Elektronmikroskoopia eelised võrreldes valgusmikroskoopiaga
Elektronmikroskoobi optilise mikroskoobi kujutise põhimõtte sarnasused ja erinevused
Elektronmikroskoop on instrument, mis asendab valguskiire ja optilise läätse elektronkiire ja elektronläätsega vastavalt elektronoptika põhimõttele, nii et aine peenstruktuuri saab pildistada väga suure suurendusega.
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 on elektronmikroskoobi maksimaalne suurendus enam kui 3 miljonit korda ja optilise mikroskoobi maksimaalne suurendus on umbes 2000 korda, nii et teatud raskmetallide aatomeid ja kristallides olevat korralikult paigutatud aatomvõret saab elektronmikroskoobi kaudu otse jälgida.
1931. aastal modifitseerisid Knorr-Bremse ja Ruska Saksamaal külmkatoodlahendusega elektronide allika ja kolme elektronläätsega kõrgepingeostsilloskoopi ning said rohkem kui kümnekordselt suurendatud kujutise, mis kinnitas elektronmikroskoobi abil kujutise suurendamise võimalust. . . 1932. aastal jõudis pärast Ruska täiustamist elektronmikroskoobi lahutusvõime 50 nanomeetrini, mis oli umbes kümme korda suurem tolleaegse optilise mikroskoobi lahutusvõimest, mistõttu hakkas elektronmikroskoop inimeste tähelepanu köitma.
1940-il kompenseeris Hill Ameerika Ühendriikides elektronläätse pöörlemise asümmeetriat astigmatistiga, 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 0,3 nanomeetrise eraldusvõimega suuremahuline elektronmikroskoop.
Kuigi elektronmikroskoobide lahutusvõime on palju parem kui optilistel mikroskoopidel, on elusorganisme raske jälgida, sest elektronmikroskoobid peavad töötama vaakumtingimustes ning elektronkiirte kiiritamine põhjustab ka bioloogilistele proovidele kiirguskahjustusi. Täiendavat uurimist vajavad ka muud küsimused, nagu elektronpüstoli heleduse ja elektronläätse kvaliteedi parandamine.
Eraldusvõime on elektronmikroskoobi oluline näitaja, mis on seotud proovi läbiva elektronkiire langeva koonuse nurga ja lainepikkusega. Nähtava valguse lainepikkus on umbes 300 kuni 700 nanomeetrit, samas kui elektronkiire lainepikkus on seotud kiirenduspingega. Kui kiirenduspinge on 50-100 kV, on elektronkiire lainepikkus umbes 0.0053-0,0037 nm. 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 siiski palju parem. optilisest mikroskoobist.
Elektronmikroskoop koosneb kolmest osast: läätsetorust, vaakumsüsteemist ja toitekapist. Objektiivi silinder sisaldab peamiselt elektronpüstolit, elektronläätse, proovihoidjat, fluorestsentsekraani ja kaameramehhanismi, mis on tavaliselt ülalt alla silindriks kokku pandud; vaakumsüsteem koosneb mehaanilisest vaakumpumbast, difusioonipumbast ja vaakumventiilist jne. Gaasitoru on ühendatud objektiivi silindriga; toitekapp koosneb kõrgepingegeneraatorist, ergutusvoolu stabilisaatorist ning erinevatest reguleerimis- ja juhtplokkidest.
Elektronlääts on elektronmikroskoobi silindri oluline osa. See kasutab fookuse moodustamiseks elektronide trajektoori painutamiseks telje suhtes ruumilist elektrivälja või tünni telje suhtes sümmeetrilist magnetvälja. Selle funktsioon on sarnane klaasist kumerläätse omaga kiire teravustamiseks, seetõttu nimetatakse seda elektronläätseks. . Enamikus tänapäevastes elektronmikroskoopides kasutatakse elektromagnetläätsi, mis fokusseerivad elektronid tugeva magnetvälja abil, mille tekitab väga stabiilne alalisvoolu ergutusvool läbi pooluskingaga mähise.
Elektronpüstol on komponent, mis koosneb volframfilamendist kuumkatoodist, võrgust ja katoodist. See võib kiirata ja moodustada ühtlase kiirusega elektronkiire, seega ei ole kiirenduspinge stabiilsus väiksem kui 1/10,000.
Elektronmikroskoobid võib struktuuri ja kasutuse järgi jagada transmissioonielektronmikroskoobideks, skaneerivateks elektronmikroskoobideks, peegelduselektronmikroskoobideks ja emissioonielektronmikroskoobideks. Transmissioonelektronmikroskoope kasutatakse sageli nende peente materjalistruktuuride vaatlemiseks, mida tavamikroskoobid ei erista; skaneerivaid elektronmikroskoope kasutatakse peamiselt tahkete pindade morfoloogia vaatlemiseks ning neid saab elektronide moodustamiseks kombineerida ka röntgendifraktomeetrite või elektronenergia spektromeetritega. Mikrosondid materjali koostise analüüsimiseks; Emissioonielektronmikroskoopia iseemiteerivate elektronpindade uurimiseks.
Projektsioonelektronmikroskoop on oma nime saanud selle järgi, et elektronkiir tungib proovi ja kasutab seejärel pildistamiseks ja suurendamiseks elektronläätse. Selle optiline tee on sarnane optilise mikroskoobi omaga. Selles elektronmikroskoobis luuakse kujutise detailide kontrasti elektronkiire hajutamine proovi aatomite poolt. Proovi õhemad või vähem tihedad osad, elektronkiir hajub vähem, nii et rohkem elektrone läbib objektiivi ava, osaleb pildistamisel ja paistab pildil heledam. Seevastu näidise paksemad või tihedamad osad paistavad pildil tumedamad. Kui proov on liiga paks või liiga tihe, siis elektronkiire energia neelamisel pildi kontrastsus halveneb või isegi kahjustub või hävib.
Edastuselektronmikroskoobi toru ülaosa on elektronpüstol, elektronid kiirgavad volframfilamenti kuumkatoodiga, läbivad laserit ja kaks teist kondensaatoriläätse 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 fotograafilisele kuivplaadile.
Vahepeegel reguleerib peamiselt ergutusvoolu ja suurendust saab pidevalt muuta kümnetest kordadest sadade tuhandeteni; vahepeegli fookuskaugust muutes saab sama proovi pisikestel osadel saada elektronmikroskoobi kujutisi ja elektronide difraktsioonipilte. . Paksemate metallilõigude proovide uurimiseks on Prantsuse Dulos Electron Optics Laboratory välja töötanud ülikõrgepinge elektronmikroskoobi, mille kiirenduspinge on 3500 kV. Skaneeriva elektronmikroskoobi struktuuriskeem
Skaneeriva elektronmikroskoobi elektronkiir ei läbi proovi, vaid skaneerib ainult proovi pinda, et ergutada sekundaarseid elektrone. Proovi kõrvale asetatud stsintillatsioonikristall võtab need sekundaarsed elektronid vastu ja moduleerib pärast võimendamist pilditoru elektronkiire intensiivsust, muutes seeläbi pilditoru ekraani heledust. Pilditoru läbipainde ike jätkab skaneerimist sünkroonselt proovipinna elektronkiirega, nii et pilditoru fluorestsentsekraanil kuvatakse proovipinna topograafiline kujutis, mis on sarnane tööstustelevisiooni 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 elektronmikroskoop ei vaja väga õhukesi proove; pildil on tugev kolmemõõtmeline efekt; see suudab analüüsida aine koostist, kasutades sellist teavet nagu sekundaarsed elektronid, neeldunud elektronid ja elektronkiirte ja aine interaktsiooni tekitatud röntgenikiirgus.
Skaneeriva elektronmikroskoobi elektronpüstol ja kondensaator on laias laastus samad, mis transmissioonielektronmikroskoobi omad, kuid elektronkiire õhemaks muutmiseks lisatakse kondensaatori alla objektiivi ja astigmaatik ning kaks skaneerivate elektronide komplekti. mis on üksteisega risti, on paigaldatud objektiivi sisse. mähis. Objektiivi all olevas proovikambris on proovilava, mida saab liigutada, pöörata ja kallutada.
