Kakšno je opazovalno območje optičnega mikroskopa in elektronskega mikroskopa?
Sestava in struktura optičnega mikroskopa Optični mikroskop je na splošno sestavljen iz mize, sistema osvetlitve reflektorja, leče objektiva, okularja in mehanizma za ostrenje. Predmet se uporablja za držanje predmeta, ki ga opazujemo. Mehanizem za ostrenje lahko poganja gumb za ostrenje, da se miza premika gor in dol za grobo in fino nastavitev, tako da je opazovani predmet mogoče izostriti in jasno prikazati.
Njegova zgornja plast se lahko natančno premika in vrti v vodoravni ravnini ter na splošno prilagodi opazovani del središču vidnega polja. Sistem reflektorja je sestavljen iz svetlobnega vira in kondenzatorja. Naloga kondenzatorja je koncentriranje več svetlobne energije na opazovani del. Spektralne značilnosti žarnice morajo biti združljive z delovnim pasom mikroskopskega sprejemnika.
Leča objektiva se nahaja v bližini predmeta, ki ga opazujemo, in je leča tista, ki realizira prvo stopnjo povečave. Na pretvorniku objektiva je hkrati nameščenih več objektivov z različnimi povečavami, leče objektiva z različnimi povečavami pa lahko z vrtenjem pretvornika vstopijo v delovno optično pot. Povečava leče objektiva je običajno 5- do 100-kratna. Objektiv je tisti optični element, ki igra odločilno vlogo pri kakovosti slike v mikroskopu.
Običajno se uporabljajo akromatične objektivne leče, ki lahko popravijo kromatsko aberacijo za dve barvi svetlobe; visokokakovostne apokromatične objektivne leče, ki lahko popravijo kromatsko aberacijo za tri vrste barvne svetlobe; lahko zagotovi, da je celotna slikovna ravnina leče objektiva ravna, da izboljša vidno polje Objektivi z ravnim poljem z mejno kakovostjo slike. Objektivi s potopno tekočino se pogosto uporabljajo v objektivih z veliko povečavo, kar pomeni, da je lomni količnik 1 med spodnjo površino leče objektiva in zgornjo površino lista vzorca.
5 tekočino, lahko bistveno izboljša ločljivost mikroskopskega opazovanja. Okular je leča, ki se nahaja v bližini človeškega očesa, da doseže drugo stopnjo povečave, povečava leče pa je običajno 5- do 20-kratna. Glede na velikost vidnega polja lahko okularje razdelimo na dve vrsti: navadne okularje z manjšim vidnim poljem in okularje z velikim poljem (oz. širokokotne okularje) z večjim vidnim poljem.
Tako mizica kot leča objektiva se morata imeti možnost gibati drug glede na drugega vzdolž optične osi leče objektiva, da se doseže nastavitev izostritve in dobite jasno sliko. Pri delu z objektivom z visoko povečavo je dovoljeno območje ostrenja pogosto manjše od mikronov, zato mora imeti mikroskop zelo natančen mehanizem mikrofokusiranja. Meja povečave mikroskopa je efektivna povečava, ločljivost mikroskopa pa se nanaša na najmanjšo razdaljo med dvema predmetnima točkama, ki ju lahko mikroskop jasno loči.
Ločljivost in povečava sta dva različna, a povezana pojma. Kadar numerična apertura izbrane leče objektiva ni dovolj velika, to pomeni, da ločljivost ni dovolj visoka, mikroskop ne more razločiti fine strukture predmeta. V tem času, tudi če je povečava pretirano povečana, je lahko dobljena slika le slika z velikim obrisom, vendar nejasnimi podrobnostmi. , ki se imenuje neveljavna povečava.
Nasprotno, če ločljivost ustreza zahtevam, vendar je povečava nezadostna, ima mikroskop možnost ločljivosti, vendar je slika še vedno premajhna, da bi jo človeške oči jasno videle. Zato mora biti numerična apertura razumno usklajena s skupno povečavo mikroskopa, da bi v celoti izkoristili ločljivost mikroskopa. Sistem osvetlitve žarometov ima velik vpliv na slikovno zmogljivost mikroskopa, vendar je to povezava, ki jo uporabniki zlahka spregledajo.
Njegova naloga je zagotoviti zadostno in enakomerno osvetlitev površine predmeta. Svetlobni žarek, ki ga pošilja kondenzor, mora zagotoviti, da zapolni odprti kot objektiva, sicer najvišje ločljivosti, ki jo leča objektiva lahko doseže, ne bo mogoče v celoti izkoristiti. V ta namen je kondenzor opremljen z zaslonko s spremenljivo zaslonko, podobno tisti v objektivu fotografskega objektiva, ki lahko prilagaja velikost zaslonke in se uporablja za prilagajanje zaslonke svetlobnega žarka, da se ujema z zaslonko kota objektiva. objektiv.
S spreminjanjem načina osvetlitve je mogoče pridobiti različne metode opazovanja, kot so temne točke predmetov na svetlem ozadju (imenovane osvetlitev svetlega polja) ali svetle točke predmetov na temnem ozadju (imenovane osvetlitev temnega polja), da bi bolje odkrili in opazovali mikrostruktura. Elektronski mikroskop je instrument, ki uporablja elektronske žarke in elektronske leče namesto svetlobnih žarkov in optičnih leč za slikanje finih struktur snovi pri zelo velikih povečavah na podlagi načela elektronske optike.
Ločljivost elektronskega mikroskopa je predstavljena z najmanjšo razdaljo med dvema sosednjima točkama, ki ju lahko loči. Leta 1970 je bila ločljivost transmisijskega elektronskega mikroskopa približno 0,3 nanometra (ločljivost človeškega očesa je bila približno 0,1 mm). Zdaj največja povečava elektronskega mikroskopa presega 3-milijonkrat, medtem ko je največja povečava optičnega mikroskopa približno 2000-krat, tako da lahko atome nekaterih težkih kovin in lepo razporejene atomske mreže v kristalu neposredno opazujemo skozi elektronski mikroskop. .
Leta 1931 sta Knorr-Bremse in Ruska iz Nemčije prenovila visokonapetostni osciloskop z virom elektronov s hladno katodo in tremi elektronskimi lečami ter dobila več kot desetkrat povečano sliko, kar je potrdilo možnost slikanja z elektronskim mikroskopom. Leta 1932 je po Ruskovi izboljšavi ločljivost elektronskega mikroskopa dosegla 50 nanometrov, približno desetkrat ločljivost takratnega optičnega mikroskopa, zato je elektronski mikroskop začel dobivati pozornost ljudi.
Leta 1940 je Hill v Združenih državah uporabil astigmatizer za kompenzacijo rotacijske asimetrije elektronske leče, kar je naredilo nov preboj v ločljivosti elektronskega mikroskopa in postopoma doseglo sodobno raven. Na Kitajskem so leta 1958 uspešno razvili presevni elektronski mikroskop z ločljivostjo 3 nanometre, leta 1979 pa so ga izdelali z ločljivostjo 0.
3nm velik elektronski mikroskop. Čeprav je ločljivost elektronskega mikroskopa veliko boljša kot pri optičnem mikroskopu, je težko opazovati žive organizme, ker mora elektronski mikroskop delovati v vakuumskih pogojih, obsevanje elektronskega žarka pa bo povzročilo tudi biološke vzorce. biti poškodovan zaradi sevanja. Dodatno je treba preučiti tudi druga vprašanja, kot sta izboljšanje svetlosti elektronskega topa in kakovost elektronske leče.
Ločljiva moč je pomemben indikator elektronske mikroskopije, ki je povezan z vpadnim kotom stožca in valovno dolžino elektronskega žarka, ki prehaja skozi vzorec. Valovna dolžina vidne svetlobe je približno {{0}} nanometrov, medtem ko je valovna dolžina elektronskih žarkov povezana s pospeševalno napetostjo. Ko je pospeševalna napetost 50-100 kV, je valovna dolžina žarka elektronov približno 0.
0053 do 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: tulca leče, vakuumskega sistema in napajalne omarice.
Cev objektiva vključuje predvsem elektronske puške, elektronske leče, držala za vzorce, fluorescentne zaslone in mehanizme fotoaparata. Te komponente so običajno sestavljene v stolpec od zgoraj navzdol; vakuumski sistem je sestavljen iz mehanskih vakuumskih črpalk, difuzijskih črpalk in vakuumskih ventilov. Plinovod je povezan s tulcem leče; napajalna omarica je sestavljena iz visokonapetostnega generatorja, stabilizatorja vzbujalnega toka in različnih regulacijskih enot.
Elektronska leča je najpomembnejši del tulca leč elektronskega mikroskopa. Uporablja vesoljsko električno polje ali magnetno polje, ki je simetrično glede na os tulca leče, da upogiba elektronsko sled proti osi in oblikuje žarišče. Njegova funkcija je podobna funkciji steklene konveksne leče za fokusiranje žarka, zato se imenuje elektron. objektiv. Večina sodobnih elektronskih mikroskopov uporablja elektromagnetne leče, ki fokusirajo elektrone skozi močno magnetno polje, ki ga ustvari zelo stabilen enosmerni vzbujalni tok, ki poteka skozi tuljavo s poličnimi čevlji.
Elektronska pištola je komponenta, sestavljena iz vroče katode z volframovo nitko, mreže in katode. Lahko oddaja in tvori elektronski žarek z enakomerno hitrostjo, zato mora biti stabilnost pospeševalne napetosti najmanj ena desettisočinka. Elektronske mikroskope lahko razdelimo na transmisijske elektronske mikroskope, vrstične elektronske mikroskope, refleksijske elektronske mikroskope in emisijske elektronske mikroskope glede na njihovo zgradbo in uporabo.
Transmisijski elektronski mikroskopi se pogosto uporabljajo za opazovanje finih materialnih struktur, ki jih običajni mikroskopi ne morejo razločiti; vrstični elektronski mikroskopi se večinoma uporabljajo za opazovanje morfologije trdnih površin in jih je mogoče kombinirati tudi z rentgenskimi difraktometri ali spektrometri elektronske energije za oblikovanje elektronskih mikrosond za analizo materialne sestave; emisijska elektronska mikroskopija za preučevanje samoemisivnih elektronskih površin.
Transmisijski elektronski mikroskop je dobil ime po tem, da elektronski žarek prodre v vzorec in nato poveča sliko z elektronsko lečo. Njegova optična pot je podobna poti optičnega mikroskopa. Pri tej vrsti elektronskega mikroskopa se kontrast v podrobnostih slike ustvari z sipanjem elektronskega žarka na atomih vzorca. Tanjši del vzorca ali del vzorca z nižjo gostoto ima manj sipanja elektronskega žarka, tako da več elektronov preide skozi diafragmo objektiva in sodeluje pri slikanju ter so na sliki videti svetlejši.
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. Vrh leče transmisijskega elektronskega mikroskopa je elektronska pištola. Elektrone oddaja vroča katoda iz volframa, žarke elektronov pa fokusirata prvi in drugi kondenzator.
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 fotokoherentni plošči. Povečavo vmesnega zrcala je mogoče nenehno spreminjati od desetkrat do stotisočkrat, predvsem s prilagajanjem vzbujalnega toka; s spreminjanjem goriščne razdalje vmesnega zrcala lahko dobimo elektronske mikroskopske slike 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. Elektronski žarek vrstičnega elektronskega mikroskopa ne prehaja skozi vzorec, ampak samo skenira in vzbudi sekundarne elektrone na površini vzorca. Scintilacijski kristal, nameščen poleg vzorca, sprejme te sekundarne elektrone, ojača in modulira intenzivnost elektronskega žarka slikovne cevi ter tako spremeni svetlost na zaslonu slikovne cevi.
Odklonska tuljava slikovne cevi ohranja sinhrono skeniranje z elektronskim žarkom na površini vzorca, tako da fluorescentni zaslon slikovne cevi prikazuje topografsko sliko površine vzorca, kar je podobno principu delovanja industrijskega televizorja. . 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 tankega vzorca; slika ima močan tridimenzionalni učinek; za analizo sestave snovi lahko uporablja informacije, kot so sekundarni elektroni, absorbirani elektroni in rentgenski žarki, ki nastanejo zaradi interakcije med elektronskim žarkom in snovjo.
Elektronski top in zbiralna leča vrstičnega elektronskega mikroskopa sta približno enaki kot pri transmisijskem elektronskem mikroskopu, vendar sta za tanjši elektronski žarek pod zbiralno lečo dodana leča objektiva in astigmatizer ter dva niza medsebojno pravokotni skenirni žarki so nameščeni znotraj leče objektiva. tuljava. Vzorčna komora pod lečo objektiva je opremljena z vzorčno mizo, ki se lahko premika, vrti in nagiba.
