Quin és el rang d'observació del microscopi òptic i el microscopi electrònic
Composició i estructura d'un microscopi òptic Un microscopi òptic generalment consta d'un escenari, un sistema d'il·luminació de focus, una lent objectiu, un ocular i un mecanisme d'enfocament. L'escenari s'utilitza per subjectar l'objecte a observar. El mecanisme d'enfocament es pot accionar mitjançant el botó d'enfocament per fer que l'escenari es mogui cap amunt i cap avall per a un ajust aproximat i un ajust fi, de manera que l'objecte observat es pugui enfocar i capturar clarament.
La seva capa superior es pot moure i girar amb precisió en el pla horitzontal i, en general, ajustar la part observada al centre del camp de visió. El sistema d'il·luminació puntual es compon d'una font de llum i un condensador. La funció del condensador és concentrar més energia lluminosa a la part observada. Les característiques espectrals de la làmpada il·luminadora han de ser compatibles amb la banda de treball del receptor del microscopi.
La lent de l'objectiu es troba prop de l'objecte a observar, i és la lent la que realitza el primer nivell d'ampliació. Diverses lents d'objectius amb diferents augments s'instal·len al convertidor de lents d'objectius al mateix temps, i les lents d'objectius amb diferents augments poden entrar al camí òptic de treball girant el convertidor. L'augment de la lent de l'objectiu sol ser de 5 a 100 vegades. La lent objectiu és l'element òptic que juga un paper decisiu en la qualitat de la imatge al microscopi.
S'utilitzen habitualment les lents objectius acromàtics que poden corregir l'aberració cromàtica de dos colors de llum; lents objectius apocromàtics de major qualitat que poden corregir l'aberració cromàtica per a tres tipus de llum de color; pot garantir que tot el pla d'imatge de la lent de l'objectiu sigui pla per millorar el camp de visió Objectius de camp pla amb una qualitat d'imatge marginal. Els objectius d'immersió líquida s'utilitzen sovint en objectius d'alta ampliació, és a dir, l'índex de refracció és 1 entre la superfície inferior de la lent de l'objectiu i la superfície superior de la làmina de mostra.
5 líquid, pot millorar significativament la resolució de l'observació microscòpica. L'ocular és una lent situada a prop de l'ull humà per aconseguir el segon nivell d'augment, i l'augment de la lent sol ser de 5 a 20 vegades. Segons la mida del camp de visió que es pot veure, els oculars es poden dividir en dos tipus: oculars normals amb un camp de visió més petit i oculars de camp gran (o oculars gran angular) amb un camp de visió més gran.
Tant l'escenari com la lent de l'objectiu s'han de poder moure entre si al llarg de l'eix òptic de la lent objectiu per aconseguir l'ajust del focus i obtenir una imatge clara. Quan es treballa amb una lent d'objectiu d'alta ampliació, el rang d'enfocament permès és sovint més petit que les micres, de manera que el microscopi ha de tenir un mecanisme de microenfocament molt precís. El límit de l'ampliació del microscopi és l'ampliació efectiva, i la resolució del microscopi es refereix a la distància mínima entre dos punts d'objecte que es poden distingir clarament pel microscopi.
La resolució i l'ampliació són dos conceptes diferents però relacionats. Quan l'obertura numèrica de la lent objectiu seleccionada no és prou gran, és a dir, la resolució no és prou alta, el microscopi no pot distingir l'estructura fina de l'objecte. En aquest moment, encara que l'augment s'augmenti excessivament, la imatge obtinguda només pot ser una imatge amb un contorn gran però amb detalls poc clars. , anomenada ampliació no vàlida.
Per contra, si la resolució compleix els requisits però l'ampliació és insuficient, el microscopi té la capacitat de resoldre, però la imatge encara és massa petita per ser vista clarament pels ulls humans. Per tant, per tal de donar un joc complet al poder de resolució del microscopi, l'obertura numèrica s'ha d'ajustar raonablement a l'ampliació total del microscopi. El sistema d'il·luminació del focus té un gran impacte en el rendiment d'imatge del microscopi, però és un enllaç que els usuaris passen per alt fàcilment.
La seva funció és proporcionar una il·luminació suficient i uniforme de la superfície de l'objecte. El feix de llum enviat pel condensador ha d'assegurar-se que omple l'angle d'obertura de la lent de l'objectiu, en cas contrari, la resolució més alta que pot assolir la lent de l'objectiu no es pot utilitzar completament. Amb aquesta finalitat, el condensador està equipat amb un diafragma d'obertura variable similar al de la lent de l'objectiu fotogràfic, que pot ajustar la mida de l'obertura i s'utilitza per ajustar l'obertura del feix d'il·luminació perquè coincideixi amb l'angle d'obertura de l'objectiu. lent.
En canviar el mètode d'il·luminació, es poden obtenir diferents mètodes d'observació, com ara punts d'objecte fosc sobre un fons brillant (anomenat il·luminació de camp brillant) o punts d'objecte brillant sobre un fons fosc (anomenat il·luminació de camp fosc), per tal de descobrir i observar millor el microestructura. Un microscopi electrònic és un instrument que utilitza feixos d'electrons i lents d'electrons en comptes de raigs de llum i lents òptiques per a la imatge de les estructures fines de les substàncies amb augments molt elevats basats en el principi de l'òptica electrònica.
