مقایسه میکروسکوپ رامان با دیگر میکروسکوپ ها

میکروسکوپ چیست؟

همان طور که می‌دانید میکروسکوپ ابزاری است که برای بزرگنمایی اجسام استفاده می‌شود. توسط برخی از میکروسکوپ‌ها می‌توان یک شی را در سطح سلولی مشاهده کرد. این دستگاه این امکان را به محققان می‌دهد تا بتوانند جزییات بیشتری از یک جسم را ببینند و آن را تجزیه و تحلیل کنند. یکی از مهمترین قطعات به کار رفته در ساختمان میکروسکوپ، لنز است. در واقع لنزها تصویر جسم را بزرگ‌تر می‌کنند. در یک میکروسکوپ نوری ساده نور از جسم منعکس می‌شود و از طریق لنزها به چشم می‌رسد. به این ترتیب شی بزرگتر از اندازه واقعی خود به نظر می‌رسد. البته ممکن است بزرگنمایی صرفا از طریق نور نباشد. به بیانی دیگر اشکال دیگر موج مانند امواج صوتی، اشعه ایکس یا پرتوی الکترونی موجب بزرگنمایی جسم شوند و تصویر توسط تصویربرداری مستقیم یا دیجیتال یا با ترکیبی از این روش‌ها دریافت شود. میکروسکوپ‌ها می‌توانند تصاویر پویا (مانند میکروسکوپ نوری معمولی) یا تصاویر ثابت (مانند میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی معمولی) از یک جسم را نشان دهند.

بزرگنمایی

به صورت غریزی وقتی که فردی بخواهد جسمی را با جزییات بیشتر مشاهده کند، آن را به چشم خود نزدیک‌تر می‌کند. بنابراین زاویه‌ نوری که به چشم می‌رسد نیز بزرگ‌تر می‌شود. اما اگر این جسم بیش از اندازه به چشم نزدیک شود دیگر شخص نمی‌تواند تصویر واضحی از آن جسم را دریافت کند. استفاده از عدسی نیز در ساختمان میکروسکوپ، دقیقا همان عمل بزرگ‌نمایی را انجام می‌دهد. این لنز بین چشم ناظر و جسم، یک تصویر بزرگ‌نمایی شده مجازی ایجاد می‌کند.

قدرت بزرگنمایی میکروسکوپ عبارت است از تعداد دفعاتی که تصویر جسم بزرگ‌تر می‌شود. برای نشان دادن میزان بزرگ‌نمایی از عبارتی مانند ۱۰x استفاده می‌کنند. این عبارت نشان دهنده این است که این عدسی می‌تواند تصویر جسم را تا ۱۰ برابر بزرگ‌تر کند. سازندگان لنزها میزان بزرگ‌نمایی عدسی‌ها را از ۲x تا ۱۰۰x فراهم می‌‌کنند.

قدرت بزرگنمایی با هندسه سیستم نوری مرتبط است. با تقسیم کمترین فاصله دید بر فاصله کانونی می‌توان مقدار بزرگنمایی لنز را پیدا کرد. به عنوان مثال، یک عدسی با حداقل فاصله دید مشخص ۲۵ سانتی‌متر و فاصله کانونی ۵ سانتی‌متر، قدرت بزرگنمایی در حدود ۵x خواهد داشت.

وضوح تصویر

وضوح میکروسکوپ در واقع میزان اندازه‌گیری کوچک‌ترین جزئیات جسم است که به آن رزولوشن نیز گفته می‌شود. تعیین رزولوشن توسط طول‌موج نوری که برای مشاهده جسم استفاده می‌شود، صورت می‌گیرد. وضوح میکروسکوپ با کاهش طول‌موج افزایش می‌یابد. مثلا نور فرابفنش در مقایسه با نور مرئی طول‌موج کوتاهتری دارد. بنابراین جزییات بیشتری توسط نور فرابنفش قابل مشاهده است.

انواع میکروسکوپ

به طور کلی، شاید بتوان گفت که از منظری پنج نوع میکروسکوپ وجود دارد. در ادامه قصد داریم ویژگی‌ و کاربرد این میکروسکوپ‌ها را بررسی کنیم.

میکروسکوپ نوری ساده

این نوع میکروسکوپ‌ها متداول‌ترین ابزارها هستند که در اکثر آزمایشگاه‌‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ساختمان این میکروسکوپ‌ها از یک لنز برای بزرگنمایی تصاویر استفاده شده است. این ابزارها می‌توانند تصاویر جسم را تا ۳۰۰x بزرگ‌تر کنند.

