هياكل خلوية غير مسبوقة: كيف تعمل مجاهر المستقبل وما يمكن رؤيته فيها

ما الذي يحدد دقة المجهر

دقة المجهر هي القدرة

إنتاج صورة منفصلة واضحة لنقطتين متقاربتين من الكائن. تعتمد درجة الاختراق في العالم الصغير وإمكانيات دراسته على دقة الجهاز.

يتم تحديد هذه الخاصية في المقام الأولالطول الموجي للإشعاع المستخدم في الفحص المجهري (الأشعة المرئية ، فوق البنفسجية ، الأشعة السينية). القيد الأساسي هو استحالة الحصول على صورة لجسم أصغر في الحجم من الطول الموجي لهذا الإشعاع باستخدام الإشعاع الكهرومغناطيسي.

من الممكن "اختراق أعمق" في العالم الصغير عند استخدام الإشعاع بأطوال موجية أقصر.

كيف يعمل المجهر؟

تم تصميم النظام البصري لالتحويل المكاني لمجال الإشعاع قبل النظام البصري (في "فضاء الأجسام") في الحقل بعد النظام البصري (في "فضاء الصورة"). هذا التقسيم "للمسافات" تعسفي للغاية ، نظرًا لأن حقول "الفضاء" هذه ، تختلف من وجهة نظر التغييرات في بنية المجال ، قد تتطابق في بعض الحالات (على سبيل المثال ، عند استخدام المرايا) في فيزيائية ثلاثية الأبعاد الفضاء.

يتم تحقيق هذه المنظمة عن طريقاستخدام عناصر بصرية مشكلة يتجلى تأثيرها في ظاهرة انكسار وانعكاس وتشتت الإشعاع. السبب المادي لكل هذه الظواهر هو التداخل.

في كثير من الحالات ، لشرح الإجراءلعنصر بصري ، يكفي استخدام مفاهيم جوهر هذه الظواهر ، دون الكشف عن دور التداخل ، مما يجعل من الممكن وصف مجال الإشعاع بنموذج هندسي رسمي قائم على مفهوم بديهي لـ "شعاع" من الضوء "وافتراض الطول الموجي للإشعاع متناهي الصغر والتجانس البصري للوسط الذي يملأ كل الفضاء الذي تعمل فيه قوانين البصريات الهندسية.

ولكن في حالة ما إذا كان ذلك ضروريًالمراعاة الخصائص الموجية للإشعاع ومراعاة قابلية مقارنة أبعاد العنصر البصري مع الطول الموجي للإشعاع ، تبدأ البصريات الهندسية بإعطاء أخطاء ، وهو ما يسمى الانعراج ، وهو في الأساس ليس ظاهرة مستقلة ، ولكن فقط نفس التدخل.

ما هي المجاهر

• المجاهر الضوئية

العين البشرية طبيعيةنظام بصري يتميز بدقة معينة، أي أصغر مسافة بين عناصر الجسم المرصود (يتم إدراكها كنقاط أو خطوط)، حيث لا يزال من الممكن أن تكون مختلفة عن بعضها البعض.

للعين العادية ، عند الابتعاد عن الجسمر. أفضل مسافة رؤية (D = 250 مم) ، متوسط ​​الدقة العادية ~ 0.2 مم. إن أحجام الكائنات الحية الدقيقة ، ومعظم الخلايا النباتية والحيوانية ، والبلورات الصغيرة ، وتفاصيل البنية الدقيقة للمعادن والسبائك ، وما إلى ذلك ، أقل بكثير من هذه القيمة.

حتى منتصف القرن العشرين كانوا يعملون فقط مع المرئيالإشعاع البصري، في حدود 400-700 نانومتر، وكذلك الأشعة فوق البنفسجية القريبة (المجهر الفلوري). لا يمكن أن توفر المجاهر الضوئية دقة أقل من نصف دورة موجة الإشعاع المرجعية (نطاق الطول الموجي 0.2-0.7 ميكرومتر، أو 200-700 نانومتر).

وبالتالي ، فإن المجهر البصري قادر على التمييز بين الهياكل بمسافة بين النقاط تصل إلى ~ 0.20 ميكرومتر ، وبالتالي فإن أقصى تكبير يمكن تحقيقه كان ~ 2000 مرة.

• المجاهر الإلكترونية
  

يمكن استخدام حزمة من الإلكترونات ، والتي لها خصائص ليس فقط الجسيم ، ولكن أيضًا للموجة ، في الفحص المجهري.

يعتمد الطول الموجي للإلكترون على طاقته، وطاقة الإلكترون تساوي E = Ve، حيث V هو فرق الجهد الذي يمرره الإلكترون، e هي شحنة الإلكترون. يبلغ الطول الموجي للإلكترونات عند المرور عبر فرق جهد قدره 200000 فولت حوالي 0.1 نانومتر.

يمكن تركيز الإلكترونات بسهولة باستخدام العدسات الكهرومغناطيسية ، لأن الإلكترون جسيم مشحون. يمكن تحويل الصورة الإلكترونية بسهولة إلى صورة مرئية.

دقة المجهر الإلكتروني هي 1000-100 مرة أعلى من مجهر الضوء التقليدي ، وبالنسبة لأفضل الأدوات الحديثة يمكن أن تكون أقل من أنغستروم واحد.

• مجاهر المسح
  

فئة من المجاهر تعتمد على مسح السطح بمسبار.

تعد مجاهر مسبار المسح (SPM) فئة جديدة نسبيًا من المجاهر. مع SPM، يتم الحصول على صورة عن طريق تسجيل التفاعلات بين المسبار والسطح.

