المجهر ذو التباين الطوري

المجهر ذو التباين الطوري (PCM) هو تقنية مجهرية ضوئية تحول تغيرات الطور في الضوء المار عبر عينة شفافة إلى تغيرات في سطوع الصورة. تغيرات الطور نفسها غير مرئية، ولكنها تصبح مرئية عند عرضها على شكل تغيرات في السطوع.

عندما تنتقل الموجات الضوئية عبر وسط غير الفراغ ، يتسبب تفاعلها مع هذا الوسط في تغير سعة الموجة وطورها تبعًا لخصائص ذلك الوسط. وتنشأ تغيرات السعة (السطوع) من تشتت الضوء وامتصاصه، وهو ما يعتمد غالبًا على الطول الموجي وقد يُنتج ألوانًا. لا تستطيع أجهزة التصوير والعين البشرية رصد سوى تغيرات السعة، ولذلك، وبدون ترتيبات خاصة، تكون تغيرات الطور غير مرئية. ومع ذلك، غالبًا ما تحمل تغيرات الطور معلومات مهمة.

يُعدّ المجهر ذو التباين الطوري ذا أهمية بالغة في علم الأحياء، إذ يكشف عن العديد من التراكيب الخلوية التي لا تُرى بالمجهر ذي المجال المضيء ، كما هو موضح في الشكل. وقد كان علماء المجهر السابقون يُظهرون هذه التراكيب عن طريق التلوين ، لكن ذلك كان يتطلب تحضيرًا إضافيًا وموت الخلايا. وقد مكّن المجهر ذو التباين الطوري علماء الأحياء من دراسة الخلايا الحية وكيفية تكاثرها من خلال الانقسام الخلوي . وهو من الطرق القليلة المتاحة لتحديد كمية التركيب الخلوي ومكوناته دون استخدام التألق . ^{[ 1 ]} بعد اختراعه في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، ^{[ 2 ]} أثبت المجهر ذو التباين الطوري أنه نقلة نوعية في علم المجهر، لدرجة أن مخترعه فريتس زيرنيكه مُنح جائزة نوبل في الفيزياء عام 1953. ^{[ 3 ]} أما كارولين بليكر ، التي صنعت هذا المجهر، فغالبًا ما يُغفل ذكر اسمها.

إن المبدأ الأساسي لجعل تغيرات الطور مرئية في المجهر ذي التباين الطوري هو فصل الضوء المضيء (الخلفية) عن الضوء المتناثر من العينة (الذي يشكل تفاصيل المقدمة) والتعامل مع هذه بشكل مختلف.

يُركّز المكثف الضوءَ المُضيءَ الحلقيّ الشكل (المُوضّح باللون الأخضر في الشكل) الذي يمرّ عبر حلقة المكثف على العينة. يتشتت جزء من هذا الضوء بواسطة العينة (باللون الأصفر). أما الجزء المتبقي فلا يتأثر بالعينة، ويُشكّل ضوء الخلفية (باللون الأحمر). عند فحص عينة بيولوجية غير مصبوغة، يكون الضوء المتشتت ضعيفًا، وعادةً ما يكون مُزاحًا طوريًا بمقدار -90° (نتيجةً لكلٍّ من سُمك العينات واختلاف معامل الانكسار بين النسيج البيولوجي والوسط المحيط) بالنسبة لضوء الخلفية. يؤدي هذا إلى تقارب شدة إضاءة المقدمة (المتجه الأزرق في الشكل المُرفق) والخلفية (المتجه الأحمر)، مما ينتج عنه تباين منخفض في الصورة .

في المجهر ذي التباين الطوري، يُحسَّن تباين الصورة بطريقتين: الأولى، عن طريق توليد تداخل بناء بين أشعة الضوء المتناثرة وأشعة الضوء الخلفية في مناطق مجال الرؤية التي تحتوي على العينة، والثانية، عن طريق تقليل كمية ضوء الخلفية التي تصل إلى مستوى الصورة. ^{[ 4 ]} أولًا، يُزاح طور ضوء الخلفية بمقدار -90° بتمريره عبر حلقة إزاحة الطور، مما يُزيل فرق الطور بين ضوء الخلفية وأشعة الضوء المتناثرة.

