Prednosti elektronske mikroskopije v primerjavi s svetlobno mikroskopijo
Elektronski mikroskop optični mikroskop princip slikanja podobnosti in razlike
Elektronski mikroskop je instrument, ki po principu elektronske optike nadomešča svetlobni žarek in optično lečo z elektronskim žarkom in elektronsko lečo, tako da lahko fino strukturo snovi slikamo pod zelo veliko povečavo.
Ločljivost elektronskega mikroskopa je izražena z majhno razdaljo med dvema sosednjima točkama, ki ju lahko loči. Leta 1970 so imeli transmisijski elektronski mikroskopi ločljivost približno 0,3 nanometra (človeško oko ima ločljivost približno 0,1 milimetra). Zdaj je največja povečava elektronskega mikroskopa več kot 3-milijonkratna, največja povečava optičnega mikroskopa pa približno 2000-kratna, tako da lahko atome nekaterih težkih kovin in lepo urejeno atomsko mrežo v kristalih neposredno opazujemo skozi elektronski mikroskop.
Leta 1931 sta Knorr-Bremse in Ruska v Nemčiji modificirala visokonapetostni osciloskop z virom elektronov s hladno katodo in tremi elektronskimi lečami ter dobila več kot desetkratno povečano sliko, kar je potrdilo možnost povečave slike z elektronskim mikroskopom. . . Leta 1932 je po Ruskovi izboljšavi ločljivost elektronskega mikroskopa dosegla 50 nanometrov, kar je bilo približno desetkrat več od ločljivosti takratnega optičnega mikroskopa, zato je elektronski mikroskop začel vzbujati pozornost ljudi.
Leta 1940 je Hill v ZDA kompenziral rotacijsko asimetrijo elektronske leče z astigmatikom, ki je naredil nov preboj v ločljivosti elektronskega mikroskopa in postopoma dosegel sodobno raven. Na Kitajskem so leta 1958 uspešno razvili presevni elektronski mikroskop z ločljivostjo 3 nanometre, leta 1979 pa so izdelali veliki elektronski mikroskop z ločljivostjo 0,3 nanometra.
Čeprav je ločljivost elektronskih mikroskopov veliko boljša od optičnih mikroskopov, je težko opazovati žive organizme, ker morajo elektronski mikroskopi delati v vakuumskih pogojih, obsevanje elektronskih žarkov pa bo povzročilo tudi radiacijske poškodbe bioloških vzorcev. Dodatno je treba preučiti tudi druga vprašanja, kot sta izboljšanje svetlosti elektronskega topa in kakovost elektronske leče.
Ločljivost je pomemben pokazatelj elektronskega mikroskopa, ki je povezan z vpadnim kotom stožca in valovno dolžino elektronskega žarka, ki prehaja skozi vzorec. Valovna dolžina vidne svetlobe je približno 300 do 700 nanometrov, medtem ko je valovna dolžina žarka elektronov povezana s pospeševalno napetostjo. Ko je pospeševalna napetost 50-100 kV, je valovna dolžina žarka elektronov približno 0.0053-0.0037 nm. Ker je valovna dolžina elektronskega žarka veliko manjša od valovne dolžine vidne svetlobe, tudi če je kot stožca elektronskega žarka le 1 odstotek kota optičnega mikroskopa, je ločljivost elektronskega mikroskopa še vedno veliko večja od optičnega mikroskopa.
Elektronski mikroskop je sestavljen iz treh delov: lečne cevi, vakuumskega sistema in napajalne omarice. Cev objektiva vključuje predvsem elektronsko pištolo, elektronsko lečo, držalo za vzorec, fluorescentni zaslon in mehanizem kamere, ki so običajno sestavljeni v valj od zgoraj navzdol; vakuumski sistem je sestavljen iz mehanske vakuumske črpalke, difuzijske črpalke in vakuumskega ventila itd. Plinovod je povezan s sodom leče; napajalno omarico sestavljajo visokonapetostni generator, stabilizator vzbujalnega toka in različne nastavitvene in krmilne enote.
Elektronska leča je pomemben del cevi elektronskega mikroskopa. Uporablja prostorsko električno polje ali magnetno polje, ki je simetrično glede na os cevi, da upogne pot elektronov proti osi in tako oblikuje fokus. Njena funkcija je podobna funkciji steklene konveksne leče, da fokusira žarek, zato se imenuje elektronska leča. . Večina sodobnih elektronskih mikroskopov uporablja elektromagnetne leče, ki fokusirajo elektrone z močnim magnetnim poljem, ki ga ustvarja zelo stabilen enosmerni vzbujalni tok skozi tuljavo s polovnim čevljem.
