میکروسکوپ چیست؟ انواع و کاربردهای آنها
میکروسکوپ ابزاری است که تصاویر بزرگنمایی شده از اجسام کوچک را تولید می‌کند و به کاربر امکان مشاهده و بررسی دقیق نمونه در مقیاس مناسب را می‌دهد. میکروسکوپ یکی از مهم‌ترین ابزارهای علوم زیستی و پزشکی است. نخستین نمونههای میکروسکوپ در اواخر قرن شانزدهم میلادی توسط زاخاریاس یانسن ساخته شدند، اما آنتونی فان لیوونهوک در اوایل قرن هفدهم میلادی با ساخت یک مدل ساده شامل لوله، عدسی‌‌هایی برای بزرگنمایی و یک صفحه به عنوان استیج میکروسکوپ (برای قرارگیری نمونه)، اولین کشفهای بصری باکتریها و سلولهای خونی در گردش را انجام داد. امروزه، میکروسکوپ در زمینه پزشکی برای مطالعات سلولی ابزاری ضروری محسوب می‌شود و انواع میکروسکوپها را می‌توان براساس اصول فیزیکی که برای تولید تصویر استفاده می‌کنند، طبقه بندی کرد.
بیشتر افراد وقتی به میکروسکوپ فکر می‌کنند مدلی که در کلاس آزمایشگاه مدرسه و دانشگاه دید‌ه‌اند به ذهنشان خطور می‌کند، این در حالی است که در حقیقت انواع مختلفی از میکروسکوپها در دسترس هستند. این دستگاه‌‌های مفید به طور روزمره توسط محققان، تکنسین‌‌های پزشکی و دانشجویان مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوع انتخابی آنها به منابع و نیازهای آنها بستگی دارد. بعضی از میکروسکوپها بزرگنمایی کمتر و بالعکس وضوح بیشتری را ارائه می‌دهند و هزینه آنها از ده‌‌ها تا هزار دلار است.
ویژگی‌های میکروسکوپ
بزرگنمایی: توانایی نمایش یک تصویر بزرگ‌شده از جسم. این کار معمولاً با استفاده از عدسی‌های شیئی و چشمی انجام می‌شود و هر چه ترکیب این دو قوی‌تر باشد، بزرگنمایی نهایی بیشتر خواهد بود.
کنتراست: تفاوت بین روشنایی نمونه و زمینه‌ی اطراف. برای بهبود کنتراست نمونه در میکروسکوپ اغلب از رنگ‌آمیزی نمونه‌ها استفاده می‌شود.
وضوح (رزولوشن): توانایی دستگاه برای تفکیک دو نقطه نزدیک به یکدیگر. چشم انسان بدون کمک ابزار می‌تواند اشیایی با فاصله‌ی حداقل ۰٫۲ میلی‌متر (۲۰۰ میکرومتر) را تفکیک کند. در مقایسه:
- وضوح میکروسکوپ نوری حدود ۰٫۲ میکرومتر است.
- وضوح میکروسکوپ الکترونی تا حدود ۰٫۵ نانومتر می‌رسد. برای افزایش وضوح در میکروسکوپ نوری، از روغن غوطه‌وری با ضریب شکست بالاتر از هوا استفاده می‌شود.
انواع میکروسکوپ
با پیشرفت تکنیک‌‌های مهندسی پزشکی میکروسکوپهای مختلفی طراحی شده‌اند که هر کدام پاسخگوی بخشی از نیازهای پروژه‌‌های تحقیقاتی هستند. در این مطلب قصد داریم اطلاعاتی در مورد برخی از انواع میکروسکوپهای مهم موجود و کاربردهای آنها را ارائه کنیم. تقسیم بندی میکروسکوپها براساس برخی ویژگی‌های آنها انجام می‌شود:
۱. بر اساس ساختمان عدسی:
این دسته‌بندی مربوط به تعداد عدسی‌ها و نحوه قرارگیری آنها است:
- میکروسکوپ ساده: فقط یک عدسی دارد (مثل ذره‌بین).
- میکروسکوپ مرکب: دو یا چند عدسی دارد (چشمی و شیئی) مثل میکروسکوپهای بیولوژیکی کلاسیک.
۳. بر اساس کاربرد یا زمینه علمی:
به طور مثال:
- میکروسکوپ بیولوژیکی (برای مشاهده‌ی سلول‌ها و بافت‌ها)
- میکروسکوپ متالورژی (برای فلزات و سطوح جامد)
- میکروسکوپ پلاریزان (برای مواد معدنی یا شیمیایی)
۲. بر اساس منبع تولید تصویر:
این دسته‌بندی رایج‌تر است و دقیق‌تر عملکرد دستگاه را مشخص می‌کند:
- میکروسکوپ نوری: (Optical Microscope) از نور مرئی برای تولید تصویر استفاده می‌کند.
انواع میکروسکوپ نوری: زمینه روشن، زمینه تاریک، فازکنتراست، فلورسنت، پولاریزان، استریو، معکوس، و کانفوکال.
- میکروسکوپ الکترونی(Electron Microscope) : از پرتو الکترون به جای نور استفاده می‌کند.
شامل: TEM (عبوری) و SEM (روبشی).
- میکروسکوپ اشعه ایکس: با استفاده از اشعه X تصویربرداری می‌کند.
تقسیم بندی میکروسکوپ براساس ساختمان عدسی
میکروسکوپ مرکب (Compound)
میکروسکوپ مرکب از دو مجموعه عدسی (عدسی شیئی و عدسی چشمی) برای بزرگنمایی نمونه‌ها استفاده می‌کند. این میکروسکوپها معمولاً «زمینه‌روشن» هستند، یعنی نمونه با نور از پایین روشن می‌شود و تصویر آن از طریق عدسی‌ها مشاهده می‌شود.
بزرگنمایی این دستگاه‌ها معمولاً در محدوده‌ی ۴۰x، ۱۰۰x، ۴۰۰ x و در برخی مدل‌ها تا ۱۰۰۰ x است. اگرچه وضوح تصویر آنها نسبت به میکروسکوپهای الکترونی کمتر است، اما برای مشاهده نمونههای زیستی شفاف مانند سلول‌ها و میکروارگانیسم‌ها کاملاً مناسب‌اند.
از مدل مرکب که با نام «میکروسکوپ بیولوژیکی» نیز شناخته می‌شود، در مکان‌هایی چون مدارس، آزمایشگاه‌های تشخیص طبی، مراکز تصفیه آب، دامپزشکی، و برای مطالعات بافت‌شناسی و آسیب‌شناسی استفاده می‌شود.
نمونه‌هایی که با این مدل مشاهده می‌شوند، باید ابتدا روی اسلاید شیشه‌ای قرار گیرند و معمولاً با یک لامل (پوشش شفاف نازک) پوشانده می‌شوند. از میکروسکوپ مرکب می‌توان برای مشاهده نمونههای متنوعی استفاده کرد که برخی از آنها شامل: سلولهای خونی، سلولهای پوست، سلول انگلی، باکتری، جلبک، بافت و بخش‌‌های نازک اندام‌‌ها هستند.
میکروسکوپ ساده
میکروسکوپ ساده از یک عدسی محدب منفرد تشکیل شده که نقش ذره‌بین را ایفا می‌کند. این نوع از میکروسکوپها توسط آنتونی فان لیوونهوک ساخته شدند و بزرگنمایی آنها بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ برابر بود. با وجود ساختار ساده، این ابزار توانست تفاوت‌هایی میان اشکال گلبول‌های قرمز خون و دیگر نمونههای بیولوژیکی را آشکار کند. امروزه، مدل ساده دیگر کاربرد گسترده‌ای ندارد، چرا که میکروسکوپ مرکب با استفاده از چند عدسی عملکرد دقیق‌تر و بزرگنمایی بیشتری ارائه می‌دهد.
انواع میکروسکوپ براساس منبع تولید تصویر
میکروسکوپ نوری (Optical Microscope) از نور مرئی برای مشاهده نمونه‌ها استفاده می‌کند و یکی از رایج‌ترین ابزارها در آزمایشگاه‌های آموزشی و تحقیقاتی است. در این نوع میکروسکوپ، نور از منبعی (معمولاً لامپ) به سمت نمونه تابیده شده و پس از عبور از عدسی‌ها، تصویر بزرگ‌شده‌ای از آن تشکیل می‌شود. بسته به نوع عدسی‌ها و کیفیت دستگاه، بزرگنمایی میکروسکوپ نوری می‌تواند از ۴۰x تا 1۵۰۰x برسد. اگرچه وضوح آن کمتر از میکروسکوپهای الکترونی است، اما به دلیل سهولت استفاده و مشاهده نمونههای زنده، کاربرد گسترده‌ای دارد.
میکروسکوپهای نوری به چند نوع تخصصی تقسیم می‌شوند:
میکروسکوپ نوری
زمینه روشن (Brightfield)
زمینه تاریک (Darkfield)
فاز کنتراست (Phase Contrast)
رایج‌ترین نوع میکروسکوپ نوری است که نور از پایین به نمونه می‌تابد و تصویر تیره‌ای از نمونه روی زمینه روشن تشکیل می‌شود.
با پراکندگی نور اطراف نمونه، تصویر روشن‌تری از نمونه در زمینه‌ای تاریک تشکیل می‌شود. برای مشاهده اجسام شفاف و بی‌رنگ مفید است.
از اختلاف فاز نور عبوری برای ایجاد کنتراست استفاده می‌کند و به ویژه برای مشاهده سلولهای زنده بدون رنگ‌آمیزی مناسب است.
میکروسکوپ فلورسنت (Fluorescent Microscope)
میکروسکوپ فلورسنت از نور ماوراءبنفش یا نور آبی برای برانگیختن رنگ‌دانه‌های فلورسنت موجود در نمونه‌ها استفاده می‌کند. این رنگ‌دانه‌ها پس از تحریک، نوری در طول موج متفاوت (اغلب در محدوده مرئی) ساطع می‌کنند که توسط عدسی‌ها دریافت شده و تصویری روشن و واضح ایجاد می‌شود.
این تکنیک امکان مشاهده ساختارها و اجزای خاص سلول‌ها، مانند پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک یا اندامک‌هایی نظیر میتوکندری را فراهم می‌کند، مشروط بر اینکه این اجزا با رنگ‌های فلورسنت نشاندار شده باشند.
میکروسکوپ فلورسنت به طور گسترده در زمینه‌های زیست‌شناسی سلولی، ایمونولوژی، میکروبیولوژی، و پژوهش‌های پزشکی استفاده می‌شود.
نکته مهم: میکروسکوپ کانفوکال که در بخش بعدی توضیح داده می‌شود، گرچه از فلورسانس استفاده می‌کند، اما سیستم تصویربرداری بسیار پیشرفته‌تری دارد که آن را از میکروسکوپ فلورسنت کلاسیک متمایز می‌سازد.
میکروسکوپ کانفوکال(Confocal Laser Scanning Microscope)
میکروسکوپ کانفوکال نوعی پیشرفته از میکروسکوپ فلورسنت است که از پرتو لیزر برای اسکن نقطه‌به‌نقطه نمونه استفاده می‌کند و وضوح و کنتراست بالاتری فراهم می‌آورد.
در این سیستم، یک منفذ به نام «پین‌هول» فقط اجازه عبور نور برگشتی از نقطه فوکوس‌شده را می‌دهد، در نتیجه تصویر حاصل فاقد نورهای پراکنده از نواحی خارج از فوکوس خواهد بود. این ویژگی باعث افزایش وضوح تصویر، به ویژه در نمونههای ضخیم می‌شود.
میکروسکوپ کانفوکال می‌تواند چندین تصویر دوبعدی در لایه‌های مختلف نمونه ثبت کند و سپس با ترکیب آنها یک تصویر سه‌بعدی دقیق ارائه دهد. این قابلیت آن را برای مطالعه ساختارهای پیچیده سلولی، زیست‌شناسی رشد، علوم اعصاب و تصویربرداری از سلولهای زنده بسیار ارزشمند می‌سازد.
میکروسکوپ اینورت یا معکوس
میکروسکوپ معکوس نوعی میکروسکوپ نوری است که در آن بر خلاف مدل‌های معمول، منبع نور و عدسی شیئی در زیر صفحه نمونه قرار می‌گیرند و عدسی چشمی در بالا. این طراحی امکان مشاهده‌ی نمونههای موجود در ظروف کشت مانند پتری دیش یا فلاسک‌های کشت سلولی را بدون نیاز به برگرداندن یا برش نمونه فراهم می‌کند. در ادامه برخی از انواع میکروسکوپهای اینورت معرفی می‌شوند:
برای مشاهده نمونههای زنده مانند سلول‌ها و بافت‌ها در محیط کشت استفاده می‌شود. کاربردهای آن شامل لقاح آزمایشگاهی، زیست‌شناسی رشد، تصویربرداری از سلولهای زنده و علوم اعصاب است. بزرگنمایی رایج آن ۴۰x، ۱۰۰x، ۲۰۰x و ۴۰۰x است.
میکروسکوپ معکوس بیولوژیکی
میکروسکوپ معکوس متالورژی
برای مشاهده‌ی نمونههای کدر (Opaque) طراحی شده‌اند که نور را از خود عبور نمی‌دهند. در این میکروسکوپها، نور از بالا به سطح نمونه تابیده می‌شود و بازتاب آن از سطح، تصویر را تشکیل می‌دهد. به این روش، «نور بازتابی» (Reflected Light) گفته می‌شود.
این میکروسکوپها معمولاً بزرگنمایی‌هایی مانند ۵۰x، ۱۰۰x، ۲۰۰x و گاهی تا ۵۰۰x ارائه می‌دهند. از آنها برای بررسی:
- ترک‌ها و عیوب سطحی در فلزات
- پوشش‌های نازک (مانند رنگ، روکش و … )
- ساختار دانه‌ای فلزات
- لایه‌های اکسیدی و تغییرات سطحی در اثر حرارت یا سایش استفاده می‌شود.
میکروسکوپهای متالورژی کاربرد زیادی در صنایع هوافضا، خودروسازی، متالورژی، مهندسی مواد، سرامیک، پلیمر و شیشه دارند.
میکروسکوپ پلاریزه (Polarizing Microscope)
میکروسکوپ پلاریزه برای بررسی مواد آنیزوتروپیک (مواد دارای ویژگی‌های نوری متفاوت در جهات مختلف مانند سنگ‌ها، کریستال‌ها، و برخی ترکیبات شیمیایی) طراحی شده است. این میکروسکوپ با استفاده از نور قطبی شده، ویژگی‌های نوری نمونه‌ها را آشکار می‌سازد که در میکروسکوپهای معمول قابل مشاهده نیستند.
در ساختار این میکروسکوپ دو عنصر اصلی وجود دارد:
🔹 پلایزر (Polarizer): پیش از رسیدن نور به نمونه، فقط امواج نوری در یک جهت خاص را عبور می‌دهد.
🔹 آنالایزر (Analyzer): بعد از عبور نور از نمونه، جهت و شدت نور قطبی‌شده برگشتی را تحلیل می‌کند.
این ترکیب باعث می‌شود بتوان ساختارهای میکروسکوپی مانند بلورهای مایع، الیاف نازک، کانی‌ها و مواد کریستالی را با وضوح بالا بررسی کرد.
از میکروسکوپ پلاریزه در زمین‌شناسی (شناسایی سنگ‌ها و کانی‌ها)، شیمی تجزیه، داروسازی و علم مواد استفاده می‌شود.
میکروسکوپ استریو (Stereo Microscope)
میکروسکوپ استریو یا میکروسکوپ تشریحی برای مشاهده سطح اجسام بزرگ و کدر طراحی شده است. استریو میکروسکوپ دارای بزرگنمایی پایین و میدان دید وسیع است. برخلاف میکروسکوپ مرکب، که تصویر دوبعدی از مقاطع نازک ارائه می‌دهد، میکروسکوپ استریو تصویری سه‌بعدی (3D) از سطح نمونه فراهم می‌کند.
بزرگنمایی این میکروسکوپها معمولاً بین ۱۰x تا ۴۰x است، هرچند بزرگنمایی برخی مدل‌های پیشرفته ممکن است تا حدود ۱۰۰x هم برسند.
از آن‌جا که نیازی به آماده‌سازی اسلاید نیست، می‌توان نمونههای فیزیکی را مستقیماً زیر عدسی قرار داد و حتی در حین مشاهده با آنها کار کرد.
کاربردها:
تشریح گیاهان و حیوانات کوچک در زیست‌شناسی
بررسی حشرات و ساختارهای ظریف
لحیم‌کاری قطعات الکترونیکی و بررسی بردهای مدار
جواهرسازی، ساعت‌سازی و صنایع ظریف
میکروسکوپ اشعه ایکس (X-ray Microscope)
میکروسکوپ اشعه ایکس (X-ray Microscope) نوعی میکروسکوپ پیشرفته است که به جای نور مرئی از پرتوهای اشعه X برای تولید تصویر استفاده می‌کند. از آن‌جا که طول موج اشعه X بسیار کوتاه‌تر از نور مرئی است، این میکروسکوپها می‌توانند وضوح بسیار بالاتری نسبت به میکروسکوپهای نوری فراهم کنند.
برخلاف میکروسکوپ الکترونی که نیاز به خلأ و آماده‌سازی دقیق نمونه دارد، برخی مدل‌های میکروسکوپ اشعه ایکس توانایی تصویربرداری از نمونههای زنده یا در محیط‌های طبیعی را دارند، بدون اینکه به آنها آسیبی وارد شود.
وضوح این نوع میکروسکوپ بین میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی قرار می‌گیرد و برای مطالعات دقیق ساختارهای درون‌سلولی، بیومولکول‌ها و مواد کریستالی استفاده می‌شود. همچنین کاربردهایی در علوم مواد، نانوفناوری، و حتی بررسی آثار هنری و باستان‌شناسی دارد.
میکروسکوپ الکترونی (Electron Microscope)
میکروسکوپ الکترونی از پرتوهای الکترون به جای نور مرئی برای تصویربرداری استفاده می‌کند. چون طول موج الکترون‌ها بسیار کوتاه‌تر از نور است، این نوع میکروسکوپ وضوح (رزولوشن) بسیار بالاتری ارائه می‌دهد (در حد نانومتر یا حتی کمتر).
برخلاف میکروسکوپ نوری، در این سیستم‌ها نمونه درون محفظه‌ای تحت خلأ قرار می‌گیرد و معمولاً باید پیش از تصویربرداری به طور ویژه آماده‌سازی شود (مانند پوشش دادن با طلا یا پالادیوم برای رسانایی بهتر).
تصاویر تولید شده معمولاً به صورت سیاه و سفید هستند و جزئیاتی از ساختارهای میکروسکوپی مانند ویروس‌ها، اندامک‌های سلولی، یا سطوح فلزی را با دقت بالا نشان می‌دهند.
دو نوع اصلی از میکروسکوپهای الکترونی وجود دارد:
- میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope – TEM)
برای مشاهده ساختار داخلی نمونه‌ها در نمای دوبعدی استفاده می‌شود. - میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope – SEM)
برای تصویربرداری سه بعدی از سطح نمونه‌ها به کار می‌رود.
این فناوری نخستین بار در سال ۱۹۳۱ توسط ارنست روسکا معرفی شد و امروزه یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای تصویربرداری علمی محسوب می‌شود.
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از پرتو الکترون برای اسکن سطح نمونه استفاده می‌کند و تصویری سه‌بعدی از ساختار سطحی آن تولید می‌نماید. برخلاف TEM که به داخل نمونه نفوذ می‌کند، SEM فقط سطح بیرونی را بررسی می‌کند.
در این روش، الکترون‌ها به سطح نمونه برخورد می‌کنند و الکترون‌های برگشتی یا ثانویه توسط آشکارساز جمع‌آوری می‌شوند. این اطلاعات به یک تصویر سیاه و سفید سه بعدی تبدیل می‌شود که در صفحه نمایش ظاهر می‌شود.
برای تهیه نمونه، ابتدا باید آن را خشک و دهیدراته کرد، سپس لایه‌ای نازک از فلز رسانا مانند طلا یا پالادیوم روی آن نشانده می‌شود تا بارهای الکتریکی در سطح پخش شوند.
وضوح تصویری SEM تا حدود ۷ نانومتر می‌رسد و بزرگنمایی آن می‌تواند از چند ده برابر تا بیش از ۱۰۰٬۰۰۰ برابر متغیر باشد.
این میکروسکوپ کاربرد وسیعی در علوم زیستی، علم مواد، نانوفناوری، زمین‌شناسی، حشره‌شناسی، مهندسی پزشکی و پزشکی قانونی دارد.
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) از پرتو الکترون برای عبور دادن از میان نمونههای بسیار نازک استفاده می‌کند و تصویر آنها را در نمای دوبعدی با وضوح بسیار بالا ارائه می‌دهد. برخلاف SEM که سطح نمونه را اسکن می‌کند، TEM برای بررسی ساختارهای داخلی سلول، اندامک‌ها، ویروس‌ها و نانوذرات طراحی شده است.
نمونه‌ها باید بسیار نازک (در حد ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر)، خشک و در شرایط خاص تهیه شوند. پس از تهیه، الکترون‌ها از میان نمونه عبور می‌کنند و به آشکارساز می‌رسند. تغییرات در شدت عبور الکترون‌ها، تصویر نهایی را تشکیل می‌دهد.
وضوح این میکروسکوپ می‌تواند به ۰٫۲ تا ۰٫۵ نانومتر برسد و بزرگنمایی آن تا ۲ میلیون برابر نیز می‌تواند افزایش یابد.
از TEM در زمینه‌هایی مانند زیست‌شناسی سلولی، ویروس‌شناسی، فناوری نانو، مهندسی مواد، علم پلیمر و حتی باستان‌شناسی استفاده می‌شود.
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
خلاصه مطلب
میکروسکوپها از مهم‌ترین و پیشرفته‌ترین ابزارهای علمی هستند که امروزه نقش کلیدی در شناخت دقیق و عمیق جهان میکروسکوپی ایفا می‌کنند. انواع مختلف میکروسکوپها، با قابلیت‌ها و ویژگی‌های منحصر به فرد خود، امکان مشاهده و بررسی ساختارهای ریز و پنهان طبیعت را فراهم ساخته‌اند.
امروزه با پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری میکروسکوپی، گستره وسیعی از علوم و صنایع، از جمله زیست‌شناسی، پزشکی، مهندسی مواد و صنایع پیشرفته، توانسته‌اند به بینش‌های نو و کاربردی دست یابند که پیش از این میسر نبود.
آشنایی دقیق با میکروسکوپها و کاربردهای آنها، گام مهمی در جهت استفاده بهتر و هدفمندتر از این فناوری در پژوهش‌ها و صنعت می‌باشد. آینده این حوزه با توسعه فناوری‌های نوین میکروسکوپی، نویدبخش کشفهای بیشتر و دستاوردهای علمی و صنعتی بزرگ‌تر است.
پارس ژن پویا
شرکت پارس ژن پویا با ارائه مجموعه‌ای از میکروسکوپهای حرفه‌ای برندهای معتبر جهانی، به عنوان یکی از تأمین‌کنندگان تخصصی تجهیزات میکروسکوپی در کشور شناخته می‌شود. در میان محصولات این شرکت، میکروسکوپهای Olympus ژاپن، به‌ویژه مدل‌های BX53 و CX23، از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند. این میکروسکوپها با دقت نوری بالا، طراحی ارگونومیک و امکانات پیشرفته مانند تصویربرداری دیجیتال، نیازهای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، آموزشی و تشخیص طبی را به‌خوبی پوشش می‌دهند. همچنین میکروسکوپهای سری CKX53 و IX53 برای مطالعات کشت سلولی و تصویربرداری از نمونههای زنده طراحی شده‌اند. تنوع محصولات ارائه شده توسط پارس ژن پویا، از مدل‌های آموزشی گرفته تا پیشرفته‌ترین میکروسکوپهای تحقیقاتی، امکان انتخاب متناسب با بودجه و کاربرد را برای کاربران حرفه‌ای و دانشگاهی فراهم کرده است.
منابع: microscopeworld، britannica