Prednosti elektronske mikroskopije naspram svjetlosne mikroskopije
Sličnosti i razlike načela snimanja optičkim mikroskopom elektronskog mikroskopa
Elektronski mikroskop je instrument koji zamjenjuje svjetlosni snop i optičku leću elektronskim snopom i elektronskom lećom prema principu elektronske optike, tako da se fina struktura materije može prikazati pod vrlo velikim povećanjem.
Moć razlučivosti elektronskog mikroskopa izražava se malom udaljenošću između dviju susjednih točaka koju može razlučiti. Godine 1970, transmisijski elektronski mikroskopi imali su razlučivost od oko 0,3 nanometara (ljudsko oko ima moć razlučivosti od oko 0,1 milimetar). Sada je maksimalno povećanje elektronskog mikroskopa više od 3 milijuna puta, a maksimalno povećanje optičkog mikroskopa je oko 2000 puta, tako da se atomi određenih teških metala i uredno raspoređena atomska rešetka u kristalima mogu izravno promatrati kroz elektronski mikroskop.
Godine 1931. Knorr-Bremse i Ruska u Njemačkoj modificirali su visokonaponski osciloskop s izvorom elektrona s hladnim katodnim izbojem i tri elektronske leće te dobili više od deset puta uvećanu sliku, čime je potvrđena mogućnost povećanja slike elektronskim mikroskopom. . . Godine 1932., nakon Ruskinog usavršavanja, moć razlučivosti elektronskog mikroskopa dosegla je 50 nanometara, što je bilo desetak puta više od moći razlučivosti tadašnjeg optičkog mikroskopa, pa je elektronski mikroskop počeo privlačiti pozornost ljudi.
Godine 1940, Hill u Sjedinjenim Američkim Državama kompenzirao je rotacijsku asimetriju elektronske leće astigmatikom, što je učinilo novi proboj u moći razlučivosti elektronskog mikroskopa i postupno dosegnulo modernu razinu. U Kini je 1958. godine uspješno razvijen transmisijski elektronski mikroskop razlučivosti 3 nanometra, a 1979. napravljen je veliki elektronski mikroskop razlučivosti 0,3 nanometra.
Iako je moć razlučivosti elektronskih mikroskopa daleko bolja od one optičkih mikroskopa, teško je promatrati žive organizme jer elektronski mikroskopi moraju raditi u vakuumskim uvjetima, a zračenje elektronskih zraka također će uzrokovati radijacijsko oštećenje bioloških uzoraka. Ostala pitanja, poput poboljšanja svjetline elektronskog topa i kvalitete elektronske leće, također je potrebno dodatno proučiti.
Moć razlučivosti je važan pokazatelj elektronskog mikroskopa, koji je povezan s kutom upadnog stošca i valnom duljinom elektronske zrake koja prolazi kroz uzorak. Valna duljina vidljive svjetlosti je oko 300 do 700 nanometara, dok je valna duljina snopa elektrona povezana s naponom ubrzanja. Kada je ubrzavajući napon 50-100 kV, valna duljina snopa elektrona je oko 0.0053-0.0037 nm. Budući da je valna duljina elektronskog snopa mnogo manja od valne duljine vidljive svjetlosti, čak i ako je kut stošca elektronskog snopa samo 1 posto kuta optičkog mikroskopa, moć razlučivosti elektronskog mikroskopa još uvijek je daleko bolja od optičkog mikroskopa.
Elektronski mikroskop se sastoji od tri dijela: tubus leće, vakuumski sustav i ormarić za napajanje. Cijev objektiva uglavnom uključuje elektronski top, elektronsku leću, držač uzorka, fluorescentni zaslon i mehanizam kamere, koji su obično sastavljeni u cilindar od vrha prema dolje; vakuumski sustav se sastoji od mehaničke vakuumske pumpe, difuzijske pumpe i vakuumskog ventila, itd. Plinski cjevovod je povezan s cijevi leće; ormar za napajanje sastoji se od visokonaponskog generatora, stabilizatora uzbudne struje i raznih jedinica za podešavanje i upravljanje.
Elektronska leća je važan dio cijevi elektronskog mikroskopa. Koristi prostorno električno polje ili magnetsko polje simetrično u odnosu na os bačve za savijanje putanje elektrona prema osi radi formiranja fokusa. Njegova je funkcija slična funkciji staklene konveksne leće da fokusira zraku, pa se naziva elektronska leća. . Većina modernih elektronskih mikroskopa koristi elektromagnetske leće, koje fokusiraju elektrone pomoću jakog magnetskog polja koje stvara vrlo stabilna istosmjerna pobudna struja kroz zavojnicu s polom.
Elektronski top je komponenta koja se sastoji od vruće katode od volframove niti, rešetke i katode. Može emitirati i formirati snop elektrona ravnomjernom brzinom, tako da stabilnost napona ubrzanja nije manja od 1/10, 000.
Elektronske mikroskope možemo podijeliti na transmisijske elektronske mikroskope, skenirajuće elektronske mikroskope, refleksijske elektronske mikroskope i emisijske elektronske mikroskope prema svojoj strukturi i upotrebi. Transmisijski elektronski mikroskopi često se koriste za promatranje onih finih materijalnih struktura koje se ne mogu razlikovati običnim mikroskopima; skenirajući elektronski mikroskopi uglavnom se koriste za promatranje morfologije čvrstih površina, a također se mogu kombinirati s difraktometrima X-zraka ili spektrometrima elektronske energije za stvaranje elektrona. Mikrosonde za analizu sastava materijala; Emisijska elektronska mikroskopija za proučavanje samoemitirajućih površina elektrona.
Projekcijski elektronski mikroskop dobio je ime po tome što elektronska zraka prodire kroz uzorak, a zatim koristi elektronsku leću za slikanje i povećanje. Njegov optički put je sličan onom optičkog mikroskopa. U ovom elektronskom mikroskopu, kontrast detalja slike nastaje raspršivanjem elektronske zrake na atomima uzorka. Tanji ili manje gusti dijelovi uzorka, elektronski snop se manje raspršuje, pa više elektrona prolazi kroz otvor objektiva, sudjeluje u slikanju i na slici izgleda svjetlije. Nasuprot tome, deblji ili gušći dijelovi uzorka izgledaju tamnije na slici. Ako je uzorak predebeo ili pregust, kontrast slike će se pogoršati ili čak biti oštećen ili uništen apsorbiranjem energije elektronskog snopa.
Vrh cijevi prijenosnog elektronskog mikroskopa je elektronski top, elektrone emitira vruća katoda od volframove niti, prolaze kroz laser, a druge dvije kondenzatorske leće fokusiraju elektronski snop. Nakon prolaska kroz uzorak, snop elektrona se prikazuje na srednjem zrcalu pomoću leće objektiva, a zatim se povećava korak po korak kroz srednje zrcalo i projekcijsko zrcalo, a zatim se prikazuje na fluorescentnom ekranu ili fotografskoj suhoj ploči.
Srednje ogledalo uglavnom prilagođava struju pobude, a povećanje se može kontinuirano mijenjati od desetaka puta do stotina tisuća puta; promjenom žarišne duljine srednjeg zrcala mogu se dobiti slike elektronskog mikroskopa i elektronske difrakcijske slike na sitnim dijelovima istog uzorka. . Za proučavanje debljih uzoraka metalnih kriški, francuski Dulos Electron Optics Laboratory je razvio elektronski mikroskop ultravisokog napona s naponom ubrzanja od 3500 kV. Shema strukture skenirajućeg elektronskog mikroskopa
Elektronska zraka skenirajućeg elektronskog mikroskopa ne prolazi kroz uzorak, već samo skenira površinu uzorka kako bi pobudila sekundarne elektrone. Scintilacijski kristal postavljen pored uzorka prima te sekundarne elektrone i modulira intenzitet elektronskog snopa slikovne cijevi nakon pojačanja, čime se mijenja svjetlina na ekranu slikovne cijevi. Otklonski jaram slikovne cijevi nastavlja skenirati sinkrono sa snopom elektrona na površini uzorka, tako da fluorescentni zaslon slikovne cijevi prikazuje topografsku sliku površine uzorka, što je slično principu rada industrijske televizije.
Razlučivost skenirajućeg elektronskog mikroskopa uglavnom je određena promjerom elektronske zrake na površini uzorka. Povećanje je omjer amplitude skeniranja na slikovnoj cijevi i amplitude skeniranja na uzorku, koji se može kontinuirano mijenjati od nekoliko desetaka puta do stotina tisuća puta. Pretražni elektronski mikroskop ne zahtijeva vrlo tanke uzorke; slika ima snažan trodimenzionalni učinak; može analizirati sastav materije koristeći informacije kao što su sekundarni elektroni, apsorbirani elektroni i X-zrake nastale interakcijom elektronskih zraka s materijom.
Elektronski top i kondenzator skenirajućeg elektronskog mikroskopa otprilike su isti kao i kod transmisionog elektronskog mikroskopa, ali kako bi se elektronski snop učinio tanjim, objektivna leća i astigmatist dodani su ispod kondenzora, te dva seta skenirajućih elektrona koji su međusobno okomiti ugrađeni su unutar leće objektiva. zavojnica. Komora za uzorke ispod leće objektiva sadrži postolje za uzorke koje se može pomicati, okretati i naginjati.
