الجمعة، 9 ديسمبر 2016

الأجهزة والتقنيات الحيوية

الأجهزة والتقنيات الحيوية
المجاهر:Optical Microscope
  دعنا أولاً نتعرض لبعض المفاهيم والتعريفات الأساسية الخاصة بالضوء، وسيكون تعرضنا لها بشئ من الإيجاز بقدر ما يؤدي لإستعياب فكرة عمل المجهر الضوئي.
الضوء: Light
يعرف الضوء بأنه الإشعاع الذي إذا سقط على العين فإنه يحفزها ويسبب الإحساس بالرؤية.
   ظهرت نظريات عديدة لتفسير طبيعة الضوء. من أهم النظريات نظرية نيوتن الجسيمية ونظرية هايجتر الموجية ماكسويل الكهرومغناطيسية والنظرية الكمية لآنشتين.
1. النظرية الجسيمية لنيوتن:
    تنص على (الضوء يتكون من دقائق مادية متناهية في الصغر تنبعث من الجسم المعني وتنشر في خطوط مستقيمة بسرعة كبيرة) .
2. النظرية الموجية لهاييجتر :
    تنص على: ( الضوء عبارة عن طاقة تنتقل من مكان لآخر بواسطة موجات تحدثها الطاقة في وسط شفاف يسمى الأثر أفترض وجوده بين الجسم والعين).
3. النظرية الكهرومغناطيسية لماكسويل :
    تنص على: (الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تنتشر في الهواء بسرعة (3x108m/s).
4. النظرية الكمية لآينشتين:
    تنص على: (الضوء يتكون من فيض من حزم موجية صغيرة من الطاقة تسمى بالفوتونات وتتحرك بسرعة (3x108m/sec) .

·       المسار الضوئي: Optical Path
المسار الضوئي لوسط ما هو المسافة التي يغطيها في الفراغ في نفس الزمن في الوسط.

·       معامل الإنكسار: Retroactive Index
معامل الإنكسار لوسط معين هو النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعته في الوسط.

·       العدسات: Lenses
العدسات هي وسط شفاف يحد بسطحين أحدهما أو كلاهما مكوّر (محدب أو مقعر). وبناء على شكل السطحين تنقسم العدسات إلى الأنواع التالية:
1.    عدسة مزدوجة التحدب Double –Convex Lens
2.    عدسة مزدوجة التقعر Double –Coeave Lens
3.    عدسة مقعرة مستوية Plano –Concave Lens
4.    عدسة محدبة مستوية Plano – Concave Lens
5.    عدسة محدبة مقعرة Covex –Concave Lens
البعد البؤري للعدسة يحسب عن طريق قانونين هما:
(i) القانون العام :       
حيث:
f تمثل البعد البؤري للعدسة بالسنتمتر.
u تمثل بعد الجسم عن العدسة بالسنتمتر.
v تمثل بعد الصورة عن العدسة بالسنتمتر.

(ii) صيغة صانعي العدسات:
حيث:
n تمثل معامل إنكسار مادة العدسة.
R2,R1 يمثلان نصفا قطري كل من سطحي العدسة بالسنتمتر.
هناك كمية هامة ذات صلة بالعدسة وهي قوة العدسة (Lens Power) وهي تعطي بالعلاقة:
فإذا كانت، f، مقاسة بالمتر فإن وحدة قوة العدسة(P) تسمى الديوبتر ورمزها، Δ.

·       الفتحة العددية:Numerical Aperture
بالنسبة للعدسة "الشيئية " في المجهر تعطي الفتحة العددية (NA) بالعلاقة:
حيث :
n = معامل إنكسار الوسط بين المدروس والعدسة.
R = نصف قطر العدسة الشيئية.
V = البعد بين مركز الجسم المدروس وطرف العدسة الشيئية.

·       قدرة التحليل: Resolving Power
تسمى أحياناً بالقدرة التوضيحية للعدسة (P) ونعني بها مقدرة العدسة على إظهار نقطتين متناهيتي القرب في الجسم منفصلتين تماماً عن بعضهما. وكلما صغرت قيمتها الرياضية في العلاقة التالية، كلما كانت العدسة أكبر مقدرة على تبيين تفاصيل الجسم، والعلاقة الرياضية للقدرة التحليلية P، هي:
حيث (λ) تمثل الطول الموجي للضوء المستخدم في المجهر.

·       التكبير: Magnification
نعني به زيادة حجم الصورة بالنسبة إلى حجم الجسم بالنسبة إلى حجم الجسم تحت الدراسة. وفي المجهر فإن التكبير يساوي حاصل ضرب (تكبير العدسات الشيئية X تكبير العدسات العينية). ويعتمد التكبير في المجهر الضوئي على ثلاثة عوامل هي:
1.    طول الأنبوب البصري.
2.    البعد البؤري للعدسة الشيئية.
3.    البعد البؤري للعدسة العينية.

عيوب العدسات:Lens's Aberration
   يوجد للعدسات عدة عيوب ناتجة عن تصميمها أو عن خصائص الزجاج المصنوعة منه، من هذه العيوب:

1. الزيغ اللوني: Chromatic Aberration
هو عيب ينشأ عن فشل العدسة في تجميع الأشعة كاملة أو تحليلها للضوء الأبيض، مما يتسبب في تداخل ألوان الضوء بعضها فوق بعض وتظهر دوائر ملونة باهته وتشوه في أطراف الجسم الدقيق المراد فحصه.
     لعلاج هذا العيب في المجاهر يستخدم زوج من العدسات يسمى الزوج اللالوني (AchromaticDoublet)، يتكون من عدسة مستوية مقعرة وعدسة مزدوجة التحدب ويتميز هذا الزوج المصنوع من الفلوريت بإختلاف قدرة عدستيه على إنقسام ألوان الضوء.

2. الزيغ الكروي:Spherical Aberration
     هو عيب في العدسات ينتج عن عدم وجود بعد بؤري محدد لها مما يتسبب في عدم وضوح معالم الجزء معالم الجزء الخارجي من صورة الجسم الدقيق. كذلك أحد الأسباب الرئيسة لهذا العيب هو مرور الضوء في سماكات مختلفة في العدسة المحدبة ولأجل هذا يعالج بدمج عدسة مزدوجة التحدب وأخرى مزدوجة التقعر.

مصطلحات خاصة بالرؤية والعين:
       تعتبر العين جهاز بصري دقيق وحساس ومعقد التركيب. العين ترى الأجسام بوضوح تام عندما تتكون لها صوراً على الشبكية.

1. تكيف العين:Eye Accommodation
   نعني به التغير في قوة عدسة العين بزيادة التحدب أو تقليله حتى تقع الصورة دائماً على الشبكية. ومن المعروف أن العين السليمة كلما أقترب منها الجسم زاد وضوحه حتى يصبح على بعد معين من العين تكون عنده الرؤية أوضح ما يمكن وتكون عضلات العين متقطعه تماماً.
   إذا إقترب الجسم أكثر فإن العضلات تعجز عن التقلص لزيادة قوة العدسة، فلا تتكون الصورة على الشبكية ويبدو الجسم أقل وضوحاً.
يسمى أقرب موضع يبدو فيه الجسم أوضح ما يمكن بالنقطة القريبة للرؤية الواضحة.
 الشخص السليم يمتاز بما يلي:
  **  أصغر مدى للرؤية الواضحة عنده هو (25m) وعندئذ تكون العضلات الحلقية للعين متقلصة تماماً.
  **  أبعد مدى للرؤية الواضحة عنده هو (6m) وعندئذ تكون العضلات الحلقية للعين مرتخية تماماً.

2. عيوب العين:Eye Defect  
    عين الإنسان تتعرض بفعل عوامل مختلفة لعدة مشاكل وعيوب منها:
(i). قصر النظر: Short Sight
    هو عيب في النظر يصيب الشخص فيجعله يرى الأجسام القريبة جداً ولا يرى الأجسام البعيدة لوقوعها        أمام الشبكية. لعلاج هذا العين فإنه توضع عدسة مزدوجة التقعر أمام عدسة العين.
(ii). طول النظر: Long ight
    عندما يصاب شخص بطول النظر فإنه يرى بوضوح الأجسام البعيدة، أما الأجسام القريبة فإنها تتكون        لها صوراً خلف الشبكية.
     لعلاج طول النظر توضع عدسة مزدوجة التحدب أمام عدسة العين.

(iii). اللانقطية: Astigmatism
   هو عيب فشل العين في رؤية مجموعة متعامدة من الخطوط بنفس الوضوح وذلك بسبب عدم إنتظام         قرنية العين.

المجهر البصري: Microscopes Optical
       المجهر هو عبارة عن جهاز يستخدم في تكبير الأجسام الدقيقة. أهم أنواع المجاهر وأكثرها إستخداماً في المختبرات هو المجهر البصري (الضوئي) Optical Microscop وتصل قدرة التكبير في بعض أنواعه إلى (1200) مرة.
هناك أنواع أخرى من المجاهر حسب حسب نوع العينة المراد فحصها ودراستها . ومن أنواع المجاهر الأخرى:
1.    المجهر ذو المجال المظلم : Dark-Field Microscope
2.    المجهر المؤلق: Fluorescence Microscope
3.    المجهر متباين الصفحات: Phase –Contrast Microscope
كل من المجاهر الثلاث المذكورة أعلاه هي مجاهر ذات إستخدام خاص مثل دراسة أنواع خاصة من الجراثيم.
سنركز دراستنا على المجهر الضوئي لكثرة إستخدامه وأهميته في المختبرات المختلفة.

أجزاء المجهر الضوئي:
1. القطعة العينية: (Eyepiece)
توجد في الطرف الأعلى من الأنبوب البصيري وتتكون من عدستين ، العليا منها تسمى عدسة العين، والسفلى تسمى عدسة المجال. وتنقسم المجاهر حسب شكل العينية إلى مجهر أحادي العينية (Monocular Microscope) ومجهر ثنائي العينية (Binocular Microscope).
مهمة العينية هي تكبير الصورة الحقيقة الناتجة عن الشيئية.
يوجد نوعان من العينيات هما:

أ. عينية هايجنز:
 تتكون من عدستين متماثلتين، كلٍ منهما محدبة مستوية، مثبتتين بحيث يكون سطحاهما المحدبان متجهين لأعلى، وتساوي المسافة بينهما نصف البعد البؤري لأيٍ منهما.

ب. عينية رامسدين:
تتكون من عدستين عدستين متماثلتين، كلٍ منهما محدبة مستوية، مثبتتين بحيث يكون سطحاهما المحدان متقابلين، وتكون المسافة بينهما ثلث بعديهما البؤريين المتساويين.

2. العدسات الشيئية: Objective Lenses
    تعتبر العدسات الشيئية هي عناصر التكبير الأساسية في المجهر وتتركب من مجموعة من العدسات المحدبة والمقعرة، أنواع مختلفة من الزجاج وذلك لتصحيح العيوب المختلفة للعدسات. معظم المجاهر المخبرية تزود بثلاث شيئيات ذات أبعاد بؤريىة مختلفة هي:

أ. الشيئية الجافة الصغرى:
بعدها البؤري (16mm) وفتحتها العددية (0.28) وقوة تكبيرها عشر مرات (X10).

ب. الشيئية الجافة الكبرى:
بعدها البؤري (4mm) وفتحتها العددية (0.65) وقوة تكبيرها عشر مرات (X40).

ج. الشيئية المغمورة:
       هي عدسة تغمر في زيت (معامل إنكساره قريب من معامل الزجاج) وذلك لتقليل الأشعة المنكسره بعيداً عن العينة مما يزيد من وضوح صورتها. البعد البؤري لهذه العدسة (1.8mm) وفتحتها العددية (1.28) وقوة تكبيرها مائة مرة (X100).
      تُحمَل كل من العدسات الثلاث على قرص دوار يسمى بالقطعة الانفية (nose piece).
      كلما صغر البعد البؤري للشيئية كلما صغرت مسافة التشغيل، وهي المسافة بين الجسم الدقيق والعدسة. وكذلك بزيادة خط البعد البؤري يزيد قطر مجال الفحص.
      وظيفة الشيئية هي تجميع الأشعة الضوئية من العينة المدروسة لتكوين صورة حقيقية مكبرة داخل أنبوب المجهر.
3. العدسة المكثفة: Condenser Lens
     هي عدسة توجد تحت مسرح المجهر، مهمتها جمع الضوء وتكثيفه وتسليطه على العينة المراد فحصها. ويتم التحكم في كمية الضوء بواسطة حجاب (diaphram) موجود تحت المكثفة.

4. المسرح الميكانيكي:M echanical Stage
     هو لوح معدني خاص يحمل العينات المراد فحصها ويوجد في وسطه فتحه لسقوط الضوئي على العينة. والمسرح مزود بعدة مقابض وازرار تمكن تثبيت الشريحة الزجاجية وتحريكها في الإتجاهات المختلفة.

5. القاعدة: Foot (Base)
     هي قطعة معدنية تختلف في شكلها من مجهر لآخر ووظيفتها تثبيت المجهر وملحقاتها على المنضدة.

6. الأنبوب البصري: Optical Tube
    هو أنبوب رأسي أو مائل يحمل العدسات المختلفة للمجهر وغالباً ما يكون متغير الطول من جهة العينية.

7. أزرار الضبط: Adjustment Knobs  
    هي أزرار مهمتها ضبط موضوع العدسة الشيئية من العينة لإكمال وضوح الصورة. ويوجد نوعان منها هما الضابط التقريبي (coarse) والضابط الدقيق (fine).

التكبير : Magnification
    يعطى التكبير النهائي (M) للمجهر بالعلاقة :
حيث :
Me تكبير العينة.
Mo تكبير الشيئية.
L/    طول الجزء الشغال من أنبوب المجهر.
L     الطول العادي لأنبوب المجهر.
  التكبير الفارغ هو مصطلح يعني به التكبير الذي ينتج عنه زيادة في الحجم الظاهري لصورة الجسم، من غير أن تظهر فيه تفاصيل جديدة. وبعبارة أخرى فإنه يمكننا القول بأن التكبير الفارغ هو التكبير من غير زيادة قدرة التحليل.
   يوجد نوع من العينيات، يسمى عينية المايكروميتر، به تدريج دقيق لدراسة حجم العينة تحت الفحص. هذا التدريج يضم تدريجياً أساسياً بالإضافة إلى تدريج منزلق يقرأ الخط الواحد منه في حدود (16-6m)، مما يسمح بتقدير مساحة سطح التعريض للعينة المدروسة، أو دراسة أبعادها.

استخدام المجهر:
1.    ضع الشريحة وعلى سطحها العلوي العينة المراد فحصها، على مسرح المجهر. مع ملاحظة أن الجزء تحت الدراسة يقع فوق المسرح.
2.    أضبط المصدر الضوئي حتى تمر أكبر كمية من الضوء خلال العينة.
3.    أدر القطعة الأنفية حتى تكون العينة تحت العدسة الشيئية الصغرى.
4.    أنظر من خلال العينية ، وببطء أرفع أنبوبة المجهر بالضابط التقريبي حتى تصبح العينية أخفض أنبوبة المجهر إلى أسفل لضبط البعد البؤري . وبواسطة الضابط الدقيق أضبط المجهر لتحصل على أحسن صورة للمرئي عدّل الإضاءة برفع المكثف لأعلى مع فتح الحجاب حتى تختفي حافة الحجاب من الرؤية.
5.    بعد فحص العينة بالشيئية ذات القوة الصغرى، حرك القطعة الأنفية بحذر في إتجاه القوة الصغرى، وتثبت في موضعها بالضبط، على أن تتأكد أولاً من وجود الجزء المطلوب فحصه من العينة في وسط مجال الفحص للشيئية ذات القوة الصغرى نسبياً ويعتبر هذا ضرورياً لأن قطر دائرة مجال الفحص في حالة التكبير الأعلى أقل نسبياً عنه في حالة التكبير الأقل.
6.    يجب أن يكون الجسم عند البعد البؤري تقريباً. أنظر خلال العينية وببطء حرّك القطعة الأنفية بإستعمال الضابط التقريبي، أضبط الصورة بشكل تقريبي، ثم أحصل على أحسن صورة للجسم بإستعمال الضابط الدقيق. تذكر دائماً بضرورة عدم ضبط الصورة بخفض أنبوبة المجهر لأسفل أثناء النظر في العينية، وعليك أن تلاحظ بإستمرار العدسة الشيئية بالعين من جانب المجهر عند محاولة تقريبها من الشريحة، ويكون ضبط الصورة بتحريك الشيئية لأعلى بعيداً عن الشريحة.


7.    يحتاج ضبط الصورة بالعدسة الزيتية لعناية أكبر مما يتخذ في حالة العدسات الشيئية الأخرى، ولكن الطريقة التي تتبع هي في الأساس واحدة.
     تستعمل الشيئية ذات القوة الصغرى في ضبط الجزء المطلوب فحصه ليكون في وسط  مجال الفحص، حيث أن قطر دائرة مجال الفحص في حالة الزيتية أقل كثيراً مما في حالة الشيئيتين الجافتين. أرفع أنبوبة المجهر لأعلى ثم أدر القطعة الأنفية حتى تثبت الزيتية في وضعها تماماً، ثم ضع نقطة من زيت الغمس فوق المرئي أعلى الشريحة في المكان المتوقع أن تغمس فيه العدسة، ومع ملاحظة الشيئية بالعين من جانب المجهر أخفض بحذر الأنبوبة حتى تنغمس الزيتية في قطرة الزيت على أن تكون حذراً بحيث لا تلمس الشيئية الشريحة. ستظهر الصورة بسرعة لأن مسافة تشغيل الزيتية صغيرة نسبياً. بمجرد ظهور الصورة أستعمل الضابط الدقيق وعدل الإضاءة بإستخدام الحجاب لتحصل على أوضح صورة.
      إذا وجدت صعوبة في رؤية الصورة، حرك ضابط المسرح أثناء ضبط الصورة، إذا إن تلك الحركة ستسهل رؤية الصورة عندما تكون في البعد البؤري.
      وفي كل مرة عقب الإنتهاء من الفحص بالزيتية نظف الزيت الموجود على العدسة بورق تنظيف العدسات، حتى تعود العدسة إلى حالتها الأولى.

إحتياطات خاصة: Special Precaution
      للمحافظة على نظافة المجهر وعلى عدساته يراعى الآتي:
1.    لا تلمس العدسات بأصبعك حتى لا تعلوها سحابة تمنع وضوح الرؤية. وأذا اتسخت العدسات إمسحها برفق بالورق الخاص بتنظيف العدسات.
2.    لا تترك الشريحة على المجهر أبداً بعد الإستعمال.
3.    أمسح دائماً الزيت من على العدسة بعد الإستعمال، وإذا ما وصل الزيت للعدسات الشيئية الأخرى، أمسحه بسرعة بورق تنظيف العدسات. أما إذا جفّ الزيت على العدسة، فيزال بورق تنظيف العدسات المبلل قليلاً بالزيلول، مع مراعاة أن كثرة الزيلول قد تسبب إذابة المواد اللاصقة للعدسات المكبرة فتسبب تلف العدسة الشيئية.
4.    يجب أن يحتفظ المجهر نظيفاً وجافاً على الدوام، فإذا ما سكب أي سائل ، يجفف المسرح بقطعة خاصة من القماش غير وبرية نظيفة، وتزال آثار الزيت من على المسرح بقطعة قماش ناعمة نظيفة مبللةبالزيلول، ثم ينظف المسرح ويجفف.
5.    أثناء الفحص بالعدسة الزيتية لا تمل المجهر، حتى يسيل الزيت إلى أسفل حيث تصعب إزالته، أو يتساقط داخل المكثف، ويتصلب.
6.    عند عدم إستعمال المجهر، إحتفظ به مغطى وفي داخل صندوقه.
لتجنب كسر المجهر يراعى اللآتي:
1.    لا تستخدم القوة في تشغيل المجهر، فكل أجزائه يجب أن تعمل بسهولة ويسر. وإذا ما لاحظت أن أي جزء بالمجهر لا يعمل كما يجب، فلا تحاول أن تعالج ذلك بنفسك بل عليك أن تبلغ على الفور المشرف على المختبر.
2.    لا تدع العدسة الشيئية تلمس الشريحة أو غطاء الشريحة أبداً.
3.    لا تحرك أبداً أنبوبة المجهر لأسفل بالضابط التقريبي أثناء نظرك خلال المجهر.
4.    لا تبدل أبداً العدسات الشيئية، أو العينية بين المجاهر المختلفة، ولا تفك تحت أي ظرف من الظروف العدسات الأمايمية للشيئية.
5.    إحتفظ بالمجهر في صندوقه الخاص عند عدم الإستعمال، وعليك قبل حفظ المجهر في صندوقه أن تدبر القطعة الأنفية لتكون الشيئية ذات القوة الصغرى في موضعها، على أن تتأكد من أن المسرح الميكانيكي المتحرك (المسرح الإضافي) لا يمتد بعد نهاية حافة المجهر.
  
المجهر الإلكتروني: Electron Microscpe
       القدرة التوضيحية للمجهر الضوئي تعتمد على طول الموجة المستخدمة، لذلك نجد أن أقصى قدرة توضيحية للمجهر البصري محددة بأقصى طول موجي من الأشعة المرئية. ولتجاوز هذه العقبة تّم تصميم المجهر الإلكتروني، وذلك لأن الطول الموجي للإلكترونات صغيراً جداً، مما يجعل القرة التوضيحية للمجهر الإلكتروني أكبر بحوالي (1000) مرة.
يوجد نوعان من المجهر الإلكتروني، هما:
1. المجهر الإلكتروني النافذ:   Transmission Electron Microscope(TEM)
2. المجهر الإلكتروني الماسح:Scanning Electron Micrscope(SEM)
       في النوع الأول تعرض العينة كلية للإشعاعاً ينفذ من خلاله ليكون الصورة شاشة العرض
       أما في النوع الثاني فإن كمية قليلة من الإلكترونات تمسح العينة.
للمجهرالإلكتروني عيبان كبيران الأول منهما هو صعوبة تحضير العينة، أما الثاني فهو أنه لا يستطيع دراسة الكائنات الحية مثل الجراثيم والميكروبات.
أجزاء المجهر الإلكتروني ومسار الإلكترونات فيه توضحه الأشكال التالية:




ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق