تقرير عن تطور المجهر الالكتروني واستعمالاته ومخترع المجهر الالكتروني للصف العاشر

يحتاج علماء الأحياء إلى ملاحظة الخلايا وأجزائها خلال دراسة الكائنات الحية. إنّ تطوير أدوات وتقنيات جديدة يمكّن علماء الأحياء من كشف أعمق أسرار الحياة.

المجاهر

المجاهر هي من الأجهزة الأوسع استخداماً في علم الأحياء. والمجهر Microscope هو جهاز يعطينا صورة مكبّرة للشيء الذي ننظر إليه به. يستخدم علماء الأحياء المجاهر لدراسة الكائنات الحية والخلايا وأجزائها الصغيرة التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. تكبّر المجاهر شيئاً ما وتكشف تفاصيله في آن واحد. التكبير Magnification هو زيادة الحجم الظاهر لشيء معين. أما التمييز Resolution فهو القدرة على إظهار التفاصيل. وتتفاوت المجاهر في مجال قدرة التكبير والتمييز التي تختص بهما.

المجاهر الضوئية

تعرف على أجزاء المجهر من هنا

لرؤية الكائنات الحية الصغيرة والخلايا يستعمل علماء الأحياء عادة مجهراً ضوئياً مركباً (م.ض) Compound light microscope كما يظهر في الصورة. ولكي ترى بواسطة المجهر الضوئي المركب، تضع العينة على شريحة زجاجية، لكن يجب أن تكون العيّنة رقيقة بما يكفي لتصبح شفافة، أو أن تكون صغيرة جداً. توضع الشريحة التي تحمل العينة فوق فتحة في منضدة المجهر. ومن مصدر ضوء، كمرآة أو مصباح مثبت في القاعدة، يوجَّه الضوء إلى الأعلى. يمر الضوء عبر العينة وعبر العدسة الشيئية Objective lens الموضوعة مباشرة فوق العينة، فتكبر العدسة الشيئية تلك العينة. بعد ذلك يتم إسقاط الصورة المكبرة عبر القصبة Body tube نحو العدسة العينية Ocular lens المثبتة في قطعة العين Eyepiece حيث تكبر أكثر. تحتوي معظم المجاهر الضوئية على مجموعة عدسات شيئية ذات درجات تكبير مختلفة. يمكن اختيار عدسة وتركيزها في حقل الرؤية عبر إدارة القطعة الأنفية Nosepiece. تقوم العدسة الشيئية الكبرى في مجهر ضوئي مركب ونموذجي بتكبير صورة لتبلغ 40 ضعفاً للحجم الأصلي للعينة. يسمى عامل التكبير هذا قدرة التكبير Power of magnification للعدسة الشيئية، والتي يرمز إليها في هذه الحالة بـ 40× (× تعني عدد مرات التكبير) ومن ناحية أخرى تكبر العدسة العينية العينة 10 مرات (10×). ولاحتساب قدرة تكبير المجهر، يجب ضرب قدرة تكبير العدسة الشيئية الكبرى (40× في هذه الحالة) في قدرة تكبير العدسة العينية (10×). يكون الحاصل قدرة تكبير إجمالية تساوي 400×.

