المسح المجهري الإلكتروني: دليل المبتدئين

يعد المسح المجهري الإلكتروني أداة تصوير قوية تستخدم حزمة مركزة من الإلكترونات لإنتاج صور عالية الدقة لسطح العينة. تتفاعل الإلكترونات مع الذرات في العينة، وتنتج إشارات مختلفة تحتوي على معلومات حول تضاريس السطح وتكوين العينة. تُستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في مختلف المجالات، بما في ذلك علوم المواد وتكنولوجيا النانو والبيولوجيا وعلوم الطب الشرعي، من بين أمور أخرى. بالإضافة إلى ذلك يمكن أن يحقق تطورات مثيرة في الدقة، والتصوير متعدد الوسائط، والتصوير في الموقع، والذكاء الاصطناعي، والتصوير ثلاثي الأبعاد. مما يمكّن الباحثين من دراسة المواد والأنظمة البيولوجية بمزيد من التفاصيل وبدقة أكبر [1]. في هذا المقال سيتم مناقشة كل ذلك بالتفصيل كدليل للمبتدئين في مجال البحث العلمي والتقنيات المختلفة لدراسة المواد.

ما هي أساسيات وأنواع المجهر الالكتروني؟

المجهر الإلكتروني هو نوع من المسح المجهري يستخدم شعاعًا من الإلكترونات لإنشاء صور عالية الدقة لعينة. مثلًا يستخدم المسح المجهري للضوء الضوء المرئي لإضاءة عينة يتم تصويؤها ضوئيا، لكن يستخدم المجهر الإلكتروني شعاعًا من الإلكترونات، والتي لها أطوال موجية أقصر بكثير من الضوء المرئي، لتحقيق دقة أعلى بكثير.

هناك نوعان رئيسيان من المجهر الإلكتروني [1]:

1. المجهر الإلكتروني النافذ Transmission Electron Microscopy (TEM):

حيث يتم إرسال شعاع الإلكترون من خلال قسم رفيع من العينة، وتظهر الصورة الناتجة البنية الداخلية للعينة.

2. المسح المجهري الإلكتروني Scanning Electron Microscopy (SEM) :

حيث يتم مسح شعاع الإلكترون عبر سطح العينة، وتظهر الصورة الناتجة التشكل السطحي وتضاريس العينة.

يتطلب المسح المجهري الإلكتروني معدات متخصصة، بما في ذلك مسدس إلكتروني لتوليد شعاع الإلكترون، وعدسات كهرومغناطيسية لتركيز الحزمة وتوجيهها، وكاشفات لاكتشاف الإلكترونات المبعثرة أو المنبعثة من العينة. يجب تحضير العينة بعناية للتأكد من أنها رقيقة بما يكفي للسماح للإلكترونات بالمرور في حالة المجهر الإلكتروني النافذ TEM أو لمنع الشحن وتحسين جودة الصورة في حالة المسح المجهري الإلكتروني SEM.

نتيجة لذلك، أحدث المسح المجهري الإلكتروني ثورة في فهمنا لبنية ووظيفة المواد والأنظمة البيولوجية على المستوى النانوي. يستخدم على نطاق واسع في علوم المواد وتكنولوجيا النانو والبيولوجيا والعديد من المجالات الأخرى التي تتطلب التصوير والتحليل عالي الدقة.

ما هي تقنية المسح المجهري الإلكتروني؟

كما ذكرنا المسح المجهري الإلكتروني Scanning Electron Microscopy (SEM) هو نوع من المسح المجهري يتم باستخدام جهاز الميكروسكوب الإلكتروني الماسح حيث يتم اطلاق حزمة مركزة من الإلكترونات لإنشاء صور عالية الدقة لسطح العينة. حيث يتم مسح شعاع من الإلكترونات عبر سطح العينة، ويتم اكتشاف الإلكترونات المبعثرة أو المنبعثة من السطح واستخدامها لإنشاء صورة.

يفيد SEM بشكل خاص في دراسة التشكل السطحي والتضاريس لمجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك المعادن والسيراميك والبوليمرات والعينات البيولوجية. تسمح إمكانات الدقة والتكبير العالية لـ SEM للباحثين بمراقبة التفاصيل الدقيقة والهياكل التي قد لا تكون مرئية مع أنواع أخرى من المسح المجهري.

ما هي المكونات المختلفة للميكروسكوب الإلكتروني الماسح؟

يتكون جهاز الميكروسكوب الإلكتروني الماسح Scanning Electron Microscope من عدة مكونات رئيسية تعمل معًا لتوليد صور عالية الدقة لعينة. تشمل هذه المكونات [2]:

مدفع الإلكترون: مسدس الإلكترون مسؤول عن توليد حزمة من الإلكترونات. ويتكون عادة من خيوط ساخنة تنبعث منها إلكترونات عند تسخينها. حيث يتم تسريع الإلكترونات المنبعثة وتركيزها في حزمة ضيقة.

