Avantatges de la microscòpia electrònica enfront de la microscòpia de llum
Semblances i diferències del principi d'imatge del microscopi òptic del microscopi electrònic
El microscopi electrònic és un instrument que substitueix el feix de llum i la lent òptica per un feix d'electrons i una lent d'electrons segons el principi de l'òptica electrònica, de manera que l'estructura fina de la matèria es pot visualitzar amb un augment molt elevat.
El poder de resolució d'un microscopi electrònic s'expressa per la petita distància entre dos punts adjacents que pot resoldre. Als anys 1970, els microscopis electrònics de transmissió tenien una resolució d'uns 0,3 nanòmetres (l'ull humà té un poder de resolució d'uns 0,1 mil·límetres). Ara l'augment màxim del microscopi electrònic és de més de 3 milions de vegades i l'augment màxim del microscopi òptic és d'unes 2000 vegades, de manera que els àtoms de certs metalls pesants i la xarxa atòmica ordenada en els cristalls es poden observar directament a través del microscopi electrònic.
El 1931, Knorr-Bremse i Ruska a Alemanya van modificar un oscil·loscopi d'alta tensió amb una font d'electrons de descàrrega de càtode fred i tres lents d'electrons, i van obtenir una imatge ampliada més de deu vegades, cosa que va confirmar la possibilitat d'augmentar la imatge amb un microscopi electrònic. . . El 1932, després de la millora de Ruska, el poder de resolució del microscopi electrònic va arribar als 50 nanòmetres, que era unes deu vegades el poder de resolució del microscopi òptic en aquell moment, de manera que el microscopi electrònic va començar a cridar l'atenció de la gent.
A la dècada de 1940, Hill als Estats Units va compensar l'asimetria rotacional de la lent electrònica amb un astigmatista, que va fer un nou avenç en el poder de resolució del microscopi electrònic i va assolir gradualment el nivell modern. A la Xina, el 1958 es va desenvolupar amb èxit un microscopi electrònic de transmissió amb una resolució de 3 nanòmetres i el 1979 es va fabricar un microscopi electrònic a gran escala amb una resolució de 0,3 nanòmetres.
Tot i que el poder de resolució dels microscopis electrònics és molt millor que el dels microscopis òptics, és difícil observar organismes vius perquè els microscopis electrònics han de funcionar en condicions de buit i la irradiació dels feixos d'electrons també provocarà danys per radiació a les mostres biològiques. Altres qüestions, com ara la millora de la brillantor del canó d'electrons i la qualitat de la lent d'electrons, també s'han d'estudiar més.
El poder de resolució és un indicador important del microscopi electrònic, que està relacionat amb l'angle del con incident i la longitud d'ona del feix d'electrons que travessa la mostra. La longitud d'ona de la llum visible és d'uns 300 a 700 nanòmetres, mentre que la longitud d'ona del feix d'electrons està relacionada amb la tensió d'acceleració. Quan la tensió acceleradora és de 50-100 kV, la longitud d'ona del feix d'electrons és d'aproximadament 0,0053-0,0037 nm. Com que la longitud d'ona del feix d'electrons és molt més petita que la longitud d'ona de la llum visible, fins i tot si l'angle del con del feix d'electrons és només l'1 per cent del d'un microscopi òptic, el poder de resolució d'un microscopi electrònic és encara molt superior al d'un microscopi òptic.
El microscopi electrònic consta de tres parts: el tub de la lent, el sistema de buit i l'armari d'alimentació. El canó de la lent inclou principalment un canó d'electrons, una lent d'electrons, un suport de mostres, una pantalla fluorescent i un mecanisme de càmera, que solen muntar-se en un cilindre de dalt a baix; el sistema de buit es compon de bomba de buit mecànica, bomba de difusió i vàlvula de buit, etc. El gasoducte està connectat amb el canó de la lent; l'armari d'alimentació està format per un generador d'alta tensió, un estabilitzador de corrent d'excitació i diverses unitats d'ajust i control.
La lent electrònica és una part important del barril del microscopi electrònic. Utilitza un camp elèctric espacial o un camp magnètic simètric a l'eix del canó per doblegar la trajectòria d'electrons cap a l'eix per formar el focus. La seva funció és similar a la d'una lent convexa de vidre per enfocar el feix, per això s'anomena lent d'electrons. . La majoria dels microscopis electrònics moderns utilitzen lents electromagnètiques, que enfocan els electrons mitjançant un camp magnètic fort generat per un corrent d'excitació de corrent continu molt estable a través d'una bobina amb una sabata polar.
El canó d'electrons és un component compost per un càtode calent de filament de tungstè, una reixeta i un càtode. Pot emetre i formar un feix d'electrons amb velocitat uniforme, de manera que l'estabilitat de la tensió acceleradora no és inferior a 1/10,000.
Els microscopis electrònics es poden dividir en microscopis electrònics de transmissió, microscopis electrònics d'escaneig, microscopis electrònics de reflexió i microscopis electrònics d'emissió segons la seva estructura i ús. Els microscopis electrònics de transmissió s'utilitzen sovint per observar aquelles estructures de materials fins que no es poden distingir amb els microscopis ordinaris; Els microscopis electrònics d'escaneig s'utilitzen principalment per observar la morfologia de superfícies sòlides, i també es poden combinar amb difractòmetres de raigs X o espectròmetres d'energia electrònica per formar electrons. Microsondes per a l'anàlisi de la composició del material; Microscòpia electrònica d'emissió per a l'estudi de superfícies d'electrons autoemisores.
El microscopi electrònic de projecció rep el nom del feix d'electrons que penetra la mostra i després utilitza la lent d'electrons per imatge i magnificació. El seu recorregut òptic és similar al d'un microscopi òptic. En aquest microscopi electrònic, el contrast dels detalls de la imatge es crea per la dispersió del feix d'electrons pels àtoms de la mostra. Parts més fines o menys denses de la mostra, el feix d'electrons es dispersa menys, de manera que més electrons passen per l'obertura de l'objectiu, participen en la imatge i apareixen més brillants a la imatge. Per contra, les parts més gruixudes o més denses de la mostra apareixen més fosques a la imatge. Si la mostra és massa gruixuda o massa densa, el contrast de la imatge es deteriorarà o fins i tot es farà malbé o destruirà en absorbir l'energia del feix d'electrons.
La part superior del tub del microscopi electrònic de transmissió és el canó d'electrons, els electrons són emesos pel càtode calent del filament de tungstè, passen a través del làser i les dues segones lents de condensador centren el feix d'electrons. Després de passar per la mostra, el feix d'electrons s'imatge al mirall intermedi per la lent de l'objectiu, i després s'amplia pas a pas a través del mirall intermedi i el mirall de projecció, i després s'imatge a la pantalla fluorescent o a la placa seca fotogràfica.
El mirall intermedi ajusta principalment el corrent d'excitació i l'ampliació es pot canviar contínuament des de desenes de vegades fins a centenars de milers de vegades; canviant la distància focal del mirall intermedi, es poden obtenir imatges de microscopi electrònic i imatges de difracció d'electrons en petites parts de la mateixa mostra. . Per estudiar mostres de rodanxes metàl·liques més gruixudes, el laboratori francès d'òptica electrònica de Dulos ha desenvolupat un microscopi electrònic d'ultra alt voltatge amb una tensió acceleradora de 3500 kV. Esquema d'estructura del microscopi electrònic d'escaneig
El feix d'electrons d'un microscopi electrònic d'escaneig no travessa la mostra, sinó que només explora la superfície de la mostra per excitar electrons secundaris. Un cristall de centelleig col·locat al costat de la mostra rep aquests electrons secundaris i modula la intensitat del feix d'electrons del tub d'imatge després de l'amplificació, canviant així la brillantor a la pantalla del tub d'imatge. El jou de desviació del tub d'imatge continua escanejant de manera sincrònica amb el feix d'electrons a la superfície de la mostra, de manera que la pantalla fluorescent del tub d'imatge mostra la imatge topogràfica de la superfície de la mostra, que és similar al principi de funcionament de la televisió industrial.
La resolució d'un microscopi electrònic d'escaneig està determinada principalment pel diàmetre del feix d'electrons a la superfície de la mostra. L'ampliació és la relació entre l'amplitud d'escaneig del tub d'imatge i l'amplitud d'escaneig de la mostra, que es pot canviar contínuament des de desenes de vegades fins a centenars de milers de vegades. El microscopi electrònic d'escaneig no requereix mostres molt fines; la imatge té un fort efecte tridimensional; pot analitzar la composició de la matèria utilitzant informació com ara electrons secundaris, electrons absorbits i raigs X generats per la interacció dels feixos d'electrons amb la matèria.
El canó d'electrons i el condensador del microscopi electrònic d'escaneig són aproximadament els mateixos que els del microscopi electrònic de transmissió, però per tal d'aprimar el feix d'electrons, s'afegeixen una lent objectiu i un astigmatitzador sota el condensador i dos jocs d'electrons d'escaneig. que són perpendiculars entre si s'instal·len dins de la lent de l'objectiu. bobina. La cambra de mostra sota la lent de l'objectiu allotja l'etapa de mostra que es pot moure, girar i inclinar.
