Elektron- ja valgusmikroskoopia eeliste võrdlus
Elektronmikroskoobi lahutusvõimet väljendab väike vahemaa kahe külgneva punkti vahel, mida see suudab lahendada. 1970s oli ülekandeelektronmikroskoopide eraldusvõime umbes 0,3 nanomeetrit (inimsilma lahutusvõime on umbes 0,1 millimeetrit). Nüüd ületab elektronmikroskoobi maksimaalne suurendus 3 miljonit korda, samas kui optilise mikroskoobi maksimaalne suurendus on umbes 2000 korda, nii et mõnede raskmetallide aatomeid ja kenasti paigutatud aatomvõresid kristallis saab otse jälgida elektronmikroskoobi kaudu. .
1931. aastal paigaldasid sakslased Knorr-Bremse ja Ruska kõrgepingeostsilloskoobi külmkatoodlahendusega elektronide allika ja kolme elektronläätsega ning said rohkem kui kümme korda suurendatud kujutise, mis kinnitas elektronmikroskoobi suurendusega pildistamise võimalust. 1932. aastal jõudis pärast Ruska täiustamist elektronmikroskoobi lahutusvõime 50 nanomeetrini, mis on umbes kümme korda suurem tolleaegse optilise mikroskoobi lahutusvõimest, mistõttu hakkas elektronmikroskoop inimeste tähelepanu pälvima.
1940-il kasutas Hill Ameerika Ühendriikides elektronläätse pöörlemise asümmeetria kompenseerimiseks astigmatisaatorit, mis tegi elektronmikroskoobi lahutusvõimes uue läbimurde ja jõudis järk-järgult tänapäevasele tasemele. Hiinas töötati 1958. aastal edukalt välja 3 nanomeetrise eraldusvõimega transmissioonelektronmikroskoop ja 1979. aastal valmistati suur elektronmikroskoop 0,3 nanomeetrise lahutusvõimega.
Kuigi elektronmikroskoobi lahutusvõime on palju parem kui optilisel mikroskoobil, on elusorganisme raske jälgida, kuna elektronmikroskoop peab töötama vaakumtingimustes ning elektronkiire kiiritamine põhjustab ka bioloogiliste proovide eraldusvõimet. olla kiirgusest kahjustatud. Täiendavat uurimist vajavad ka muud küsimused, nagu elektronpüstoli heleduse ja elektronläätse kvaliteedi parandamine.
Lahutusvõime on elektronmikroskoopia oluline näitaja, mis on seotud proovi läbiva elektronkiire langeva koonuse nurga ja lainepikkusega. Nähtava valguse lainepikkus on umbes {{0}} nanomeetrit, samas kui elektronkiirte lainepikkus on seotud kiirenduspingega. Kui kiirenduspinge on 50-100 kV, on elektronkiire lainepikkus umbes 0.0053-0.0037 nanomeetrit. Kuna elektronkiire lainepikkus on palju väiksem kui nähtava valguse lainepikkus, siis isegi kui elektronkiire koonuse nurk on vaid 1 protsent optilise mikroskoobi omast, on elektronmikroskoobi lahutusvõime sellegipoolest tunduvalt parem. optilisest mikroskoobist.
Elektronmikroskoop koosneb kolmest osast: läätse silinder, vaakumsüsteem ja toitekapp. Objektiivi silinder sisaldab peamiselt elektronpüstoleid, elektronläätsi, proovihoidjaid, fluorestseeruvaid ekraane ja kaameramehhanisme. Need komponendid on tavaliselt kokku pandud kolonniks ülalt alla; vaakumsüsteem koosneb mehaanilistest vaakumpumpadest, difusioonipumpadest ja vaakumventiilidest. Gaasitoru on ühendatud objektiivi silindriga; toitekapp koosneb kõrgepingegeneraatorist, ergutusvoolu stabilisaatorist ja erinevatest reguleerimisjuhtplokkidest.
Elektronlääts on elektronmikroskoobi läätse silindri oluline osa. See kasutab kosmose elektrivälja või magnetvälja, mis on sümmeetriline läätse silindri telje suhtes, et painutada elektronide rada fookuse moodustamiseks telje suhtes. Selle funktsioon on sarnane klaasist kumerläätse omaga kiire teravustamiseks, seetõttu nimetatakse seda elektrooniliseks läätseks. . Enamikus kaasaegsetes elektronmikroskoopides kasutatakse elektromagnetläätsi, mis fokusseerivad elektronid läbi tugeva magnetvälja, mille tekitab väga stabiilne alalisvoolu ergutusvool, mis läbib pooluskingadega mähist.
Elektronpüstol on komponent, mis koosneb volframfilamendist kuumkatoodist, võrgust ja katoodist. See võib kiirata ja moodustada ühtlase kiirusega elektronkiire, seega peab kiirenduspinge stabiilsus olema vähemalt üks kümnetuhandik.
Elektronmikroskoobid võib nende struktuuri ja kasutusala järgi jagada transmissioonielektronmikroskoobideks, skaneerivateks elektronmikroskoopideks, peegelduselektronmikroskoobideks ja emissioonielektronmikroskoobideks. Transmissioonelektronmikroskoope kasutatakse sageli materjalide peenstruktuuride vaatlemiseks, mida tavamikroskoobid ei suuda lahendada; skaneerivaid elektronmikroskoope kasutatakse peamiselt tahkete pindade morfoloogia jälgimiseks ning neid saab kombineerida ka röntgendifraktomeetrite või elektronenergia spektromeetritega, et moodustada elektroonilisi mikrosonde materjali koostise analüüsiks; emissioonelektronmikroskoopia iseemiteerivate elektronpindade uurimiseks.
Läbilaskev elektronmikroskoop on saanud nime selle järgi, et elektronkiir tungib proovi ja suurendab seejärel pilti elektronläätsega. Selle optiline tee on sarnane optilise mikroskoobi omaga. Seda tüüpi elektronmikroskoobis loob kujutise detailide kontrasti elektronkiire hajumine proovi aatomite poolt. Proovi õhemas või väiksema tihedusega osas on elektronkiire hajumine väiksem, mistõttu läbib objektiivi diafragmat ja osaleb pildistamisel rohkem elektrone ning paistab pildil heledam. Seevastu näidise paksemad või tihedamad osad paistavad pildil tumedamad. Kui proov on liiga paks või liiga tihe, siis kujutise kontrastsus halveneb või isegi kahjustub või hävib elektronkiire energia neelamisel.
a
Edastuselektronmikroskoobi kolonni ülaosa on elektronpüstol, elektronid kiirgavad volframi kuuma katood, läbivad esimest ja kaks teist kondensaatoripeeglit fokuseerivad elektronkiire. Pärast proovi läbimist pildistatakse elektronkiir vahepeeglile objektiivi abil ja seejärel suurendatakse seda samm-sammult läbi vahepeegli ja projektsioonpeegli ning seejärel kuvatakse fluorestsentsekraanile või fotokoherentsele plaadile.
Vahepeegli suurendust saab pidevalt muuta kümnetest kordadest sadade tuhandeteni peamiselt ergutusvoolu reguleerimise kaudu; vahepeegli fookuskaugust muutes saab sama proovi pisikestel osadel saada elektronmikroskoopilisi pilte ja elektronide difraktsioonipilte. Paksemate metallilõigude proovide uurimiseks töötas Prantsuse Dulos Electron Optics Laboratory välja ülikõrgepinge elektronmikroskoobi, mille kiirenduspinge on 3500 kV. Skaneeriva elektronmikroskoobi struktuuri skemaatiline diagramm
Skaneeriva elektronmikroskoobi elektronkiir ei läbi proovi, vaid ainult skaneerib ja ergastab proovi pinnal olevaid sekundaarseid elektrone. Proovi kõrvale asetatud stsintillatsioonikristall võtab need sekundaarsed elektronid vastu, võimendab ja moduleerib pilditoru elektronkiire intensiivsust, muutes seeläbi pilditoru ekraani heledust. Pilditoru läbipaindemähis hoiab sünkroonset skaneerimist proovi pinnal oleva elektronkiirega, nii et pilditoru fluorestseeruv ekraan kuvab proovi pinna topograafilist kujutist, mis on sarnane tööstusliku teleri tööpõhimõttega. .
Skaneeriva elektronmikroskoobi eraldusvõime määrab peamiselt proovi pinnal oleva elektronkiire läbimõõt. Suurendus on pilditoru skaneerimisamplituudi ja proovi skaneerimise amplituudi suhe, mida saab pidevalt muuta kümnetest kordadest sadade tuhandeteni. Skaneeriv elektronmikroskoopia ei vaja väga õhukesi proove; pildil on tugev kolmemõõtmeline efekt; see võib kasutada ainete koostise analüüsimiseks sellist teavet nagu sekundaarsed elektronid, neeldunud elektronid ja elektronkiirte ja ainete vastastikusest mõjust tekkinud röntgenikiirgus.
Skaneeriva elektronmikroskoobi elektronpüstol ja kondensaatorlääts on ligikaudu samad, mis transmissioonielektronmikroskoobi omad, kuid elektronkiire õhemaks muutmiseks lisatakse kondensaatorläätse alla objektiiv ja astigmatisaator ning kaks komplekti Objektiivi sisse on paigaldatud vastastikku risti asetsevad skaneerimiskiired. mähis. Objektiivi all olev proovikamber on varustatud proovialusega, mida saab liigutada, pöörata ja kallutada.