في هذه المرحلة من التطوير ، يمكن التسجيلتفاعل المسبار مع الذرات والجزيئات الفردية ، والتي بسببها يمكن مقارنة SPMs في حل القدرة على المجاهر الإلكترونية ، وتجاوزها في بعض المعلمات.

• مجاهر الأشعة السينية
  

مجهر الأشعة السينية- جهاز للمذاكرة صغير جداًكائنات ذات أبعاد قابلة للمقارنة مع الطول الموجي للأشعة السينية. يعتمد على استخدام الإشعاع الكهرومغناطيسي بطول موجي من 0.01 إلى 1 نانومتر.

دقة مجاهر الأشعة السينيةالقدرات بين المجاهر الإلكترونية والبصرية. تصل الدقة النظرية لمجهر الأشعة السينية إلى 2-20 نانومتر ، وهو ترتيب من حيث الحجم أعلى من دقة المجهر الضوئي (حتى 150 نانومتر). يوجد حاليًا مجاهر للأشعة السينية بدقة تبلغ حوالي 5 نانومتر.

• الفحص المجهري بالأشعة تحت الحمراء

هذه طريقة بحث من خلال مراقبة العينات من خلال المجهر في ضوء الأشعة تحت الحمراء. تهدف هذه الطريقة إلى دراسة عينات صغيرة جدًا (حسب ترتيب الميكروميتر).

الضوء المرئي الذي لاحظه المجرب ، ويمر ضوء الأشعة تحت الحمراء المسجل بواسطة الكاشف عبر نظام بصري واحد مشترك ، لذا فإن الصورة في المنظار تتوافق مع المنطقة التي يتم تحليلها في الأشعة تحت الحمراء.

يستخدم الفحص المجهري بالأشعة تحت الحمراء لتحليل العينات بكميات صغيرة جدًا (0.01 إلى 100 ميكروغرام) أو أحجام صغيرة (10-1 إلى 10-3 مم) ، بالإضافة إلى تقلبات التركيز والشوائب.

ما هي عيوب المجاهر المخترعة؟

أداء المجاهر الضوئيةمحدودة بمستوى الضوضاء العشوائية الناتجة عن الجسيمات الأولية للضوء - كمات الإشعاع الكهرومغناطيسي ، أو الفوتونات. يحدد التحفظ في الفوتونات حساسية ودقة وسرعة الأجهزة البصرية.

لتحسين هذه المعلمات ، والمطورينعادة ما تتبع مسار زيادة شدة الضوء واستبدال مصادره التقليدية بمصادر الليزر. لكن استخدام مجاهر الليزر ليس دائمًا ممكنًا عند دراسة الأنظمة البيولوجية ، لأن الليزر الساطع يمكن أن يدمر الخلية الحية.

كيف تقدم العلم في تطوير المجاهر؟

وكان آخر اكتشاف كبير في هذا المجالصُنع في أوائل يونيو 2021. ابتكر علماء من أستراليا وألمانيا مجهرًا كميًا يمكنه رؤية الهياكل الخلوية غير المرئية سابقًا.

وفقًا للمؤلفين ، فإن هذا يمهد الطريق لإنشاء تقنيات حيوية جديدة وتطبيقات عملية - من الملاحة إلى التصوير الطبي. نُشرت نتائج البحث في مجلة Nature.

اقترح الباحثون في جامعة كوينزلاند أنه يمكن تحسين التصوير البيولوجي دون زيادة شدة الضوء، وذلك باستخدام الارتباطات الضوئية الكمومية.

جنبا إلى جنب مع زملاء ألمان من روستوكفي الجامعة ، أثبتوا بشكل تجريبي أنه باستخدام الارتباطات الكمومية ، من الممكن الحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى بنسبة 35 بالمائة من الفحص المجهري التقليدي بدون تلف ضوئي. أعلى بكثير مع هذه التقنية وسرعة معالجة الصور.

كيف يعمل المجهر الكمومي؟

لقد صنع مبتكرو المجهر الكموميالتركيب ، وهو مجهر رامان متماسك مع دقة طول الموجة الفرعية وإضاءة ساطعة مرتبطة بالكم ، مما يجعل من الممكن تصور الروابط الجزيئية داخل الخلية.

يعتمد المجهر على علم الكمالتشابك، وهو التأثير الذي وصفه أينشتاين بأنه "تفاعلات مخيفة عن بعد". إنه أول مستشعر في العالم يعتمد على التشابك ويتمتع بأداء يفوق أفضل التقنيات الموجودة. سيؤدي إنشائها إلى ظهور جميع أنواع التقنيات الجديدة، بدءًا من أحدث أنظمة الملاحة وحتى الآلات الأكثر تقدمًا، حيث يوفر التشابك الكمي في مجهرنا وضوحًا محسنًا بنسبة 35 بالمائة دون تدمير الخلية، مما يسمح لنا برؤية الهياكل البيولوجية الصغيرة التي قد تكون غير مرئية لولا ذلك.

أستاذ وارويك بوين في مختبر البصريات الكمومية ومركز التميز لأنظمة الكم الهندسية في مجلس البحوث الأسترالي

يعتقد المؤلفون أن النجاح الرئيسي للطريقة الجديدة هو التغلب على ما يسمى الانتصار على مبادئ المجهر الضوئي التقليدي ، الذي لا يستطيع اختراق الخلية الحية.

قراءة المزيد:

عاد الحيوان إلى الحياة بعد 24 ألف سنة من السبات في التربة الصقيعية في سيبيريا

سيؤدي تغير المناخ إلى هطول أمطار غزيرة وفيضانات

الانتقاء الطبيعي يمكن أن يعكس تطور الانتقاء الجنسي