Prednosti elektronske mikroskopije u odnosu na svjetlosnu mikroskopiju
Elektronski mikroskop, optički mikroskop, principi sličnosti i razlika
Elektronski mikroskop je instrument koji zamjenjuje svjetlosni snop i optičko sočivo elektronskim snopom i elektronskim sočivom po principu elektronske optike, tako da se fina struktura materije može snimiti pod vrlo velikim uvećanjem.
Moć razlučivanja elektronskog mikroskopa izražava se malim rastojanjem između dvije susjedne točke koje on može razlučiti. 1970s, transmisioni elektronski mikroskopi imali su rezoluciju od oko 0.3 nanometra (ljudsko oko ima moć razlučivanja od oko 0,1 milimetar). Sada je maksimalno uvećanje elektronskog mikroskopa više od 3 miliona puta, a maksimalno uvećanje optičkog mikroskopa je oko 2000 puta, tako da se atomi određenih teških metala i uredno raspoređena atomska rešetka u kristalima mogu direktno posmatrati kroz elektronski mikroskop.
Godine 1931. Knorr-Bremse i Ruska u Njemačkoj modificirali su visokonaponski osciloskop sa izvorom elektrona s hladnom katodom i tri elektronska sočiva i dobili uvećanu sliku više od deset puta, što je potvrdilo mogućnost uvećanja slike elektronskim mikroskopom. . . Godine 1932., nakon Ruskinog poboljšanja, moć razlučivanja elektronskog mikroskopa dostigla je 50 nanometara, što je bilo oko deset puta veća moć razlučivanja od tadašnjeg optičkog mikroskopa, pa je elektronski mikroskop počeo da privlači pažnju ljudi.
1940ih godina, Hill u Sjedinjenim Državama je kompenzirao rotacijsku asimetriju elektronskog sočiva astigmatistom, čime je napravio novi proboj u moći razlučivanja elektronskog mikroskopa i postepeno dostigao savremeni nivo. U Kini je 1958. uspješno razvijen transmisioni elektronski mikroskop rezolucije 3 nanometra, a 1979. napravljen je elektronski mikroskop velikih razmjera rezolucije 0,3 nanometra.
Iako je moć razlučivanja 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, kao što je poboljšanje svjetline elektronskog topa i kvaliteta elektronskog sočiva, također treba dalje proučavati.
Rezoluciona moć je važan pokazatelj elektronskog mikroskopa, koji je povezan sa uglom upadnog konusa i talasnom dužinom snopa elektrona koji prolazi kroz uzorak. Talasna dužina vidljive svjetlosti je oko 300 do 700 nanometara, dok je talasna dužina snopa elektrona povezana sa naponom ubrzanja. Kada je napon ubrzanja 50-100 kV, talasna dužina snopa elektrona je oko 0.0053-0.0037 nm. Budući da je valna dužina snopa elektrona mnogo manja od valne dužine vidljive svjetlosti, čak i ako je ugao konusa snopa elektrona samo 1 posto od onog optičkog mikroskopa, moć razlučivanja elektronskog mikroskopa je i dalje daleko bolja od one optičkog mikroskopa.
Elektronski mikroskop se sastoji od tri dijela: cijevi sočiva, vakuumskog sistema i ormarića za napajanje. Cijev sočiva uglavnom uključuje elektronski pištolj, elektronska sočiva, držač uzorka, fluorescentni ekran i mehanizam kamere, koji se obično sklapaju u cilindar od vrha do dna; vakuumski sistem se sastoji od mehaničke vakuum pumpe, difuzijske pumpe i vakum ventila, itd. Gasovod je povezan sa cijevi sočiva; ormar za napajanje se sastoji od visokonaponskog generatora, stabilizatora pobudne struje i raznih jedinica za podešavanje i upravljanje.
Elektronsko sočivo je važan dio cijevi elektronskog mikroskopa. Koristi prostorno električno polje ili magnetsko polje simetrično u odnosu na os cijevi da savije putanju elektrona prema osi kako bi formirao fokus. Njegova funkcija je slična onoj staklene konveksne leće za fokusiranje zraka, pa se naziva elektronska leća. . Većina modernih elektronskih mikroskopa koristi elektromagnetna sočiva, koja fokusiraju elektrone snažnim magnetnim poljem koje stvara vrlo stabilna istosmjerna pobudna struja kroz zavojnicu sa cipelom.
Elektronski top je komponenta koja se sastoji od vruće katode od volframove niti, rešetke i katode. Može emitovati i formirati snop elektrona sa ujednačenom brzinom, tako da stabilnost ubrzavajućeg napona nije manja od 1/10,000.
Elektronski mikroskopi se prema njihovoj strukturi i upotrebi mogu podijeliti na transmisione elektronske mikroskope, skenirajuće elektronske mikroskope, refleksione elektronske mikroskope i emisione elektronske mikroskope. Transmisioni elektronski mikroskopi se često koriste za posmatranje onih finih materijalnih struktura koje se ne mogu razlikovati običnim mikroskopima; skenirajući elektronski mikroskopi se uglavnom koriste za promatranje morfologije čvrstih površina, a također se mogu kombinirati sa rendgenskim difraktometrima ili spektrometrima elektronske energije za formiranje elektrona. Mikrosonde za analizu sastava materijala; Emisiona elektronska mikroskopija za proučavanje samoemitujućih elektronskih površina.
Projekcioni elektronski mikroskop je dobio ime po tome što elektronski snop prodire u uzorak, a zatim koristi elektronska sočiva za snimanje i uvećanje. Njegova optička putanja je slična onoj kod optičkog mikroskopa. U ovom elektronskom mikroskopu kontrast detalja slike nastaje raspršivanjem snopa elektrona od strane atoma uzorka. Što su tanji ili manje gusti dijelovi uzorka, elektronski snop se manje raspršuje, tako da više elektrona prolazi kroz otvor objektiva, učestvuje u snimanju i izgleda svjetlije na slici. Nasuprot tome, deblji ili gušći dijelovi uzorka izgledaju tamnije na slici. Ako je uzorak predebeo ili previše gust, kontrast slike će se pogoršati ili čak oštetiti ili uništiti apsorbiranjem energije elektronskog snopa.
Vrh cijevi transmisionog elektronskog mikroskopa je elektronski top, elektrone emituje vruća katoda od volframove niti, prolaze kroz laser, a druga dva kondenzatorska sočiva fokusiraju elektronski snop. Nakon prolaska kroz uzorak, elektronski snop se snima na srednjem ogledalu pomoću sočiva objektiva, a zatim se uvećava korak po korak kroz srednje ogledalo i ogledalo za projekciju, a zatim se snima na fluorescentnom ekranu ili fotografskoj suvoj ploči.
Međuogledalo uglavnom prilagođava struju pobude, a uvećanje se može kontinuirano mijenjati od desetina puta do stotina hiljada puta; promjenom žižne daljine srednjeg ogledala, slike elektronskim mikroskopom i slike difrakcije elektrona mogu se dobiti na sitnim dijelovima istog uzorka. . U cilju proučavanja uzoraka debljih metalnih kriški, francuski Dulos Electron Optics Laboratorij razvio je ultravisokonaponski elektronski mikroskop s ubrzavajućim naponom od 3500 kV. Shema strukture skenirajućeg elektronskog mikroskopa
Elektronski snop skenirajućeg elektronskog mikroskopa ne prolazi kroz uzorak, već samo skenira površinu uzorka kako bi pobudio sekundarne elektrone. Scintilacioni kristal postavljen pored uzorka prima te sekundarne elektrone i modulira intenzitet elektronskog snopa cijevne cijevi nakon pojačanja, mijenjajući na taj način svjetlinu na ekranu slikovne cijevi. Otklonski jaram cijevi sa slikom nastavlja skeniranje sinhrono sa elektronskim snopom na površini uzorka, tako da fluorescentni ekran cijevi sa slikom prikazuje topografsku sliku površine uzorka, što je slično principu rada industrijske televizije.
Rezolucija skenirajućeg elektronskog mikroskopa uglavnom je određena prečnikom elektronskog snopa na površini uzorka. Uvećanje je omjer amplitude skeniranja na cijevci i amplitude skeniranja na uzorku, koja se može kontinuirano mijenjati od desetina puta do stotina hiljada puta. Skenirajući elektronski mikroskop ne zahtijeva vrlo tanke uzorke; slika ima snažan trodimenzionalni efekat; može analizirati sastav materije koristeći informacije kao što su sekundarni elektroni, apsorbovani elektroni i rendgenske zrake nastale interakcijom elektronskih zraka sa materijom.
Elektronski pištolj i kondenzator skenirajućeg elektronskog mikroskopa su otprilike isti kao oni transmisionog elektronskog mikroskopa, ali da bi se elektronski snop učinio tanjim, ispod kondenzatora se dodaju sočivo objektiva i astigmatist i dva seta skenirajućih elektrona koji su međusobno okomiti postavljeni su unutar sočiva objektiva. kalem. U komori za uzorke ispod objektiva nalazi se stepen uzorka koji se može pomicati, rotirati i naginjati.