عند تركيز الضوء على مستوى الصورة (حيث توضع الكاميرا أو العدسة العينية)، يتسبب هذا الإزاحة الطورية في تداخل تداخلاً بناءً بين ضوء الخلفية وأشعة الضوء المتناثرة القادمة من مناطق مجال الرؤية التي تحتوي على العينة (أي المقدمة) ، مما يؤدي إلى زيادة سطوع هذه المناطق مقارنةً بالمناطق الخالية من العينة. بعد ذلك، يتم خفض سطوع الخلفية بنسبة تتراوح بين 70% و90% باستخدام حلقة مرشح الكثافة المحايدة ؛ تعمل هذه الطريقة على زيادة كمية الضوء المتناثر الناتج عن ضوء الإضاءة، مع تقليل كمية ضوء الإضاءة التي تصل إلى مستوى الصورة. سيتم إزاحة طور بعض الضوء المتناثر الذي يُضيء سطح المرشح بالكامل وخفض سطوعه بواسطة الحلقات، ولكن بدرجة أقل بكثير من ضوء الخلفية الذي يُضيء فقط حلقات إزاحة الطور ومرشح الكثافة المحايدة.

يصف ما سبق تباين الطور السلبي . أما في شكله الإيجابي ، فيتم إزاحة طور ضوء الخلفية بمقدار +90°. وبالتالي، سيكون ضوء الخلفية متأخرًا في الطور بمقدار 180° عن الضوء المتشتت. ثم يُطرح الضوء المتشتت من ضوء الخلفية لتكوين صورة ذات مقدمة داكنة وخلفية فاتحة، كما هو موضح في الشكل الأول. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

أدى نجاح مجهر التباين الطوري إلى ظهور عدد من طرق التصوير الطوري اللاحقة . في عام 1952، حصل جورج نومارسكي على براءة اختراع لما يُعرف اليوم بمجهر التباين التفاضلي التداخلي (DIC) . ^{[ 8 ]} يُحسّن هذا المجهر التباين عن طريق إنشاء ظلال اصطناعية، كما لو كان الجسم مُضاءً من الجانب. إلا أن مجهر DIC غير مناسب عندما يتغير استقطاب الجسم أو وعائه. مع تزايد استخدام الأوعية البلاستيكية المستقطبة في بيولوجيا الخلية، يتم استبدال مجهر DIC تدريجيًا بمجهر تباين تعديل هوفمان ، الذي اخترعه روبرت هوفمان عام 1975. ^{[ 9 ]}

تعمل طرق تباين الطور التقليدية على تحسين التباين بصريًا، حيث تدمج معلومات السطوع والطور في صورة واحدة. منذ ظهور الكاميرا الرقمية في منتصف التسعينيات، طُوّرت عدة طرق جديدة للتصوير الرقمي بالطور، تُعرف مجتمعةً باسم مجهر تباين الطور الكمي . تُنشئ هذه الطرق رقميًا صورتين منفصلتين: صورة حقل ساطع عادية، وصورة تُسمى صورة إزاحة الطور . في كل نقطة من الصورة، تُظهر صورة إزاحة الطور إزاحة الطور الكمية الناتجة عن الجسم، والتي تتناسب مع سُمكه البصري . ^{[ 10 ]} وبهذه الطريقة، يُمكن لقياس المجال البصري المُصاحب معالجة تشوهات الهالة المرتبطة بتباين الطور التقليدي، وذلك عن طريق حل مسألة عكسية بصرية لإعادة بناء جهد التشتت للجسم حسابيًا. ^{[ 11 ]}

• تصوير الخلايا الحية
• التصوير بالتباين الطوري
• التصوير بالأشعة السينية بتقنية تباين الطور

• مقدمة في المجهر الضوئي - مجهر التباين الطوري ، جامعة ولاية فلوريدا
• مجاهر التباين الطوري ومجاهر الحقل المظلم (جامعة باريس الجنوبية)
• يجب على قطع غيار المجهر أن تعرف ذلك.