میکروسکوپ نوری مرکب

از این جهت به این میکروسکوپ‌ها مرکب گفته می‌شود که در ساختمان آن‌ها از دو لنز برای بزرگ‌نمایی استفاده شده است. نزدیک‌ترین لنز به چشم را عدسی چشمی و لنز نزدیک به جسم را عدسی شیئی (Objective) می‌نامند. در این میکروسکوپ‌ها objective دارای فاصله کانونی کوتاه‌تری است و در نزدیکی جسم قرار می‌گیرد. در این میکروسکوپ‌ها بزرگنمایی در مقیاس بسیار خوبی انجام می‌گیرد. قدرت بزرگنمایی میکروسکوپ مرکب محصول بزرگنمایی عدسی شیئی و چشمی است. در این نوع میکروسکوپ‌ها لنزها در داخل یک لوله با فاصله مناسبی از هم قرار می‌گیرند. در بیشتر میکروسکوپ‌ها دستگاهی به نام condenser به کار می‌رود. این دستگاه نور را متراکم می‌‌کند و آن را به یک پرتو پرنورتر تبدیل می‌کند. condenser در زیر صفحه نمونه قرار می‌گیرد و نور را روی نمونه متمرکز می‌کند. یک ابزاری دیگری به نام دیافراگم در این نوع میکروسکوپ به کار می‌رود که میزان نور عبوری از میکروسکوپ را کنترل می‌کند.

در میکروسکوپ‌های نوری الزاما از نور مرئی استفاده نمی‌شود. مثلا برای افزایش وضوح تصویر، نور فرابنفش نیز به کار می‌رود که به آن میکروسکوپ فلورسنت گفته می‌شود. از این میکروسکوپ‌ها برای شناسایی باکتری‌ها، فلورسنت رنگ‌ها و آنتی بادی‌ها استفاده می‌شود.

میکروسکوپ الکترونی

منبع انرژی مورد استفاده در میکروسکوپ الکترونی، پرتو الکترون است. در واقع تکنیکی است که برای به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا از نمونه‌های بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. طول موج یک الکترون خیلی کوتاه‌تر از طول‌موج فوتون‌های نور مرئی است. به همین دلیل میکروسکوپ‌های الکترونی از قدرت تفکیک بالاتری نسبت به میکروسکوپ‌های نوری برخوردار بوده و می‌توانند ساختار اجسام کوچکتر را نمایان سازند. ویروس‌ها و برخی مولکول‌های بزرگ را می‌توان با این ابزار مشاهده کرد. الکترون‌ها برای جلوگیری از تماس با مولکول‌های هوا‌، در خلا حرکت می‌کنند.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope (SEM))

میکروسکوپ الکترونی روبشی نوعی میکروسکوپ الکترونی بسیار مشهور است. در این میکروسکوپ تصاویر ماده با اسکن نمونه توسط پرتو پرقدرت الکترون، تولید می‌شوند. الکترون‌ها با اتم‌های ماده وارد برهمکنش می‌شود. در اثر این برهم کنش الکترون‌های ثانویه آزاد می‌شود. سپس این الکترون‌های ثانویه به سمت یک آشکارساز هدایت می‌شوند. در آشکار ساز این الکترون‌های ثانویه به سیگنال‌ الکتریکی تبدیل می‌شوند. این داده‌‌ها شامل اطلاعاتی در مورد ساختار و توپوگرافی ماده است. حرکت پرتو بر روی نمونه، مجموعه‌ای از سیگنال‌ها را فراهم می‌کند که طبق آن میکروسکوپ می‌تواند تصویر متقابل از سطح نمونه را به صورت لحظه به لحظه روی صفحه نمایش دهد. تصاویری که با استفاده از این ابزارهای میکروسکوپ تولید می شوند از دقت بالایی برخوردارند.

SEM قابلیت عکس‌برداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۵۰۰,۰۰۰ برابر با قدرت تفکیک کمتر از ۱ تا ۲۰ نانومتر (بسته به نوع نمونه) را دارد.

میکروسکوپ انتقال الکترونی (Transmission Electron Microscope (TEM))

TEM نیز مانند SEM از پرتو الکترونی به جای نور استفاده می‌کند. در این میکروسکوپ، نمونه همانند SEM توسط الکترون‌ها بمباران می‌شود. با این تفاوت که در این دستگاه الکترون‌ها از نمونه عبور می‌کنند. به همین دلیل معمولا یک برش فوق نازک با ضخامت کمتر از ۵۰ میکرومتر از نمونه تهیه می‌شود.

در مقایسه با میکروسکوپ‌های مرکب معمولی، TEMها بزرگنمایی شگفت انگیزی دارند . بزرگ‌نمایی TEM، ده هزار برابر بیشتر از میکروسکوپ نوری است. این روش به محققان اجازه می‌دهد نمونه‌های فوق العاده کوچک را مشاهده کنند. TEM حتی می‌تواند ترتیب اتم‌ها را در یک نمونه نشان دهد.

تا این بخش از مقاله کلیات میکروسکوپ را بررسی کردیم. اکنون همان طور که پیش‌تر ذکر کردیم می‌خواهیم تفاوت میکروسکوپ رامان و میکروسکوپ را مطالعه کنیم.

حال این سوال مطرح می‌شود که میکروسکوپ رامان چیست و چه تفاوتی با میکروسکوپ نوری دارد؟ میکروسکوپ رامان از ترکیب میکروسکوپ نوری و طیف سنج رامان ساخته می‌شود. طیف سنج رامان امکان شناسایی حالات ارتعاشی (فونون) مولکول‌ها را فراهم می‌کند. طیف رامان به عنوان اثر انگشت یک ماده به شمار می‌رود. همچنین رامان اسپکتروسکوپی امکان نظارت بر تغییرات در ساختار پیوند مولکولی را فراهم می‌کند.همان طور که ذکر شد در میکروسکوپ رامان، یک میکروسکوپ نوری به ساختمان طیف سنج رامان اضافه می‌شود. از میکرو رامان می‌توان برای تجزیه و تحلیل میکروسکوپی، با وضوح مکانی ۱-۰.۵ میکرومتر استفاده کرد. چنین تحلیلی فقط با استفاده از میکرو رامان ممکن است.

میکروسکوپ به کار رفته در Micro raman با بزرگ‌تر کردن تصویر نمونه این امکان را فراهم می‌کند تا از نقاط میکرونی، طیف‌گیری انجام گیرد. همچنین می‌توان از این دستگاه برای تجزیه و تحلیل ذرات یا نمونه‌ها در سایز یا حجم میکرونی استفاده کرد. به بیانی دیگر طیف سنجی از نمونه‌های بسیار کم نیز ممکن است. این یک مزیت به شمار می‌رود. زیرا شما مجبور نیستید برای به دست آوردن طیف رامان نمونه‌هایی با حجم بالا را تهیه کنید. علاوه بر این، مراحل نقشه برداری امکان تولید تصاویر طیفی رامان را فراهم می‌کند. نقشه به دست آمده حاوی هزاران طیف رامان از موقعیت‌های مختلف نمونه است. همچنین تصویر رنگی کاذب را نیز می‌توان بر اساس طیف رامان ایجاد کرد. این تصاویر توزیع اجزای شیمیایی، تغییر در فاز ماده، چند شکلی (polymorphism)، تنش، فشار و تبلور را نشان می‌دهد.

ایجاد تصاویر رنگی با استفاده از میکرو رامان، بسیار ساده است. از هر قسمت نمونه، نقطه به نقطه (در یک منطقه مشخص و با فاصله مشخص) طیف‌های رامان گرفته می‌شود که اطلاعات مکانی را به داده‌های رامان آن اضافه می‌کنند. در این فرایند، نمونه ذره به ذره زیر لیزر جا به جا شده و نور لیزر بر روی یک نقطه متمرکز می‌شود. این عمل تا زمانی ادامه می‌یابد که کل منطقه مورد نظر به اصطلاح نقشه برداری شود. اطلاعات مکانی به دست آمده می‌تواند یک، دو یا سه بعدی باشد؛ بنابراین امکان کاوش شیمیایی در نمونه را فراهم می‌کند. با استفاده از این اطلاعات می‌توان همگن بودن، توزیع اجزا یا اطلاعات مربوط به ذرات و سایر آلاینده‌ها را به دست آورد.

منابع

1. https://zaya.io/ivb1a
2. https://zaya.io/3ymkg
3. https://zaya.io/6rmq0
4. https://zaya.io/03733
5. https://zaya.io/adl8m