Prednosti elektronske mikroskopije u odnosu na optičku mikroskopiju
Elektronski mikroskop Optički mikroskop Načelo snimanja Sličnosti i razlike
Elektronski mikroskop je instrument koji koristi elektronske zrake i elektronske leće umjesto svjetlosnih zraka i optičkih leća za prikaz finih struktura tvari pri vrlo velikim povećanjima na temelju principa elektronske optike.
Moć razlučivosti elektronskog mikroskopa predstavlja mala udaljenost između dviju susjednih točaka koju može razlučiti. Godine 1970, transmisijski elektronski mikroskopi imali su razlučivost od oko 0,3 nanometara (moć razlučivosti ljudskog oka je oko 0,1 milimetar). Sada maksimalno povećanje elektronskog mikroskopa prelazi 3 milijuna puta, dok je maksimalno povećanje optičkog mikroskopa oko 2000 puta, pa se atomi nekih teških metala i uredno posložene atomske rešetke u kristalu mogu izravno promatrati kroz elektronski mikroskop. .
Godine 1931. Knorr-Bremse i Ruska iz Njemačke ponovno su opremili visokonaponski osciloskop s izvorom elektrona s hladnim katodnim pražnjenjem i tri elektronske leće, te su dobili sliku uvećanu više od deset puta, što je potvrdilo mogućnost povećanja slike pomoću elektronskog mikroskopa. Godine 1932., nakon Ruskinog poboljšanja, moć razlučivosti elektronskog mikroskopa dosegla je 50 nanometara, oko deset puta više od moći razlučivosti optičkog mikroskopa u to vrijeme, pa je elektronski mikroskop počeo privlačiti pozornost ljudi.
Godine 1940, Hill u Sjedinjenim Američkim Državama upotrijebio je astigmatizator za kompenzaciju rotacijske asimetrije elektronske leće, što je napravilo novi proboj u moći razlučivosti elektronskog mikroskopa i postupno dosegnulo modernu razinu. U Kini je 1958. godine uspješno razvijen prijenosni elektronski mikroskop s razlučivošću od 3 nanometra, a 1979. godine proizveden je veliki elektronski mikroskop s razlučivošću od 0,3 nanometra.
Iako je moć razlučivosti elektronskog mikroskopa daleko bolja od one optičkog mikroskopa, teško je promatrati žive organizme jer elektronski mikroskop mora raditi u uvjetima vakuuma, a zračenje elektronskog snopa također će uzrokovati biološke uzorke biti oštećen zračenjem. Ostala pitanja, poput poboljšanja svjetline elektronskog topa i kvalitete elektronske leće, također je potrebno dodatno proučiti.
Moć razlučivanja je važan pokazatelj elektronske mikroskopije, koji je povezan s kutom upadnog stošca i valnom duljinom elektronske zrake koja prolazi kroz uzorak. Valna duljina vidljive svjetlosti je oko {{0}} nanometara, dok je valna duljina elektronskih zraka povezana s naponom ubrzanja. Kada je ubrzavajući napon 50-100 kV, valna duljina elektronske zrake je oko 0.0053-0.0037 nanometara. 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 razlučivanja elektronskog mikroskopa još uvijek je daleko bolja od optičkog mikroskopa.
Elektronski mikroskop sastoji se od tri dijela: cijevi leće, vakuumskog sustava i kućišta za napajanje. Cijev objektiva uglavnom uključuje elektronske topove, elektronske leće, držače uzoraka, fluorescentne zaslone i mehanizme fotoaparata. Ove komponente su obično sastavljene u stupac od vrha prema dolje; vakuumski sustav sastoji se od mehaničkih vakuumskih pumpi, difuzijskih pumpi i vakuumskih ventila. Plinovod je spojen s cijevi leće; energetski ormar sastoji se od visokonaponskog generatora, stabilizatora uzbudne struje i raznih regulacijskih jedinica.
Elektronska leća je važan dio cijevi leće elektronskog mikroskopa. Koristi svemirsko električno polje ili magnetsko polje simetrično na os cijevi leće za savijanje staze elektrona prema osi i formiranje fokusa. Njegova je funkcija slična funkciji staklene konveksne leće za fokusiranje zrake, pa se naziva elektronička leća. . Većina modernih elektronskih mikroskopa koristi elektromagnetske leće koje fokusiraju elektrone kroz jako magnetsko polje koje stvara vrlo stabilna istosmjerna pobudna struja koja prolazi kroz zavojnicu s polnim papučicama.
Elektronski top je komponenta koja se sastoji od vruće katode od volframove niti, rešetke i katode. Može emitirati i formirati snop elektrona jednolike brzine, pa se zahtijeva da stabilnost napona ubrzavanja ne bude manja od jedne desettisućinke.
Elektronske mikroskope možemo podijeliti na transmisijske elektronske mikroskope, skenirajuće elektronske mikroskope, refleksijske elektronske mikroskope i emisijske elektronske mikroskope prema njihovoj strukturi i upotrebi. Transmisijski elektronski mikroskopi često se koriste za promatranje finih struktura materijala koje se ne mogu razlučiti 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 formiranje elektroničkih mikrosondi za analizu sastava materijala; emisijska elektronska mikroskopija za proučavanje samoemitirajućih površina elektrona.
Transmisijski elektronski mikroskop dobio je ime po tome što snop elektrona prodire kroz uzorak i zatim povećava sliku elektronskom lećom. Njegov optički put je sličan onom optičkog mikroskopa. U ovoj vrsti elektronskog mikroskopa, kontrast u detaljima slike stvara se raspršivanjem elektronske zrake na atomima uzorka. Tanji dio ili dio uzorka manje gustoće ima manje raspršenje snopa elektrona, tako da više elektrona prolazi kroz dijafragmu objektiva i sudjeluje u slikanju, te izgleda svjetlije na slici. 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 stupa prijenosnog elektronskog mikroskopa je elektronski top, elektrone emitira vruća katoda od volframa, prolaze kroz prvo, a kroz druga dva kondenzatorska zrcala fokusiraju elektronski snop. Nakon prolaska kroz uzorak, leća objektiva prikazuje elektronski snop na srednjem zrcalu, zatim se korak po korak povećava kroz srednje zrcalo i projekcijsko zrcalo, a zatim se prikazuje na fluorescentnom ekranu ili fotokoherentnoj ploči.
Povećanje srednjeg zrcala može se kontinuirano mijenjati od desetaka puta do stotina tisuća puta uglavnom kroz podešavanje struje pobude; promjenom žarišne duljine srednjeg zrcala mogu se dobiti elektronske mikroskopske slike i slike elektronske difrakcije na sitnim dijelovima istog uzorka. Za proučavanje debljih uzoraka metalnih kriški, francuski Dulos Electron Optics Laboratory razvio je elektronski mikroskop ultravisokog napona s naponom ubrzanja od 3500 kV. Shematski dijagram strukture skenirajućeg elektronskog mikroskopa
Elektronska zraka skenirajućeg elektronskog mikroskopa ne prolazi kroz uzorak, već samo skenira i pobuđuje sekundarne elektrone na površini uzorka. Scintilacijski kristal postavljen pored uzorka prima te sekundarne elektrone, pojačava i modulira intenzitet elektronskog snopa slikovne cijevi, čime se mijenja svjetlina na ekranu slikovne cijevi. Otklonska zavojnica slikovne cijevi održava sinkronizirano skeniranje s elektronskim snopom na površini uzorka, tako da fluorescentni zaslon slikovne cijevi prikazuje topografsku sliku površine uzorka, što je slično principu rada industrijskog televizora. .
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. Pretražna elektronska mikroskopija ne zahtijeva vrlo tanke uzorke; slika ima snažan trodimenzionalni učinak; može koristiti informacije kao što su sekundarni elektroni, apsorbirani elektroni i X-zrake generirane interakcijom između elektronskih zraka i tvari za analizu sastava tvari.
Elektronski top i kondenzatorska leća skenirajućeg elektronskog mikroskopa otprilike su isti kao kod transmisionog elektronskog mikroskopa, ali kako bi se elektronski snop učinio tanjim, leća objektiva i astigmatizator dodani su ispod kondenzatorske leće i dva seta međusobno okomite zrake skeniranja ugrađene su unutar leće objektiva. zavojnica. Komora za uzorke ispod leće objektiva opremljena je postoljem za uzorkovanje koje se može pomicati, okretati i naginjati.