المجاهر الإلكترونية

تحدد خصائص الفيزيائية قوة التمييز لدى المجاهر الضوئية. فإذا تجاوزت قدرة التكبير 2000× تصبح صورة العينة غير واضحة أو ضبابية. لفحص عينات أصغر من الخلايا، كمكونات الخلايا أو الفيروسات، قد يختار العلماء واحداً من بضعة أنواع من المجاهر الإلكترونية. في المجهر الإلكتروني Electron microscope تقوم حزمة من الإلكترونات، بدل شعاع من الضوء، بإعطاء صورة مكبرة للعينة. المجاهر الإلكترونية أقوى بكثير من المجاهر الضوئية. ويمكن لبعض المجاهر الإلكترونية أن تظهر حتى محيط ذرّات منفصلة في إحدى العينات، يقوم المجهر الإلكتروني النافذ Transmission electron microscope (م.أ.ن) بإرسال حزمة من الإلكترونات عبر شريحة عينة رقيقة جداً، فيما تقوم عدسات مغنطيسية بتكبير الصورة وضبطها برؤياً على شاشة أو لوحة تصوير فوتوغرافي، تنتج من هذه العملية صورة كتلك التي تراها في الصورة أ. يكبر المجهر اللإلكتروني النافذ الأشياء حتى 200000 مرة، لكن من سلبياته أنه لا يمكن استخدامه لمشاهدة العينات وهي حية.
الكائن الحي نفسه الذي في الصورة (أ) ولكن تحت المجهر الإلكتروني الماسح
الكائن الحي نفسه الذي في الصورة (أ) ولكن تحت المجهر الإلكتروني الماسح

أما المجهر الإلكتروني الماسح Scanning electron microscope (م.أ.م) فيزودنا بصور مجسمة مدهشة كالتي تراها في الصورة ب. لا ضرورة لتقطيع العينة إلى شرائح من أجل رؤيتها، إنما يكفي رشها بطلاء معدني رقيق. ترسل حزمة من الإلكترونات فوق سطح العينة، مما يدفع بالطلاء المعدني إلى إطلاق وابل من الإلكترونات نحو شاشة فلورية أو لوحة تصوير فوتوغرافي، فتعطي صورة لسطح الشيء. تستطيع المجاهر الإلكترونية الماسحة تكبير الأشياء حتى 100000 مرة، إنما لا يمكن استخدامها لمشاهدة العينات وهي حية، كما هي الحال بالنسبة للمجهر الإلكتروني النافذ.

أجزاء المجهر

إتبع الصورة التالية لمعرفة الأجزاء :

* عدسة عينية و هي مثبتة في الطرف العلوي للأسطوانة المعدنية الموجودة في أعلى جزء من المجهر و من خلال هذه العدسة تنظر العين إلى الداخل لرؤية العينة المراد فحصها. (1)

* عدسات شيئية و هي مثبتة على قرص متحرك بالطرف السفلي للأسطوانة المعدنية و تكون قريبة من الشيء المراد تكبيره ، لذلك سميت بالعدسات الشيئية و يتراوح عدد هذه العدسات بين (2 – 4) عدسات و تتدرج في قوة تكبيرها. (3)

* ضابطان أحدهما للضبط التقريبي و الآخر للضبط الدقيق يمكن تدويرهما لرفع أو خفض العدسات عن العينة المدروسة لتوضيحها بعد اختيار قوة التكبير المطلوبة بأي من العدسات الأربع. (4)

* منضدة ( مسرح ) مسطح مستو و يمكن رفعه أو خفضه أو يكون ثابتا و في وسطه توجد فتحة و ماسكان معدنيان لتثبيت الشريحة الزجاجية التي توضع عليها العينة المطلوب تكبيرها. (6)

* مرآة و توجد في أسفل المنضدة و وظيفتها توجيه الضوء لينفذ من فتحة المنضدة و يسلط على العينة المثبتة على الشريحة ، و هناك بعض المجاهر تكون مزودة بمصباح كهربائي بدلا من مرآة. (7)

–

لقد بدأت أولى المحاولات لصنع جهاز المجهر الالكتروني في بدايه عام ( 1930 ) بألمانيا ، حيث قام كل من العالم Knoll و العالم Ruska ، أثناء الفترة مابين ( 1930 – 1933 ) بصنع مجاهر الكترونية بعدها بدأت المحاولات الكثيرة لتذليل العقبات التي تواجه فكره عمل المجهر الالكتروني ، إلى أن أصبح هذا الجهاز من أهم الأجهزة العلمية المتقدمة ، و الذي يخدم معظم المجالات العلمية ، منها مجال تحليل عينات الزجاج بدقة .

