مجهر التوصيل الأيوني الماسح

المجهر الماسح للتوصيل الأيوني ( SICM ) هو تقنية مجهرية تعتمد على المسح المجهري، وتستخدم قطبًا كهربائيًا كطرف للمسبار. ^{[ 1 ]} يتيح SICM تحديد تضاريس سطح التراكيب التي يتراوح حجمها بين الميكرومتر والنانومتر ^{[ 2 ]} في الأوساط المائية الموصلة للكهرباء. يمكن أن تكون العينات صلبة أو لينة، وهي عمومًا غير موصلة للكهرباء، كما أن طبيعة القياس غير المدمرة تسمح بمراقبة الأنسجة والخلايا الحية، والعينات البيولوجية بشكل عام.

وهي قادرة على رصد التغيرات الحادة في شكل العينات ^{[ 3 ]} ويمكن استخدامها لرسم خريطة صلابة الخلية الحية ^{[ 4 ]} بالتزامن مع تضاريسها التفصيلية، أو لتحديد حركة الخلايا أثناء هجرتها. ^{[ 5 ]}

يُعدّ مجهر التوصيل الأيوني الماسح تقنيةً تعتمد على زيادة مقاومة الوصول في ماصة دقيقة داخل وسط مائي يحتوي على إلكتروليت عند اقترابها من سطح ضعيف التوصيل. يراقب هذا المجهر التيار الأيوني المتدفق داخل وخارج الماصة الدقيقة/النانوية، والذي يضعف إذا كانت طرف الماصة قريبة جدًا من سطح العينة، نظرًا لصغر حجم الفجوة التي يمكن للأيونات أن تتدفق عبرها.

يكون إعداد جهاز SICM بشكل عام كما يلي: يُطبَّق جهد كهربائي بين قطبي Ag/AgCl، أحدهما داخل ماصة زجاجية دقيقة، والآخر في المحلول. يُولِّد هذا الجهد تيارًا أيونيًا بين القطبين، يتدفق داخل وخارج الماصة الدقيقة. تُقاس الموصلية بين القطبين، وتعتمد على تدفق الأيونات.

يتم تنظيم حركات الماصة من خلال المواد الكهروإجهادية .

تُخفَّض الماصة الدقيقة تدريجيًا بالقرب من العينة حتى يبدأ تدفق الأيونات بالانخفاض. عندئذٍ، تنخفض موصلية النظام (وتزداد المقاومة). عندما تصل هذه المقاومة إلى عتبة معينة، تُوقف الماصة ويُسجَّل موضعها. ثم تُحرَّك الماصة (بطرق مختلفة حسب الوضع المستخدم، انظر أدناه) ويُجرى قياس آخر في موضع مختلف، وهكذا. في النهاية، تُتيح مقارنة مواضع جميع القياسات الحصول على صورة تفصيلية لارتفاع العينة.

يتم إيقاف الطرف قبل ملامسة العينة، وبالتالي لا ينحني ولا يتلف السطح المراد فحصه، وهو أحد المزايا الرئيسية لتقنية SICM.

الدائرة المكافئة

المقاومة الكلية للجهاز (Rtot) هي مجموع المقاومات الثلاث: Rb و Rm و Rt. تمثل Rb مقاومة محلول الإلكتروليت بين طرف الماصة الدقيقة والقطب الكهربائي في المحلول. وتمثل Rm مقاومة محلول الإلكتروليت بين القطب الكهربائي في الماصة الدقيقة وطرفها. أما Rt فتمثل مقاومة التيار المار عبر الطرف.

تعتمد قيمتا Rb و Rm على موصلية الإلكتروليت، وموضع وشكل أقطاب Ag/AgCl. أما قيمة Rt فتعتمد على حجم وشكل الفتحة، وعلى المسافة بين رأس المسبار والعينة.

جميع المعلمات باستثناء المسافة بين الطرف والعينة ثابتة ضمن إعداد SICM معين، وبالتالي فإن تغير Rt مع المسافة إلى العينة هو الذي سيتم استخدامه لتحديد تضاريس العينة.

التقريبات المعتادة هي: 1) يتم إهمال انخفاض الجهد على أسطح أقطاب Ag/AgCl، ويفترض أنه ضئيل مقارنة بانخفاض الجهد عند الطرف، وثابت، 2) يتم إهمال حقيقة أن مقاومة الكتلة هي دالة لـ d لأنها تعتمد على المسافة بين الطرف والقطب في الكتلة.

يتميز مجهر المسح الأيوني الموصل (SICM) بدقة أقل من مجهر القوة الذرية (AFM) أو مجهر المسح النفقي (STM) ، اللذين يمكنهما الوصول بشكل روتيني إلى دقة تبلغ حوالي 0.1  نانومتر. تقتصر دقة قياس SICM نظريًا على 1.5 ضعف قطر فتحة رأس المجس ^{[ 7 ]}  ، ولكن القياسات التي أُجريت باستخدام فتحة قطرها 13 نانومتر حققت دقة تتراوح بين 3 و6  نانومتر تقريبًا. ^{[ 2 ]}

يمكن استخدام SICM لتصوير الأسطح ذات التوصيل الضعيف أو غير الموصلة، ^{[ 6 ]} وهو أمر مستحيل باستخدام STM.

في قياسات SICM، لا تلمس طرف الماصة الدقيقة سطح العينة؛ مما يسمح بتصوير العينات الرخوة (الخلايا، العينات البيولوجية، زغابات الخلايا) ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} دون تشوه.

يُستخدم جهاز SICM في محلول يحتوي على إلكتروليت، لذا يمكن استخدامه في الأوساط الفيزيولوجية وتصوير الخلايا والأنسجة الحية، ومراقبة العمليات البيولوجية أثناء حدوثها. ^{[ 10 ]}

في وضع القفز، يكون قادراً على تحديد الملامح ذات المنحدرات الحادة والأخاديد بشكل صحيح.

توجد أربعة أوضاع تصوير رئيسية في SICM: وضع ثابت-z، ووضع التيار المستمر (مسافة ثابتة)، ووضع التيار المتردد، ووضع الاقتراب بالقفز/التراجع/الوقوف.

وضع ثابت z

في وضع الارتفاع الثابت (z)، تُثبَّت الماصة الدقيقة عند ارتفاع ثابت (z) أثناء تحريكها جانبيًا، ويتم رصد المقاومة، حيث تسمح تغيراتها بإعادة بناء تضاريس العينة. هذا الوضع سريع، ولكنه نادر الاستخدام لأنه يعمل فقط على العينات المسطحة جدًا. إذا كانت أسطح العينة خشنة، فإما أن تصطدم الماصة بها، أو تكون بعيدة جدًا بحيث لا يمكن تصوير معظم أجزاء العينة.

وضع التيار المستمر

في وضع التيار المستمر (وضع المسافة الثابتة)، تُخفَّض الماصة الدقيقة باتجاه العينة حتى الوصول إلى مقاومة محددة مسبقًا. ثم تُحرَّك الماصة جانبيًا، وتحافظ حلقة التغذية الراجعة على المسافة من العينة (عبر قيمة المقاومة). يحدد موضع الماصة على المحور z تضاريس العينة. لا يكشف هذا الوضع عن المنحدرات الحادة في العينة، وقد يلامسها في مثل هذه الحالات، كما أنه عرضة لانحراف القطب.

وضع التيار المتردد

في وضع التيار المتردد، تتذبذب الماصة الدقيقة عموديًا بالإضافة إلى حركتها المعتادة. عندما تكون الماصة بعيدة عن السطح، يكون التيار الأيوني ثابتًا، وبالتالي تكون المقاومة ثابتة، مما يؤدي إلى خفض الماصة. بمجرد أن تبدأ المقاومة بالتذبذب، تعمل سعة التذبذب كآلية تغذية راجعة لتعديل موضع الماصة حتى الوصول إلى سعة محددة مسبقًا. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تزداد استجابة مكون التيار المتردد بشكل حاد أكثر من التيار المستمر، مما يسمح بتسجيل عينات أكثر تعقيدًا.

وضع القفز

في وضعية القفز (أو الخطوة الخلفية أو الاقتراب الثابت)، تُخفض الماصة الدقيقة نحو العينة حتى الوصول إلى مقاومة محددة، ثم يُسجل الارتفاع. بعد ذلك، تُسحب الماصة للخلف، وتُحرك جانبياً، ويُجرى قياس آخر، وتُكرر العملية. وبذلك، يُمكن إعادة بناء تضاريس العينة.

يُعدّ نمط القفز أبطأ من الأنماط الأخرى، ولكنه قادر على تصوير التضاريس المعقدة وحتى الخلايا بأكملها، دون تشويه سطح العينة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

استُخدمت تقنية التصوير المجهري الأيوني الماسح (SICM) لتصوير خلية عصبية حية من دماغ فأر، ^{[ 5 ]} وتحديد دورة حياة الزغيبات الدقيقة، ^{[ 8 ]} ومراقبة حركة المركبات البروتينية في الحيوانات المنوية. ^{[ 2 ]}

تم دمج تقنية SICM مع المجهر الفلوري ^{[ 2 ]} ونقل طاقة رنين فورستر . ^{[ 13 ]}

تم استخدام تقنية SICM في تقنية "التثبيت الذكي للرقعة"، حيث يتم تثبيت الماصة بالشفط على سطح الخلية ثم مراقبة نشاط قنوات الصوديوم في غشاء الخلية. ^{[ 14 ]}

وقد تمكن الجمع بين تقنيتي المجهر الذري الماسح (AFM) والمجهر الأيوني الماسح (SICM) من الحصول على صور عالية الدقة للأغشية الاصطناعية في المحاليل الأيونية. ^{[ 15 ]}

استُخدمت تقنية المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب مع مجهر المسح الأيوني الموصل (SICM)؛ حيث سمحت قياسات SICM بوضع طرف الماصة بالقرب من سطح العينة. وتوفر الجسيمات الفلورية، المنبعثة من داخل الماصة الدقيقة، مصدرًا ضوئيًا لمجهر المسح الضوئي الماسح للمجال القريب، والذي يتم تجديده باستمرار ويمنع التلاشي الضوئي . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تم تطوير FSICM ^{[ 18 ]} (Fast SICM) مؤخرًا، مما أدى إلى تحسين سرعة وضع القفز بشكل ملحوظ.