Elektronska pištola je komponenta, sestavljena iz vroče katode z volframovo nitko, mreže in katode. Lahko oddaja in tvori elektronski žarek z enakomerno hitrostjo, tako da stabilnost pospeševalne napetosti ni manjša od 1/10, 000.
Elektronske mikroskope lahko glede na strukturo in uporabo razdelimo na transmisijske elektronske mikroskope, vrstične elektronske mikroskope, refleksijske elektronske mikroskope in emisijske elektronske mikroskope. Transmisijski elektronski mikroskopi se pogosto uporabljajo za opazovanje tistih finih materialnih struktur, ki jih običajni mikroskopi ne morejo razločiti; vrstični elektronski mikroskopi se večinoma uporabljajo za opazovanje morfologije trdnih površin, lahko pa jih kombiniramo tudi z rentgenskimi difraktometri ali spektrometri elektronske energije za tvorbo elektronov. Mikrosonde za analizo materialne sestave; Emisijska elektronska mikroskopija za preučevanje površin samoemitiranih elektronov.
Projekcijski elektronski mikroskop je dobil ime po tem, da elektronski žarek prodre skozi vzorec in nato uporabi elektronsko lečo za slikanje in povečavo. Njegova optična pot je podobna poti optičnega mikroskopa. V tem elektronskem mikroskopu se kontrast podrobnosti slike ustvari s sipanjem elektronskega žarka na atomih vzorca. Pri tanjših ali manj gostih delih vzorca se elektronski žarek manj sipa, zato več elektronov preide skozi odprtino objektiva, sodeluje pri slikanju in je na sliki videti svetlejše. Nasprotno pa so debelejši ali gostejši deli vzorca na sliki videti temnejši. Če je vzorec predebel ali pregost, se bo kontrast slike poslabšal ali celo poškodoval ali uničil zaradi absorpcije energije elektronskega žarka.
Zgornji del cevi transmisijskega elektronskega mikroskopa je elektronska pištola, elektrone oddaja vroča katoda z volframovo nitko, gredo skozi laser, drugi dve zbiralni leči pa fokusirata elektronski žarek. Po prehodu skozi vzorec se elektronski žarek prikaže na vmesnem zrcalu z lečo objektiva, nato pa se korak za korakom poveča skozi vmesno zrcalo in projekcijsko zrcalo, nato pa se posname na fluorescentnem zaslonu ali fotografski suhi plošči.
Vmesno ogledalo v glavnem prilagaja vzbujevalni tok, povečavo pa je mogoče nenehno spreminjati od desetkrat do stotisočkrat; s spreminjanjem goriščne razdalje vmesnega zrcala lahko dobimo slike elektronskega mikroskopa in slike elektronske difrakcije na drobnih delih istega vzorca. . Za preučevanje debelejših vzorcev kovinskih rezin je francoski Dulos Electron Optics Laboratory razvil ultravisokonapetostni elektronski mikroskop s pospeševalno napetostjo 3500 kV. Strukturna shema vrstičnega elektronskega mikroskopa
Elektronski žarek vrstičnega elektronskega mikroskopa ne prehaja skozi vzorec, temveč samo skenira površino vzorca, da vzbudi sekundarne elektrone. Scintilacijski kristal, nameščen poleg vzorca, sprejme te sekundarne elektrone in po ojačitvi modulira intenziteto elektronskega žarka slikovne cevi, s čimer spremeni svetlost na zaslonu slikovne cevi. Odklonski jarem slikovne cevi skenira sinhrono z elektronskim žarkom na površini vzorca, tako da fluorescentni zaslon slikovne cevi prikazuje topografsko sliko površine vzorca, kar je podobno načelu delovanja industrijske televizije.
Ločljivost vrstičnega elektronskega mikroskopa je v glavnem določena s premerom elektronskega žarka na površini vzorca. Povečava je razmerje med amplitudo skeniranja na slikovni cevi in amplitudo skeniranja na vzorcu, ki se lahko nenehno spreminja od desetkrat do stotisočkrat. Vrstični elektronski mikroskop ne zahteva zelo tankih vzorcev; slika ima močan tridimenzionalni učinek; lahko analizira sestavo snovi z uporabo informacij, kot so sekundarni elektroni, absorbirani elektroni in rentgenski žarki, ki nastanejo zaradi interakcije elektronskih žarkov s snovjo.
Elektronska pištola in kondenzor vrstičnega elektronskega mikroskopa sta približno enaka kot pri transmisijskem elektronskem mikroskopu, vendar sta zaradi tanjšanja elektronskega žarka pod kondenzor dodana leča objektiva in astigmatik ter dva kompleta vrstičnih elektronov. ki so pravokotni drug na drugega, so nameščeni znotraj leče objektiva. tuljava. Vzorčna komora pod lečo objektiva vsebuje vzorčno mizo, ki jo je mogoče premikati, vrteti in nagibati.
