فینمن به منظـور دسـتیابی بـه قابلیت مشـاهده فعالیت های زیسـتی، از فیزیکدانان درخواسـت نمود تا میکروسـکوپ های الکترونـی بهتـری طراحـی کننـد. بـا وجـودی کـه امـروزه دسـتیابی بـه تصاویـری بـا وضـوح یـا قـدرت تفکیک پذیـری اتمـی امـکان پذیـر بـوده امـا بـه دلیـل آسـیب رسـاندن پرتـو الکترونـی بـه نمونه هـای حسـاس نظیـر: پلیمرهـا یـا تـک پروتئین ها، هنـوز تهیـه تصاویـری بـا قـدرت تفکیک پذیـری بـالا از نمونه هـای ذکـر شـده با مشـکلات فراوانـی روبرو اسـت. در ایـن مقاله بـا اسـتفاده از شبیه سـازی نشـان داده می شـود کـه چگونه بـدون میانگین گیـری از سـاختارهای درون چندین تصویـر پیاپی و تنهـا بـا بهره گیـری از پروتـکل اندازه گیـری چندگذری سـاده در میکروسـکوپ الکترونی عبـوری می توان با حداقـل صدمه و قـدرت تفکیک پذیـری بـالا از تـک پروتئین هـا تصویربـرداری نمـود. در ایـن مقالـه، روش چنـد گـذری بـرای تصویربـرداری از اهدافـی خـاص بررسـی شده اسـت امـا از آن می توان به طـور گسـترده بـرای ارتقـای قـدرت تفکیک پذیـری و حساسـیت انـواع مختلـف حالات تصویربـرداری بـا کمک میکروسـکوپ الکترونی نظیـر تصویربرداری روبشـی و طیف نگاری اسـتفاده نمـود. ایـن رویکـرد در واقـع روش بهینـه مکانیکـی - کوانتومـی بـوده که در شـرایط ایـده آل بـدون برخـورد و تعامـل در نظـر گرفتـه می شـود. امـا در عمـل، کاهش دادن مرتبه بزرگی فرایند آسـیب در قـدرت تفکیک پذیری مشـابه امکان پذیر اسـت.
تنها تعداد محدودی از الکترون ها پیش از آسیب دیدن ساختار مورد نظر قادر به پروب نمونه زیستی هستند. این امر به همراه آمار شمارش الکترون (نویز ضربه ای) منجر به وقوع نسبت متناهی سیگنال به نویز (S/N ) و تفکیک پذیری مکانی محدود به حداکثر دوز الکترون مجاز مربوط به نمونه (به جای کیفیت نورشناسی الکترونی) می شود. هنگام تصویربرداری از پروتئین ها با میکروسکوپ الکترونی عبوری کرایو درصورت وجود شرایط ایده آل حداکثر تفکیک پذیری مکانی قابل دسترس برابر با 2nm است. به طور مرسوم برای بازسازی مدل یک پروتئین در تفکیک پذیری اتمی باید از هزاران تصویر تهیه شده از تک پروتئین میانگین گرفت. این فرایند علاوه بر وقت گیر بودن و درصد خطای بالا، به صورت معمول فرض را بر این گذاشته که تمام پروتئین هایی که تصاویرشان تهیه شده دارای ساختاری یکسان هستند. اجرای روش های میانگین گیری برای پلیمرها، مولکول های آلی ناهمگن و ماده نرم حساس به پرتو نامتناوب امکان پذیر نیست. در تحقیق پیشین تمرکز اصلی به سمت دستیابی به تفکیک پذیری با دوز محدود تعیین شده با استفاده از نویز ضربه ای و دوز بحرانی نمونه معطوف شده بود. در میکروسکوپ های الکترونی عبوری تعیین شده مدرن محدودیت تفکیک پذیری مکانی فرایندهای طیف سنجی و تصویربرداری به جای نورشناسی الکترونی به آسیب تابشی مربوط می شود. اخیرا پیشرفت قابل توجهی در زمینه آشکارسازهای نوین، عناصر نوری الکترونی و روش های آماده سازی نمونه انجام شده است. به زودی دسترسی به DLR مرسوم بهینه شده نیز امکان پذیر خواهد بود. نمونه های زیستی در میکروسکوپ الکترونی عبوری به عنوان اشیائی با فاز ضعیف در نظر گرفته می شوند. انجمن اندازه گیری کوانتومی حساسیت دسترسپذیر در فرایندهای اندازه گیری فاز را مورد بررسی قرار داده است. حداقل خطای اندازه گیری دسترس پذیر با استفاده از ذرات پروب ناهمبسته برابر با N/1√ است؛ که در آن: N نماینده تعداد برخورد و تعاملات نمونه - ذره پروب است. با استفاده از ذرات همبسته می توان بر محدودیت نویز ضربه ای غلبه نمود و خطای مورد نظر را نیز به 1/N کاهش داد (محدودیت هایزنبرگ). فوتون های به اندازه کافی درهم تنیده این همبستگی های مورد نیاز را فراهم می آورند. از این روش در میکروسکوپ های نوری استفاده شده است . در اینجا باید به دشوار بودن فرایند ایجاد این حالت های درهم تنیده اشاره نمود. در ضمن، حالت های N00N نیز به ماهیت بوزونیک فوتون ها وابسته هستند. در تئوری میتوان سیستمهای درهم تنیده (ترکیبی) که با استفاده از فرمیون ها دستیابی به محدودیت هایزنبررگ را امکانپذیر ساخته را بررسی نمود. اما اجرای این سیستمها در عمل دشوار است. یکی دیگر از روش های پیشنهادی برای دستیابی به محدودیت ذکر شده، استفاده از تعامل یا برخورد چند مرتبه ای یک ذره پروب با شئ فازی است. درصورت وجود تعداد معینی از برخوردهای نمونه - ذره پروب میتوان این روش را به عنوان رویکردی بهینه برای اندازه گیری در نظر گرفت. این روش با استفاده از حفره های تصویرسازی خودکار درون میکروسکوپهای نوری میدان کامل بکار برده شده است. در این مقاله با استفاده از شبیه سازی های مختلف نشان داده می شود که پروتکل چند گذری قادر به افزایش حساسیت و تفکیک پذیری مکانی میکروسکوپ الکترونی عبوری با دوز محدود است. شبیه سازی های تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری چند گذری تهیه شده از ساختارهای پروتئین قرار گرفته درون محیط یخ شیشه ای نشانگر بهینه سازی مرتبه بزرگی در آزمایش های انجام گرفته با میکروسکوپ الکترونی عبوری کرایو است. با استفاده از شبیه سازی های تصاویر گرافن تک لایه نیز محدودیت های روش چند گذری شرح داده میشود.
این مقاله در شماره 22 «فصلنامه تخصصی دانش آزمایشگاهی ایران»، تابستان 1397 منتشر شده است.