العدسات الكهرومغناطيسية: تستخدم العدسات الكهرومغناطيسية لتركيز والتحكم في شعاع الإلكترون. وهي تتكون من ملفات تولد مجالات مغناطيسية يمكنها التحكم في مسار الإلكترونات. تساعد هذه العدسات في تركيز الشعاع على العينة.

حجرة العينة: حجرة العينة عبارة عن بيئة مختومة بالفراغ حيث يتم وضع العينة. يعتبر الفراغ ضروريًا لمنع تشتت الإلكترونات وامتصاصها بواسطة جزيئات الهواء، مما يؤدي إلى تدهور جودة الصورة.

مرحلة العينة: مرحلة العينة تثبت العينة في مكانها وتسمح بتحديد المواقع والحركة بدقة. يمكن ضبطه بشكل نموذجي في محاور متعددة لتسهيل مسح مناطق مختلفة من العينة.

نظام المسح: يتحكم نظام المسح في حركة شعاع الإلكترون عبر سطح العينة. لذا يتكون عادةً من ملفات كهرومغناطيسية تحرف الحزمة في نمط نقطي، وتمسحها سطراً بسطر.

الكاشفات: تلتقط الكاشفات الإلكترونات المبعثرة أو المنبعثة من العينة. يمكن استخدام أنواع مختلفة من أجهزة الكشف حسب المعلومات المطلوبة. على سبيل المثال، تلتقط أجهزة الكشف عن الإلكترونات الثانوية الإلكترونات منخفضة الطاقة المنبعثة من سطح العينة، بينما تلتقط أجهزة الكشف عن الإلكترونات المتناثرة إلكترونات ذات طاقة أعلى مبعثرة للخلف.

نظام التصوير: يعالج نظام التصوير الإشارات الواردة من أجهزة الكشف ويحولها إلى صورة. قد تشمل مكبرات الصوت ومعالجات الإشارات ووحدات العرض. يمكن عرض الصورة الناتجة على الشاشة أو تسجيلها رقميًا.

نظام التحكم والكمبيوتر: عادةً ما يتم التحكم في SEM بواسطة نظام كمبيوتر يسمح بتعديل المعلمات المختلفة، مثل كثافة الحزمة والتركيز وسرعة المسح. كما يقوم الكمبيوتر أيضًا بمعالجة وتخزين الصور التي تم الحصول عليها.

تعمل هذه المكونات في تناغم لإنتاج صور عالية الدقة لتشكل سطح العينة والتضاريس في مجهر إلكتروني مسح.

ما هي تطبيقات المسح المجهري الالكتروني؟

يحتوي المسح المجهري الإلكتروني SEM على مجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف المجالات، بما في ذلك علوم المواد وتكنولوجيا النانو وعلم الأحياء والعديد من المجالات الأخرى. فيما يلي بعض التطبيقات الشائعة لتقنية [2-5] SEM:

مورفولوجيا السطح والتضاريس: يستخدم SEM على نطاق واسع لدراسة التشكل السطحي وتضاريس المواد، بما في ذلك المعادن والسيراميك والبوليمرات والمركبات. يمكن أن يكشف عن ميزات السطح مثل الشقوق والمسام وحدود الحبوب، والتي تعتبر مهمة لفهم خصائص وسلوك المواد.

تحليل الأغشية الرقيقة والطلاء: يمكن استخدام SEM لقياس سمك وتكوين الأغشية الرقيقة والطلاء. هذا مهم لفهم خصائص وأداء هذه المواد في التطبيقات المختلفة.

التصوير البيولوجي: يستخدم SEM على نطاق واسع في علم الأحياء لدراسة بنية ووظيفة الخلايا والأنسجة والأعضاء. يمكن أن يكشف عن التشكل السطحي وتضاريس العينات البيولوجية، مثل الخلايا والبكتيريا والفيروسات.

علم الطب الشرعي: يستخدم SEM في علم الطب الشرعي لتحليل أدلة التتبع، مثل الألياف والشعر وبقايا الطلقات النارية. يمكن أن يكشف عن التشكل السطحي وتكوين هذه المواد، وتوفير أدلة مهمة في التحقيقات الجنائية.

الصور المذهلة التي يمكن الحصول عليها عن طريق المسح المجهري الإلكتروني

الحشرات: يمكن أن يكشف SEM عن التفاصيل المعقدة لتشريح الحشرات، مثل العينين والأجنحة والساقين. يمكن استخدام الصور لدراسة بنية ووظيفة هذه الكائنات وتكيفها مع بيئات مختلفة [5].

الخلايا والأنسجة: يمكن أن توفر SEM صورًا عالية الدقة للخلايا والأنسجة، وتكشف عن شكل سطحها وتضاريسها. مما يمكننا من استخدام الصور لدراسة بنية ووظيفة الخلايا، وكذلك تفاعلاتها مع الخلايا الأخرى والمصفوفة خارج الخلية.

المعادن والسبائك: يمكن أن تكشف SEM عن البنية المجهرية للمعادن والسبائك، بما في ذلك حدود الحبوب والعيوب والرواسب. وبالتالي يمكن استخدام الصور لدراسة خصائص وسلوك هذه المواد في ظل ظروف مختلفة.

تقنية النانو: SEM هي أداة مهمة في تقنية النانو، مما يسمح للباحثين بمراقبة الهياكل والأجهزة النانوية والتعامل معها. على سبيل المثال، يتم استخدامه لدراسة خصائص وسلوك المواد النانوية، مثل الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية والأسلاك النانوية.

الصخور والمعادن: يمكن أن توفر SEM صورًا عالية الدقة للصخور والمعادن، وتكشف عن ميزات السطح والقوام. يمكن استخدام الصور لدراسة تكوين وتطور هذه المواد وأهميتها الجيولوجية.

هذه مجرد أمثلة قليلة للصور المذهلة التي يمكن أن تنتجها تقنية SEM. تجعل إمكانات التصوير عالية الدقة لـ SEM أداة قوية لدراسة بنية وخصائص مجموعة واسعة من المواد والأنظمة البيولوجية.

كيف يمكن تطوير مستقبل المجهر الإلكتروني بين أيدي العلماء والمهندسين؟

فيما يلي بعض الطرق التي من المتوقع أن يتطور بها SEM في أيدي العلماء والمهندسين [7,2] :

دقة أعلى: من المتوقع أن تحقق SEM دقة أعلى في المستقبل. نتيجة لذلك، يمكن مراقبة المواد والأنظمة البيولوجية ومعالجتها على المستوى الذري والجزيئي. سيتطلب ذلك تطوير مصادر إلكترونية جديدة، وأجهزة كشف، وتقنيات تصوير.

التصوير متعدد الوسائط ــ Multimodal Imaging: من المتوقع أن يتكامل SEM مع طرق التصوير الأخرى، مثل المسح المجهري بالأشعة السينية، والمسح المجهري الفلوري، والتحليل الطيفي لرامان، لتوفير معلومات تكميلية عن العينة. سيمكن ذلك الباحثين من دراسة بنية المواد والأنظمة البيولوجية وتكوينها ووظيفتها بمزيد من التفصيل.

التصوير في الموقع ــ In Situ Imaging: يُتوقع من SEM تمكين التصوير في الموقع للمواد والأنظمة البيولوجية في ظل ظروف ديناميكية، مثل أثناء التفاعلات الكيميائية أو التشوه الميكانيكي أو التحفيز الكهربائي. سيتطلب ذلك تطوير حاملي العينات المتخصصة وغرف التصوير التي يمكنها استيعاب الظروف البيئية المختلفة.

التصوير ثلاثي الأبعاد ــ 3D Imaging: من المتوقع أن يتيح SEM التصوير ثلاثي الأبعاد للمواد والأنظمة البيولوجية، مما يسمح بإعادة بناء الهياكل والبنى المعقدة. سيتطلب ذلك تطوير تقنيات تصوير جديدة، مثل التصوير المقطعي الإلكتروني، ودمج أساليب التصوير المتعددة.

باختصار، من المتوقع أن يؤدي مستقبل SEM في أيدي العلماء والمهندسين إلى تحقيق تطورات مثيرة في الدقة والتصوير متعدد الوسائط والتصوير في الموقع والذكاء الاصطناعي والتصوير ثلاثي الأبعاد. ستمكن هذه التطورات الباحثين من دراسة المواد والأنظمة البيولوجية بمزيد من التفصيل وبدقة أكبر، مما يؤدي إلى اكتشافات وتطبيقات جديدة في مختلف المجالات.

المصادر

1. SEM vs TEM | Technology Networks
2. Components of the SEM. In: A Beginners’ Guide to Scanning Electron Microscopy. | Springer, Cham
3. A Brief Introduction to SEM (Scanning Electron Microscopy) | SCIMED
4. Energy Dispersive X-Ray Spectrography (EDX) | Corrosionpedia
5. Some Spectacular SEM Images of The Microscopic World | iflscience
6. In pictures: details revealed with advanced SEM | Nature
7. SEM—past, present, and future | Wiley