لقد ظهر أول ما ظهر لرؤية وتكبير الصور Image والأشياء Objects المجاهر الضوئية Light Microscopes بأنواعها المختلفة البسيطة والمركبة لكن هذه الرؤية وذلك التكبير كان محدوداً مما أدى إلى البحث عن رؤية أوضح وتكبير غير محدود، فظهر ما يعرف بـالمجاهر الإلكترونية (EM) Electron Microscope
وذلك لأن رؤيــة الأشــياء بوضوح ومعرفة التفاصيل الدقيقة Fine details للصور والتي تعرف بمصطلح التباين أوقوة التباين Resolutio تعتمد على طول الموجات الضوئية المستخدمة للرؤية والتكبير وسط عوامل أخرى في جهاز المجهر.
ونستطيع أن نرى الأشياء باستخدام المجهر الضوئي الذي يستخدم الضوء light مصدراً له بقوة تكبير تصل لحد 1000 مرة تقريبا، وتغيب بعد هذه القوة من التكبير كل التفاصيل الدقيقة في الصورة، ويمكن رؤية أصغر مسافة بين نقطتين أوجسمين (قوة التباين) بهذا التكبير في حدود 0.3 ميكرون.
لكن الإلكترونات المستخدمة في المجهر الإلكتروني كمصدر للضوء والتي تتميز بأطوال موجات قصيرة تجعل قوة التباين بها كبيرة مما يجعلنا نستطيع أن نرى المسافات بين نقطتين تصل لحد إلى،…2. ميكرون (20 – 40 نانوميتر تقريبا)، لذلك كانت قوة التكبير يمكن أن تصل إلى نصف مليون مرة (500,000) وأكثر
بهذه القوة التكبيرية العالية أمكن التعرف على محتويات الخلايا ومكوناتها (عضياتها) وأنويتها وتراكيبها الداخلية ومكونات أغشيتها المختلفة (أنظر شكل رقم 1).

ومن ثم أمكن باستخدام التقنيات المختلفة تحضير العينات Sample بمساعدة المثبتات Fixative والمواد الكيميائية المنظمة Buffer لمشاهدتها ودراستها تحت العدسات الكهرومغناطيسية بالرؤية والتكبير المطلوبين في المجهر الإلكتروني، ويمكن رؤية ودراسة طبوغرافية وأسطح الخلايا والكائنات الصغيرة والمواد المختلفة وتكوين صور ثلاثية الأبعاد لها كما في شكل رقم (2) باستخدام:

1.المجهر الإلكتروني الماسح (المساح)
Scanning Electron Microscope (SEM)
أما لرؤية الخلايا ومحتوياتها الداخلية وقطاعات الأنسجة المختلفة فيمكن ملاحظتها كما في شكل رقم (3) باستخدام :

2. المجهر الإلكتروني النفاذ (النافذ)
Transmission Electron Microscope (TEM)
تطبيقات المجهر الإلكتروني الحديثة:

غير أن استخدام المثبتات والمواد الكيميائية المختلفة في تقنية المجهر الإلكتروني قد تغير في كثير من طبيعة وشكل النسيج إضافة إلى ما فيها من سمية ويعيق الكشف عن محتويات النسيج الكيميائية فظهر ما يعرف:
1 – تقنية التبريد Cryo-technique (Freezing technique)
وهي دراسة العينات البيولوجية دون استخدام المثبتات أوأي مواد أخرى أواستخدام مواد كيميائية بسيطة، والهدف منها عدم تعريض العينات للمواد الكيميائية والمثبتات والحفاظ عليها ودراسة محتويات الأنسجة الكيميائية والبحث عن وجود مواد دخيلة Localization studies ومن ثم دراستها باستخدام المجهر الإلكتروني، ويستخدم فيها التقنيات التالية: