المجهر الإلكتروني في الطور السائل

يشير المجهر الإلكتروني في الطور السائل (LP-EM) إلى فئة من الطرق المستخدمة لتصوير العينات في السوائل بدقة مكانية نانومترية باستخدام المجهر الإلكتروني . يتغلب LP-EM على القيد الرئيسي للمجهر الإلكتروني: بما أن بصريات الإلكترون تتطلب فراغًا عاليًا، يجب أن تكون العينة مستقرة في بيئة الفراغ. مع ذلك، فإن العديد من أنواع العينات ذات الصلة بعلم الأحياء، وعلوم المواد، والكيمياء، والجيولوجيا، والفيزياء، تُغير خصائصها عند وضعها في الفراغ.

لطالما كان فحص العينات السائلة، وخاصةً تلك التي تحتوي على الماء، باستخدام المجهر الإلكتروني هدفًا مرغوبًا منذ بدايات هذا المجال ^{[ 1 ]،} إلا أن الصعوبات التقنية حالت دون تحقيق دقة عالية في المحاولات المبكرة. ^{[ 2 ]} يوجد نهجان أساسيان لتصوير العينات السائلة: الأول هو الأنظمة المغلقة، والتي يُشار إليها غالبًا باسم المجهر الإلكتروني ذي الخلية السائلة (LC EM)، والثاني هو الأنظمة المفتوحة، والتي تُعرف أيضًا بالأنظمة البيئية. في الأنظمة المغلقة، تُستخدم نوافذ رقيقة مصنوعة من مواد مثل نتريد السيليكون أو الجرافين لحصر السائل ووضعه في فراغ المجهر. وقد شاع استخدام الخلايا المغلقة في العقد الماضي بفضل توفر تقنية تصنيع النوافذ الدقيقة الموثوقة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} ويُعدّ الجرافين من أرقّ النوافذ الممكنة. ^{[ 5 ]} أما أقدم نظام مفتوح انتشر استخدامه على نطاق واسع فهو المجهر الإلكتروني الماسح البيئي (ESEM) لعينات سائلة موضوعة على منصة مبردة داخل حجرة مفرغة تحتوي على ضغط بخار خلفي. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يمكن أيضًا دراسة السوائل ذات ضغط البخار المنخفض، مثل السوائل الأيونية، في أنظمة مفتوحة. ^{[ 8 ]} طُوِّرت أنظمة المجهر الإلكتروني ذي الضغط المنخفض (LP-EM)، بنوعيها المفتوح والمغلق، لجميع أنواع المجهر الإلكتروني الرئيسية الثلاثة، وهي: المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، والمجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). ^{[ 9 ]} كما طُوِّرت أجهزة تجمع بين المجهر الإلكتروني الماسح في الطور السائل والمجهر الضوئي. ^{[ 10 ] [ 11 ]} جُمِعَت الملاحظة المجهرية الإلكترونية في السوائل مع طرق تحليلية أخرى، مثل القياسات الكهروكيميائية ^{[ 3 ]} ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). ^{[ 12 ]}

تكمن فائدة المجهر الإلكتروني ذي الضغط المنخفض في قدرته على دراسة العينات التي لا تتحمل الفراغ، أو دراسة خصائص المواد والتفاعلات التي تتطلب ظروفًا سائلة. ومن أمثلة القياسات التي تتيحها هذه التقنية: نمو الجسيمات النانوية المعدنية أو الهياكل في السوائل، ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]،} وتغيرات المواد أثناء دورات شحن وتفريغ البطاريات، ^{[ 8 ] [ 17 ] [ 18 ]،} والعمليات الكهروكيميائية مثل ترسيب المعادن، ^{[ 3 ]} وديناميكيات الأغشية الرقيقة من الماء وعمليات الانتشار، ^{[ 19 ]} وعمليات التمعدن الحيوي، ^{[ 20 ]} وديناميكيات البروتينات وبنيتها، ^{[ 21 ] [ 22 ]} وتحديد موقع جزيئات البروتينات الغشائية في خلايا الثدييات، ^{[ 4 ] [ 23 ]} وتأثير الأدوية على المستقبلات في الخلايا السرطانية. ^{[ 24 ]}

يمكن تحقيق دقة مكانية تصل إلى نطاق دون النانومتر، وتعتمد على تركيب العينة وبنيتها وسماكتها، وأي مواد نافذة موجودة، وحساسية العينة لجرعة الإلكترونات اللازمة للتصوير. ^{[ 9 ]} ويمكن الحصول على دقة نانومترية حتى في طبقات الماء التي لا تتجاوز سماكتها الميكرومترات عند استخدام المجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) لتصوير المواد النانوية ذات العدد الذري العالي. ^{[ 4 ] [ 25 ]} وقد وُجد أن الحركة البراونية منخفضة للغاية مقارنةً بالسوائل السائبة. ^{[ 26 ]} كما يُمكن الكشف باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) في المجهر الإلكتروني الماسح البيئي (ESEM) لتصوير المواد النانوية والخلايا البيولوجية في السوائل. ^{[ 27 ] [ 23 ]} ومن الجوانب المهمة في المجهر الإلكتروني ذي الخط الموجب (LP EM) تفاعل حزمة الإلكترونات مع العينة ^{[ 28 ]} ، حيث تُحفز حزمة الإلكترونات سلسلة معقدة من التفاعلات الإشعاعية في الماء. ^{[ 29 ]} ومع ذلك، فقد أسفر التحليل الكمي لبيانات المجهر الإلكتروني ذي الخط الموجب (LP EM) عن معلومات فريدة في مجموعة من المجالات العلمية. ^{[ 30 ] [ 31 ]}