میکروسکوپ چیست؟ — طرز کار و انواع به زبان ساده

میکروسکوپ ابزاری است که می‌تواند تصاویر بزرگ شده از اشیا کوچک را تولید کند و به مشاهده‌گر اجازه می‌دهد نمای بسیار نزدیک از ساختار‌های بسیار کوچک را در مقیاس مناسب برای تحلیل و بررسی در اختیار داشته باشد.

کلمه «میکروسکوپ» (Microscope) از کلمه لاتین «میکروسکوپیوم» (Microscopium) گرفته شده است که از کلمات یونانی «میکروس» (Mikros) به معنی کوچک و «اسکوپین» (Skopein) به معنای نگاه کردن گرفته شده است.

مشخص نیست که چه کسی اولین بار میکروسکوپ را اختراع کرده است. با این حال، به نظر می‌رسد که نخستین میکروسکوپ‌‌ها توسط بینایی‌سنج هلندی به نام «‌هانس جانسن» (Hans Janssen) و پسرش «زاخاریاس جانسن» (Zacharias Janssen) و سازنده ابزارهای مختلف مشاهده، فردی هلندی‌‌ به نام «هانس لیپرشی» (Hans Lippershey) (تلسکوپ را نیز اختراع کرد‌ه‌اند) ساخته شد‌ه‌اند.

میکروسکوپ و لنز‌ها

اگرچه سلول‌‌ها در اندازه‌‌های متفاوتی در طبیعت وجود دارند، اما به طور کلی بسیار کوچک هستند. به عنوان مثال، قطر یک گلبول قرمز معمولی انسانی در حدود هشت میکرومتر (0.008 میلی‌متر) است. برای اینکه بتوانیم اندازه این سلول‌ها را تصور کنیم، سر یک سوزن را مد نظر قرار دهید، تقریباً یک میلی‌متر قطر دارد، بنابراین می‌توان حدود 125 گلبول قرمز را در یک ردیف در سرسوزن قرار داد.

فیلم آموزش آشنایی با میکروسکوپ های الکترونی و نوری در فرادرس

کلیک کنید

به جز چند مورد استثنا، سلول‌های منفرد با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند، بنابراین دانشمندان باید برای مشاهده سلول‌ها از انواع مختلف میکروسکوپ‌‌ها استفاده کنند. میکروسکوپ ابزاری است که اشیا بسیار کوچک را با بزرگنمایی بسیار بالا قابل مشاهده می‌کند و تصویری را تولید می‌کند که در آن جسم، بزرگ‌تر از آنچه که در واقعیت است، به نظر می‌رسد. بیشتر عکس‌های تهیه شده از سلول‌ها با استفاده از میکروسکوپ گرفته می‌شوند و از این تصاویر تحت عنوان «میکروگراف» (Micrographs) نیز می‌توان نام برد.

از تعریف فوق، ممکن است به نظر برسد که میکروسکوپ فقط نوعی ذره‌بین است. در واقع، ذره‌بین به عنوان میکروسکوپ شناخته می‌شوند. از آنجا که آن‌ها فقط یک لنز دارند، به ذره‌بین‌ها میکروسکوپ ساده گفته می‌شود. ابزار‌های پیشرفته‌ای که معمولاً به عنوان میکروسکوپ از آن‌ها یاد می‌کنیم، میکروسکوپ‌های ترکیبی نام دارند، به این معنی که آن‌ها دارای لنز‌های متعدد هستند. به دلیل نحوه تنظیم این لنز‌ها، می‌توانند نور را بشکنند تا تصویر بسیار بزرگتری نسبت به یک ذره‌بین تولید کنند.

در میکروسکوپ مرکب با دو لنز، ترتیب لنز‌ها نتیجه جالبی دارد، جهت‌گیری تصویری که می‌بینید، کاملا برعکس جهت‌گیری جسم واقعی است که شما بررسی می‌کنید. به عنوان مثال، اگر شما در کاغذ روزنامه به دنبال حرف «e» بودید، تصویری که از طریق میکروسکوپ می‌بینید، «ə» خواهد بود.

اغلب میکروسکوپ‌‌های ترکیبی ممکن است تصویری معکوس ایجاد نکنند، زیرا این میکروسکوپ‌‌ها یک لنز اضافی دارند که می‌تواند تصویر را دوباره به حالت عادی بر‌گرداند.

چه چیزی میکروسکوپ اولیه را را از یک دستگاه قدرتمند مورد استفاده در آزمایشگاه تحقیقاتی متمایز می‌کند؟ «بزرگنمایی» (Magnification) و «وضوح تصویر» (Resolution) دو پارامتری هستند که در قدرتمندی میکروسکوپ‌ها اهمیت ویژه‌ای دارند. در ادامه به بررسی هر یک از این پارامترها می‌پردازیم.

بزرگنمایی

اندازه‌گیری میزان بزرگتر شدن تصویر یک جسم توسط میکروسکوپ (یا مجموعه‌ای از لنز‌ها در یک میکروسکوپ) را بزرگنمایی آن میکروسکوپ می‌گویند. به عنوان مثال، میکروسکوپ‌‌های نوری معمولاً در دبیرستان‌‌ها و دانشکده‌‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند و تقریباً بزرگنمایی برابر ۴۰۰ دارند، یعنی تصویر جسم را ۴۰۰ برابر بزرگتر از اندازه واقعی آن نشان می‌دهند. بنابراین، جسمی که در حالت طبیعی خود ۱ میلی‌متر باشد، در تصویر میکروسکوپ ۴۰۰ میلی‌متر نمایش داده می‌شود.

وضوح تصویر

وضوح تصویر یا قدرت تفکیک پذیری تصویر میکروسکوپ یا لنز کمترین فاصله‌ای است که بین دو نقطه از نمونه وجود دارد و به صورت دو نقطه متفاوت (قابل تشخیص) بر روی تصویر دیده می‌شود و در واقع به عنوان دو جسم جداگانه از هم قابل تفکیک هستند. هر چه این فاصله دو نقطه کوچکتر باشد، قدرت وضوح میکروسکوپ بالاتر می‌رود و وضوح و جزئیات تصویر بهتر مشخص می‌شود.

اگر دو سلول باکتریایی در یک اسلاید بسیار نزدیک به هم باشند، ممکن است در یک میکروسکوپ با قدرت تفکیک پذیری پایین، مانند یک سلول و تار به نظر برسند، اما می‌توان آن‌ها را در یک میکروسکوپ با قدرت تفکیک بالا، به صورت دو سلول جداگانه به وضوح مشاهده کرد. توان تفکیک یک میکروسکوپ تنها به نوع و تعداد لنزهای آن مرتبط نیست، بلکه وضوح تصویر در یک میکروسکوپ به طول موج نوری که از آن برای مشاهده جسم استفاده می‌شود، نیز بستگی دارد، به طوری که وضوح تصویر در طول موج‌های بلند و کم انرژی بسیار پایین است.

برای داشتن تصویری واضح و با کیفیت از اجسام بسیار ریز، میزان بزرگنمایی بالا و وضوح تصویر زیاد هر دو در میکروسکوپ بسیار مهم هستند. به عنوان مثال، اگر میکروسکوپ بزرگنمایی بالایی داشته باشد اما وضوح تصویر مناسبی نداشته باشد، تمام آنچه از میکروسکوپ دریافت خواهید کرد، تصویری تار از نسخه بزرگتر از یک جسم است. انواع مختلف میکروسکوپ در بزرگنمایی و وضوح و قدرت تفکیک با هم متفاوت هستند و از این رو هر کدام کاربردهای مختلفی دارند.

میکروسکوپ‌‌های نوری

بیشتر میکروسکوپ‌‌های دانشجویی در گروه میکروسکوپ‌‌های نوری طبقه‌بندی می‌شوند. در میکروسکوپ نوری، نور مرئی از داخل نمونه (نمونه بیولوژیکی) عبور می‌کند و از طریق سیستم لنز شکسته می‌شود و به کاربر امکان می‌دهد تا تصویر را با بزرگنمایی مشاهده کند.

فیلم آموزش آزمایشگاه میکروبیولوژی 1 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

میکروسکوپ‌های نوری ساده با یک لنز می‌توانند نمونه را تا 300 برابر بزرگنمایی کنند و به همین دلیل با این میکروسکوپ‌ها قادر به دیدن برخی از باکتری‌ها هستیم، در حالی که میکروسکوپ‌های نوری مرکب می‌توانند نمونه را تا 2000 برابر بزرگنمایی کنند. میکروسکوپ نوری ساده می‌تواند زیر 1 میکرومتر (یک میکرومتر برابر با یک میلیونم متر است) قدرت تفکیک داشته باشد، در حالی که قدرت تفکیک و وضوح میکروسکوپ مرکب ممکن است تا حدود 0٫2 میکرومتر باشد.

فایده میکروسکوپ نوری این است که اغلب به منظور مشاهده سلول‌های زنده قابل استفاده است، بنابراین می‌توان رفتار سلول‌های زنده مانند حرکت یا تقسیم سلولی، بافت‌های زنده مختلف بدن، اندامک‌ها و اجزا مختلف باکتری‌ها را زیر میکروسکوپ‌های نوری مشاهده کرد. استفاده از میکروسکوپ‌های نوری آسان است و پیچیدگی‌ها کار با سایر میکروسکوپ‌ها مانند میکروسکوپ‌های الکترونی را ندارد و علاوه بر این، هزینه کار و نگهداری از این میکروسکوپ‌ها به مراتب کمتر از میکروسکوپ‌های پیشرفته است.

اساس کار میکروسکوپ‌های نوری، عبور نور با طول موج‌های متفاوت از چند لنز محدب است. همان طور که در بالا نیز اشاره شد، میزان قدرت تفکیک هر میکروسکوپ با کاهش طول موج نوری آن افزایش می‌یابد.

اجزای تشکیل دهنده میکروسکوپ نوری

هر میکروسکوپ نوری دارای بخش‌های مختلفی است که در کنار هم می‌توانند تصویری با بزرگنمایی مناسب از اجسام مختلف ایجاد کنند. در ادامه به بررسی هر یک از اجزای میکروسکوپ‌ها می‌پردازیم:

• اجزای نوری: بخش‌‌های نوری میکروسکوپ شامل منبع نور مانند لامپ، فیلترها یا صافی و کندانسور هستند.
  • منبع نور: میکروسکوپ‌های اولیه از آینه‌های مقعر برای اصلاح نور بر روی اجسام استفاده می‌کردند. بعدها لامپ‌های کم مصرف برای منبع نوری به کار رفت و اکنون اکثر میکروسکوپ‌ها با لامپ‌های LED کار می‌کنند. وظیفه منبع نور این است که به طور مساوی نمونه را روشن کند.
  • کندانسور (Condenser): کندانسور پرتوهای حاصل از منبع نور را جمع می‌کند، بنابراین می‌تواند آن‌ها به طور مساوی روی جسم متمرکز کند. به عبارت دیگر به وسیله کندانسور هر قسمت از شی در سطح روشنایی یکسان قرار می‌گیرد. کندانسورها معمولاً از یک یا دو لنز تشکیل شده‌اند. این لنزها نور را تکه تکه می‌کنند و تمام پرتوها خروجی از آن به صورت موازی باقی می‌مانند. یک لنز کروی اطمینان می‌دهد که هیچ گونه انحرافی در عبور نور رخ نمی‌دهد. این امر تضمین کننده کیفیت بهتر تصویر است. در بخش کندانسور، دیافراگم نیز قرار دارد که وظیفه آن تنظیم کردن شدت نور ورودی به نمونه است.
• پایه میکروسکوپ: پایه میکروسکوپ بخشی است که تمام اجزای میکروسکوپ بر روی آن قرار می‌گیرند.
• لوله میکروسکوپ: این لوله بخشی است که عدسی‌ها یا لنزهای چشمی و شیئی در آن جای دارند و هر کدام دارای بزرگنمایی‌های مختلفی هستند.
  • عدسی شیئی (Objective Lenses): این بخش اغلب از چند عدسی مختلف تشکیل می‌شوند و وظیفه تشکیل تصویر از روی نمونه را بر عهده دارند. عدسی‌های شیئی نزدیک‌ترین عدسی‌ها به نمونه هستند.
  • عدسی چشمی (Ocular Lens): عدسی‌های چشمی مانند یک ذره‌بین عمل می‌کنند و تصاویر حاصل از عدسی شيئی را بزرگتر کرده و به شکل مستقیم در می‌آورند.

• صفحه گردان (Revolver): عدسی‌های شیئی بر روی صفحه گردان قرار دارند و برای تغییر بزرگنمایی در هنگام مشاهده جسم می‌توان با استفاده از این صفحه گردان، عدسی‌ها را تغییر داد.
• صفحه قرارگیری نمونه (Stage): صفحه‌ای است که نمونه برای روی آن قرار می‌گیرد. در این صفحه می‌توان اسلاید نمونه را (با پوشش شیشه‌ای روی آن) قرار داد. این صفحه قابلیت جابجایی دارد و با جابجایی آن می‌توان بخشی از نمونه را که می‌خواهیم مورد بررسی قرار دهیم، زیر عدسی میکروسکوپ بکشیم.
• پیچ حرکات تند و کند: با پیچ‌های این بخش می‌توان فاصله عدسی شیئی و نمونه را طوری تنظیم کرد که به یک تصویر با وضوح خوب دست یافت.

انواع میکروسکوپ‌های نوری

میکروسکوپ‌های نوری بر حسب نوع عملکرد و منبع نوری که دارند، به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند. در ادامه به معرفی برخی از انواع میکروسکوپ‌های نوری می‌پردازیم.

میکروسکوپ زمینه روشن (Bright Field Microscopy)

در این میکروسکوپ ساده‌ترین تکنیک نورپردازی به نمونه انجام می‌شود. در میکروسکوپ زمینه روشن، نور از زیر به نمونه برخورد می‌کند و تصویر آن از بالا مشاهده می‌شود. در تصاویر حاصل از این میکروسکوپ زمینه دارای نور سفید است و نواحی متراکم نمونه تیره دیده می‌شود.

میکروسکوپ زمینه تاریک (Dark Field Microscopy)

در این نوع میکروسکوپ نور از منبع نوری فقط به کناره‌های نمونه برخورد می‌کند، به همین دلیل نمونه به صورت روشن در زمینه تاریکی قابل مشاهده است و قدرت تفکیک این نوع میکروسکوپ از میکروسکوپ زمینه روشن بیشتر است و با استفاده از میکروسکوپ زمینه تاریک جزئیاتی بیشتری از نمونه قابل مشاهده می‌شود.

میکروسکوپ فاز کنتراست (Phase Contrast Microscopy)

میکروسکوپ فاز کنتراست یک نوع میکروسکوپ نوری است که تغییر فازها را در نور منتقل شده از طریق یک نمونه شفاف به تغییرات روشنایی در تصویر تبدیل می‌کند. تغییر فازها نامرئی هستند، اما وقتی به عنوان تغییرات روشنایی نشان داده ‌شوند، قابل مشاهده هستند. با استفاده از این تکنیک، کنتراست در نمونه‌های رنگ آمیزی نشده زیاد می‌شود، از این رو استفاده از میکروسکوپ فاز کنتراست برای مطالعه سلول‌های زنده و رنگ‌آمیزی نشده بسیار مناسب است.