگنمایی اجسام کوچک استفاده می شود. حتی می‌توان از برخی میکروسکوپ‌ها برای مشاهده اجسام در سطح سلولی استفاده کرد که به دانشمندان اجازه میدهد شکل سلول، هسته، میتوکندری و سایر اندامک‌های آن را ببینند.
میکروسکوپ ها از جمله دستگاه های آزمایشگاهی و در زمینه های مختلف و برای اهداف مختلف استفاده می شوند. برخی از کاربردهای آنها تجزیه و تحلیل بافت، بررسی شواهد پزشکی قانونی، برای تعیین سلامت اکوسیستم، مطالعه نقش پروتئین در سلول و مطالعه ساختار اتمی است.
موارد استفاده از میکروسکوپ
جهت بررسی انواع میکروب ها و انگل ها در مایعات بدن ، انواع سلول های خونی و غیره استفاده می شود. همچنین در برخی از آزمایش های تخصصی و تحقیقاتی نیاز به میکروسکوپ های تخصصی مانند : میکروسکوپ فلوروسنت ، میکروسکوپ الکترونی ، میکروسکوپ زمینه سیاه ، میکروسکوپ اینورت و … می باشد. حتی جراح ها از میکروسکوپ ویژه ای برای اعمال ظریف جراحی مانند جراحی گوش ، چشم و مغز استفاده می کنند.
راهنمای خرید میکروسکوپ
اگر شما قصد خرید میکروسکوپ دارید، خرید میکروسکوپ نباید سخت باشد، اما ممکن است با تنوع میکروسکوپ های موجود در بازار کمی گیج و گمراه کننده باشد. این راهنما در اینجا به شما کمک می کند تا انتخاب های خود را محدود کرده تا دقیقا بدانید کدام میکروسکوپ برای شما مناسب است. در حالی که زمینه های خاصی از میکروسکوپ مانند میکروسکوپ الکترونی و میکروسکوپ فرابنفش (UV) وجود دارد، این زمینه ها نسبتاً تخصصی هستند و به سیستم های پیچیده با لوازم جانبی یا قطعات تخصصی نیاز دارند. به طور کلی دو نوع میکروسکوپ وجود دارد که باید به آنها توجه کرد: میکروسکوپ های استریو یا تشریح کننده (کم توان) و میکروسکوپ های بیولوژیکی یا ترکیبی (قدرت بالا). هر نوع ویژگی های خاص خود را دارد و برای کارهای بسیار متفاوت استفاده می شود!
این سوال که می خواهید میکروسکوپ شما چه کاری انجام دهد مهمترین سوالی است که در انتخاب میکروسکوپ باید به آن پاسخ دهید. آیا می خواهید نمونه های بافتی یا موجودات میکروسکوپی را مطالعه کنید؟ یا می خواهید نمونه های بزرگتر مانند سنگ یا خاک را مطالعه کنید. به دلیل تنوع میکروسکوپهای موجود و کاربرد خاصی که می‌خواهید از آن استفاده کنید، انتخاب مناسب ممکن است چندان ساده نباشد.
بزرگنمایی در میکروسکوپ
دو منبع بزرگنمایی در میکروسکوپ وجود دارد. عدسی شیئی و دیگری عدسی چشمی است. برای درک درست از بزرگنمایی کلی، باید قدرت بزرگنمایی عدسی شیئی را در چشمی ضرب کنید. به عنوان مثال وقتی قدرت بزرگنمایی چشمی معمولی 10 برابر و عدسی شیئی 4 برابر است و آنها را با هم ضرب کنید به بزرگنمایی 40 خواهید رسید.
انواع میکروسکوپ
میکروسکوپ نوری
متداول ترین نوع میکروسکوپی که احتمالا با آن رو به رو خواهید شد، این میکروسکوپ ها به لنزها و نور برای روشن کردن نمونه جهت گردآوری و ایجاد یک تصویر بهینه متکی هستند. آن ها می توانند برای مشاهده سلول های زنده، حشرات، برای انجام تشریح، یا برای ارزیابی بالینی خون و بافت استفاده شوند.
میکروسکوپ مرکب
شما در زندگی خود بدون شک به یکی از این میکروسکوپ ها نگاه کرده اید. میکروسکوپ های مرکب را می توان در مدارس و آزمایشگاه های سراسر جهان یافت. آن ها روی میز کار قرار می گیرند، قابل حمل، مقرون به صرفه و استفاده از آن ها آسان است. منبع نور آن ها از پایین می آید و نور بعد از گذشتن از روی نمونه از لنزهای میکروسکوپ عبور می کند و کاملا قابل مشاهده می شود. این میکروسکوپ اغلب برای مشاهده اشیاء در سطح سلولی استفاده می شود و می تواند تا 1000 برابر آن ها را بزرگ کند.
میکروسکوپ استریوسکوپی
این مورد در آزمایشگاه ها و محیط های آموزشی نیز رایج است. میکروسکوپ استریوسکوپی دارای منبع نوری در بالا برای روشن کردن نمونه است که باعث بازتاب در لنز میکروسکوپ می شود. بزرگنمایی آن ها ضعیف تر از میکروسکوپ های مرکب است، منتها دیدن اجسام مات و بزرگ تر را از نزدیک و با بزرگنمایی حداکثر حدود 50 برابر راحت تر می کند. مسیرهای نوری دوگانه در داخل لوله میکروسکوپ تصویربرداری لایه ای ایجاد می کند، بنابراین یک تصویر 3 بعدی را در چشمی فراهم می کند، که نوعی بهبودی نسبت به تصویر مسطح در یک دامنه ترکیبی است. این میکروسکوپ ها معمولا برای کالبد شکافی، ارزیابی سکه، مطالعه جواهر و کانی ها و حشره شناسی استفاده می شوند. هم چنین می توانند برای تعمیرات پیچیده ساعت یا ریز تراشه ها استفاده گردند.
میکروسکوپ کانفوکال
میکروسکوپ های کانفوکال از لیزر برای اسکن یک نمونه و ایجاد تصاویر با وضوح زیاد و بزرگنمایی بالا استفاده می کنند. از آن جا که آن ها با اسکن نمونه یک عمق انتخابی را فراهم می کنند، می توانند یکسری جزئیات مقطعی (بدون کالبد شکافی فیزیکی) ایجاد کنند که برای ساخت یک تصویر سه بعدی استفاده می شود. میکروسکوپ های کانفوکال اغلب در علوم پزشکی برای تصویربرداری از سلول های زنده یا جنین های مشخص شده با فلورسانس استفاده می شوند. آن ها معمولا می توانند تا حداکثر بزرگنمایی 2000 برابر تنظیم شوند.
میکروسکوپ الکترونی
میکروسکوپ الکترونی برای ایجاد تصویر به نور احتیاج ندارد. در عوض الکترون های شتاب گرفته را از میان یا از سطح یک نمونه برای ارائه یک تصویر دیجیتالی ارسال می کند. این میکروسکوپ ها بالاترین قدرت و بالاترین وضوح را دارند و برای دیدن ساختار دقیق در سطح سلولی و ماکرومولکولی استفاده می شوند. گر چه به نظر می رسد این نحوه نمایش برای میکروسکوپ الکترونی همه چیز باشد، اما پرتوهای الکترون نمونه ها را از بین می برند. این بدان معناست که نمی توانید از این میکروسکوپ برای مشاهده نمونه های زنده استفاده کنید.
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
میکروسکوپ های SEM سطح نمونه را به صورت مستطیلی اسکن می کنند تا اطلاعاتی در مورد توپوگرافی و ترکیبات آن فراهم کنند. نمونه بر روی یک سطح درون یک محفظه خلاء قرار می گیرد، که برای کمک به شتاب، هر گونه هوای بازدارنده الکترون را از بین می برد. سپس اطلاعات برای تفسیر و تصویر دیجیتالی به رایانه ارسال می شود. SEM ها می توانند به رزولوشن حدود 10 نانومتر برسند و حداکثر قدرت بزرگنمایی آن 30000 برابر است.
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
برخلاف ساختار میکروسکوپSEM ، TEM مانند نحوه عبور نور از یک نمونه بر روی میکروسکوپ مرکب، برای دریافت اطلاعات می تواند الکترون ها را از سطح یک نمونه نازک عبور دهد. الکترون های TEM به جای انعکاس از سطح نمونه، از طریق محفظه خلاءuum میکروسکوپ به عقب و جلو می روند تا یک تصویر ایجاد کنند. TEM قوی تر از میکروسکوپ SEM است، قدرت بزرگنمایی بالا تا رزولوشن 1 نانومتر یا حدود 500000 برابر را تولید می کند.
میکروسکوپ الکترونی انعکاسی (REM)
از این میکروسکوپ ها برای بررسی ساختار سطح میکروسکوپی و ترکیب بلورها استفاده می شود. پرتوی باریک الکترون از چند لایه اتمی کریستال با وضوح بالا (تا حدود 1 نانومتر) شکسته می شود. این ترکیب با طیف سنجی (مطالعه پراکندگی نور) برای تشکیل یک تصویر ترکیب می شود.
میکروسکوپ های اشعه ایکس
از آن جا که اشعه ایکس می تواند به طور موثر در ماده نفوذ کند، می توان از آن ها برای مشاهده ساختار داخلی نمونه های مات مانند سنگ، استخوان یا فلزات استفاده کرد. در حالی که قدرت میکروسکوپ الکترونی را ندارند، به لوله خلاء یا الکترون های شتاب دار احتیاج ندارند و بنابراین می توانند هر نوع نمونه را کنترل کنند. میکروسکوپ های اشعه ایکس می توانند به رزولوشن حدود 20 نانومتر برسند.
میکروسکوپ پراب پویشی
SPM ها می توانند تصاویر در مقیاس نانو با رزولوشن کم تر از 1 نانومتر ایجاد کنند. نوک کاوشگر به اندازه عرض یک اتم سطح نمونه را بررسی می کند. هرگونه انحراف در نمونه را تشخیص داده و از طریق لیزر اندازه گیری می کند، سپس اطلاعات را به دیودهای نوری ارسال می کند، که اطلاعات را به شکل یک تصویر دیجیتالی تفسیر می کنند. از این میکروسکوپ ها برای مطالعه اجسام در مقیاس نانو و نگاه به داخل سلول ها و مولکول ها استفاده می شود.
اسکن صوتی
برای تصویربرداری از ساختارهای داخلی نمونه ها بدون ایجاد آسیب استفاده می شود. آن ها می توانند به تفکیک 100 نانومتر برسند و اغلب برای بازرسی دستگاه های نوری یا الکترونیکی استفاده می شوند. نمونه ها در مایع غوطه ور می گردند و تحت امواج صوتی قرار می گیرند، که به یک مبدل تبدیل می شود که اطلاعات را پیکسل می کند و تصویری واضح ایجاد می نماید.
اجزا تشکیل دهنده میکروسکوپ
در ساختمان هر میکروسکوپ این اجزا دیده می شود : بدنه ، منبع نور ، کندانسور ، صفحه نمونه ، پیچ ماکرومتر میکرومتر ، عدسی شیئی ، عدسی چشمی ، منشور ، فیلتر رنگی ( تصحیح نور ) و دیافراگم
اجزای میکروسکوپ نوری
اجزاء سازنده میکروسکوپ نوری را به دو دسته اجزای تشکیل دهنده قسمت نوری و اجزای تشکیل دهنده قسمت مکانیکی می توان تقسیم بندی نمود. در ادامه مطلب هر یک از قسمت های فوق را بررسی بیشتری خواهیم کرد.
- اجزای تشکیل دهنده قسمت نوری
اجزای تشکیل دهنده قسمت نوری عمدتا مشتمل بر منبع تغذیه نور، کندانسور و قطعات مرتبط با آن میشود.
منبع نور : شامل منبع تغذیه نور و قطعات مرتبط با آن از قبیل لامپ می باشد. تهیه نور مناسب می تواند نقش اساسی دروضوح تصویر داشته باشد. روشنی محیط نمی تواند برای تهیه تصویر، مناسب و کافی باشد، لذا در تهیه روشنایی باید از لامپها و چشمه های مصنوعی نور استفاده شود.
لامپهای مورد استفاده در میکروسکوپ ها عبارتند از: لامپ هالوژن لامپ جیوه ای، لامپ گزنون و لامپ تنگستن
کندانسور: کندانسور مشمل بر پنج قطعه میباشد که عبارتند:
- فیلتر رنگی که برای تصحیح نور استفاده میشود.
- دیافراگم که حجم نور را تنظیم می کند.
- دوعدد عدسی محدب برای تمرکز نور بر روی نمونه .
- پیچ نگهدارنده کندانسور که کندانسور را در جای خود ثابت نگه می دارد.
- پیچ تنظیم دیافراگم است که نور را تصحیح کرده و بر روی نمونه یا شیئی مورد بررسی متمرکز می کند.
- اجزای مکانیکی
اجزای مکانیکی مجموعه ای از قطعات هستند که به کمک اجزای نوری ، امکان رؤیت اجسام را فراهم می کند و شامل پایه ، لوله ، عدسی های شیئی و چشمی صفحه گردان و صفحه پلاتینی می باشند. در رابطه با هریک از اجزاء توضیحاتی در ادامه بحث داده می شود.
پایه میکروسکوپ : کلیه قطعات میکروسکوپ بر روی پایه مستقر می باشند. در برخی از مدل های میکروسکوپ نوری منبع نور ، فیوز و کابل برق در پایه تعبیه می گردد.
بازو (دسته) میکروسکوپ : از بازوئی یا دسته میکروسکوپ برای حمل و نقل آن استفاده می شود. باید توجه داشت که به هنگام جابجایی میکروسکوپ از کشیدن آن روی میز کار جداً خودداری شود، زیرا این کار موجب به هم ریختن تنظیم لنزها و عدسی های داخلی می شود.
لوله میکروسکوپ : محل قرار گرفتن عدسیهای شیئی و چشمی میباشد که با بزرگنمائی های مختلف طراحی می شوند.
عدسیهای شیئی دارای بزرگنمائی های 4x ، 10x، 40x ، 60x ، 100x می باشند. عدسی شیئی معمولا از چندین عدسی محدب که در داخل آن تعبیه شده است تشکیل می گردد و وظیفه آنها بزرگنمایی و معکوس سازی تصویر شیء می باشد.
عدسیهای چشمی دارای بزرگنمائی های 18x ،15x، 10x میباشند که استفاده از آنها با توجه به نوع میکروسکوپ متفاوت می باشد.
وظایف مهمی که عدسیهای چشمی بر عهده دارند عبارتند از:
1) بزرگ سازی تصویر معکوس شده حاصل از عملکرد عدسی شیئی
۲) تشکیل تصویر مجازی از آن
۳) اندازه گیری و سنجش اجزا واقع در تصویر.
عدسیهای چشمی دارای انواع مختلفی می باشند که دو نوع معروف و معمول آنها عبارتند از :
1) عدسی چشمی هویگنس
۲) عدسی چشمی رامزدن
عدسی چشمی هویگنس متشکل از دو عدسی سطح محدب به نام عدسی زمینه و عدسی چشمی می باشد که یک طرف هر کدام مسطح و طرف دیگر آن محدب است.
در نوع هویگنس سطح محدب هر دو عدسی به طرف پایین می باشد و بین این دو عدسی دیافراگم قرار گرفته، دیافراگم در محل کانون عدسی بالای عدسی چشمی واقع است. عدسی پایین پرتوهای رسیده از عدسی شیئی را جمع آوری نموده و در محل دیافراگم یا در نزدیکی آن متمرکز می نماید. عدسی چشمی این تصویر را بزرگ نموده و البته به صورت یک تصویر مجازی بزرگ شده به چشم فرد مشاهده گر منتقل می کند.
در نوع رامزدن دیافراگم در ابتدای ورودی و سپس عدسی زمینه قرار دارد تحدب عدسی زمینه برخلاف عدسی هویگنس به طرف بالا و سطح مسطح آن به طرف پایین می باشد .
بر روی بدنه عدسیهای شیئی مشخصات فنی هر عدسی از قبیل: شرکت سازنده، قدرت بزرگنمایی، فاصله کاری لنز، کد رنگی و … نوشته شده است. درج این مشخصات کمک می کند تا با توجه به نیاز کاری لنز مناسب را انتخاب نماییم.
صفحه گردان یا متحرک : عدسیهای شیئی بر روی این صفحه قرار می گیرند و با چرخاندن آن موقعیت عدسیهای شیئی تغییر کرده و عدسی مناسب در مسیر نوری قرار می گیرد.
صفحه پلاتین : صفحه ای است که نمونه مورد نظر روی آن قرار می گیرد و دارای دو خط کش مدرج در جهت طول و عرض می باشد که برای ثبت و یادداشت مکان یک نمونه خاص به کار میرود.
پیچ حرکات تند: این پیچ بر روی دسته تعبیه شده است و باعث می گردد که صفحه پلاتین با سرعت بیشتری در جهت عمودی جابجا شود.
پیچ حرکات کند: این پیچ بر روی پیچ حرکات تند قرار دارد و صفحه پلاتین را در جهت عمودی و در حد میکرون جابجا می کند.
پیچ حرکات طولی و عرضی : این پیچ در زیر صفحه پلاتین قرار دارد و این صفحه را به صورت افقی در جهت طول و عرض جابجا می کند.
اصول نگهداری میکروسکوپ
- هنگامی که از میکروسکوپ استفاده نمی شود، لامپ آن خاموش و با روکش مناسب پوشانده شود.
- از پاکسازی ابزارهای نوری به وسیله اتانول دوری کنید، زیرا الکل بر قسمتهای نوری تأثیر می گذارد. همچنین پایه میکروسکوپ را با دی اتیل بنزن و استون هیچگاه تمیز نکنید.
- از قرار دادن میکروسکوپ نزدیک تجهیزاتی که ارتعاشات تولید می کنند مانند سانتریفیوژ و یخچال برقی اجتناب نمایید.
- بلافاصله پس از استفاده، روغن ایمرسیون از روی عدسیهای شیئی پاک شود. روغن ایمرسیون باعث ایجاد بالاترین قدرت تفکیک میکروسکوپ می شود. ضریب شکست روغن و عدسی یکی است. روغن باید بین نمونه و عدسی را پر کند تا از کاهش نور در اثر انعکاس و پراکنش در محل برخورد هوا و عدسی جلوگیری شود. این امر قدرت تفکیک، روشنایی و شفافیت تصویر را افزایش میدهد.
- میکروسکوپ هایی که در جعبه نگهداری می شوند را هیچ گاه در محیط مرطوب قرار ندهید .
- قبل و بعد از استفاده از میکروسکوپ، قسمت های نوری با دستمال مخصوص لنز، کاغذهای جاذب یا پارچه نرم آغشته به محلولی متشکل از یک حجم اتر و یک حجم ایزوپروپیل الکل پاک شود.
- برای رفع آلودگی های خارجی و برداشت روغن از روی بدنه میکروسکوپ از یک محلول پاک کننده شامل 95% اتانول و 5% آب مقطر استفاده می کنیم.
- از تماس انگشتان دست با لامپ میکروسکوپ خودداری کنید زیرا اثر انگشت بر روی لامپ از شدت نور آن می کاهد.
- هیچگاه از کاغذ معمولی برای تمیز کردن عدسی استفاده نکنید، زیرا سطح عدسی را می تواند خراش دهد.
- برای پاک کردن لنزها نباید از گزیلل استفاده شود و لنزها نمی بایست در الکل خیسانده شوند.
- در هنگام مشاهده لام، برای وضوح تصویر ، هیچ گاه عدسیهای شیئی را خیلی پائین نبرید زیرا ممکن است منجر به خراشیدگی اسلاید و صدمه به لنز شود.
- عدسی های شیئی نباید از میکروسکوپ جدا شوند.
- به منظور جلوگیری از رشد قارچ بر روی لنزها در هوای گرم و مرطوب، میکروسکوپ را پس از اتمام کار در محفظه ای که با یک یا دو عدد لامپ ۴۰ وات گرم شده و محیط خشکی فراهم آورده قرار میدهیم. یک پیشنهاد دیگر استفاده از یک عامل خشک کننده مثل ژل سیلیکون یا برنج میباشد. باید توجه داشت دمای محفظه نباید بیش از ۵ درجه از دمای آزمایشگاه بالاتر باشد.
- مشکل اصلی در هوای گرم و خشک وجود گرد و غبار می باشد، لذا علاوه بر پوشاندن میکروسکوپ در ساعات غیر کاری، می بایست گرد وغبار لنزها را با دمیدن هوا با استفاده از وسیله ای مانند پوار یا با برس مخصوص لنز یا قلم موی نقاشی و در صورت لزوم کاغذ مخصوص لنز تمیز نمود.
تاریخچه میکروسکوپ
در روزگاران قدیم، کوچکترین موجودات زنده ای که مردم می شناختند آن هایی بودند که به زحمت با چشم دیده می شدند. ولی آیا ممکن بود موجوداتی هم باشند که با چشم دیده نشوند؟ اگر با چشم دیده نمی شدند، با چه وسیله ای ممکن بود آن ها را دید؟ البته در آن زمان هم مردم می توانستند کاری کنند که ذرات خیلی کوچک، بزرگتر از آنچه بودند نشان داده شوند. به عنوان مثال، بعضی از مردم متوجه شده بودند که اگر از میان شیشه ای که سطح آن منحنی باشد به ذرات خیلی کوچک نگاه کنند، آن ها بزرگتر از آنچه هستند به نظر می آیند. در حدود سال ۱۶۵۰ میلادی دانشمندان با این شیشه های منحنی به چیزهای خیلی کوچک نگاه کردند و به دقت به بررسی آن ها پرداختند. اسم این شیشه ها را، که سطح منحنی داشتند، عدسی گذاشتند زیرا شکل آن ها مثل دانه های عدس بود.
معمولا برای اینکه به چیزهای بسیار کوچک نگاه کنند، بیش از یک عدسی به کار می بردند و عدسی ها را در دو انتهای یک لوله ی فلزی جا می دادند. قبل از اختراع میکروسکوپ در اواسط قرن هفدهم, مشاهده سلول مقدور نبود. زیرا سلول واحد بسیار کوچکی است که با چشم غیر مسلح قابل رویت نیست. روبرت هوک اولین بار در سال ۱۶۶۵ زیر میکروسکوپ ابتدایی که خود ساخته بود سلولهای مرده را در برش های چوب پنبه مشاهده کرد. این سلولهای توخالی و متصل به هم شکل اتاقکهای لانه زنبور را داشتند و هوک آنها را سلول نامید که به زبان لاتین مفهوم اتاقکهای کوچک را دارد. سپس در قرن هفدهم اولین میکروسکوپ نوری توسط آنتونی وان لیوون هوک و در اوائل قرن هجدهم دو طراح انگلیسی بنامهای جان مارشال و جان یارول میکروسکوپ ترکیبی تک چشمی را ساختند و در قرن ۱۹ هنری کراش اولین میکروسکوپ دوچشمی را برای دانشجویان پزشکی طراحی کرد و از آن به بعد تا امروز انواع میکروسکوپ ها با کاربردهای متنوع طراحی و ساخته شده اند.