El poder de resolució d'un microscopi electrònic es representa per la distància mínima entre dos punts adjacents que pot resoldre. Als anys 1970, la resolució del microscopi electrònic de transmissió era d'uns 0,3 nanòmetres (el poder de resolució de l'ull humà era d'uns 0,1 mm). Ara, l'augment màxim del microscopi electrònic supera els 3 milions de vegades, mentre que l'augment màxim del microscopi òptic és d'unes 2000 vegades, de manera que els àtoms d'alguns metalls pesants i les xarxes atòmiques ordenades al cristall es poden observar directament a través del microscopi electrònic. .
El 1931, Knorr-Bremse i Ruska d'Alemanya van reinstal·lar 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 augmentada més de deu vegades, la qual cosa va confirmar la possibilitat d'una imatge ampliada amb microscopi electrònic. El 1932, després de la millora de Ruska, el poder de resolució del microscopi electrònic va arribar als 50 nanòmetres, unes deu vegades el poder de resolució del microscopi òptic en aquell moment, de manera que el microscopi electrònic va començar a rebre l'atenció de la gent.
Als anys 1940, Hill als Estats Units va utilitzar un astigmatitzador per compensar l'asimetria rotacional de la lent electrònica, 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 amb una resolució de 0.
Microscopi electrònic gran de 3 nm. Tot i que el poder de resolució del microscopi electrònic és molt millor que el del microscopi òptic, és difícil observar organismes vius perquè el microscopi electrònic ha de funcionar en condicions de buit i la irradiació del feix d'electrons també farà que les mostres biològiques ser danyat per la radiació. 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 de la microscòpia electrònica, 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 {{0}} nanòmetres, mentre que la longitud d'ona dels feixos 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 aproximadament 0.
0053 a 0,0037 nm. Atès 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 del microscopi òptic, el poder de resolució del microscopi electrònic encara és molt superior a aquest. del microscopi òptic. El microscopi electrònic consta de tres parts: canó de lent, sistema de buit i armari d'alimentació.
El canó de la lent inclou principalment canons d'electrons, lents d'electrons, porta mostres, pantalles fluorescents i mecanismes de càmera. Aquests components solen estar acoblats en una columna de dalt a baix; el sistema de buit es compon de bombes de buit mecàniques, bombes de difusió i vàlvules de buit. El gasoducte està connectat amb el canó de la lent; l'armari d'alimentació es compon d'un generador d'alta tensió, un estabilitzador de corrent d'excitació i diverses unitats de control d'ajust.
La lent electrònica és la part més important del canó de la lent del microscopi electrònic. Utilitza un camp elèctric espacial o un camp magnètic simètric a l'eix del canó de la lent per doblegar la pista d'electrons cap a l'eix per formar un focus. La seva funció és similar a la d'una lent convexa de vidre per enfocar el feix, per això s'anomena electró. lent. La majoria dels microscopis electrònics moderns utilitzen lents electromagnètiques, que enfocan els electrons a través d'un camp magnètic fort generat per un corrent d'excitació de CC molt estable que passa per una bobina amb sabates de pols.
El canó d'electrons és un component format per un càtode calent de filament de tungstè, una reixeta i un càtode. Pot emetre i formar un feix d'electrons amb una velocitat uniforme, de manera que l'estabilitat de la tensió d'acceleració ha de ser no inferior a una desena mil·lèsima. 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 les seves estructures i usos.
Els microscopis electrònics de transmissió s'utilitzen sovint per observar les estructures de materials fins que no es poden resoldre amb microscopis normals; 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 Microsondes electròniques 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 transmissió rep el nom del feix d'electrons que penetra la mostra i després augmenta la imatge amb la lent electrònica. El seu recorregut òptic és similar al d'un microscopi òptic. En aquest tipus de microscopi electrònic, el contrast en el detall de la imatge es crea per la dispersió del feix d'electrons pels àtoms de la mostra. La part més prima o de menor densitat de la mostra té menys dispersió del feix d'electrons, de manera que més electrons passen pel diafragma objectiu i 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 es destruirà en absorbir l'energia del feix d'electrons. La part superior del canó de la lent del microscopi electrònic de transmissió és un canó d'electrons. Els electrons són emesos pel càtode calent de tungstè, i els feixos d'electrons són enfocats pel primer i segon condensadors.
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 fotocoherent. L'ampliació del mirall intermedi es pot canviar contínuament des de desenes de vegades fins a centenars de milers de vegades, principalment mitjançant l'ajust del corrent d'excitació; canviant la distància focal del mirall intermedi, es poden obtenir imatges de microscòpia electrònica i imatges de difracció d'electrons a les petites parts de la mateixa mostra.
Per tal d'estudiar mostres de rodanxes de metall més gruixudes, el laboratori francès d'òptica electrònica de Dulos va desenvolupar un microscopi electrònic d'ultra alt voltatge amb una tensió acceleradora de 3500 kV. El feix d'electrons del microscopi electrònic d'escaneig no travessa la mostra, sinó que només explora i excita electrons secundaris a la superfície de la mostra. El cristall de centelleig col·locat al costat de la mostra rep aquests electrons secundaris, amplifica i modula la intensitat del feix d'electrons del tub d'imatge, canviant així la brillantor a la pantalla del tub d'imatge.
La bobina de desviació del tub d'imatge manté l'escaneig sincrònic 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 d'un televisor 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 una mostra molt fina; la imatge té un fort efecte tridimensional; pot utilitzar informació com ara electrons secundaris, electrons absorbits i raigs X generats per la interacció entre el feix d'electrons i la substància per analitzar la composició de la substància.
El canó d'electrons i la lent del condensador d'un microscopi electrònic d'escaneig són aproximadament els mateixos que els d'un microscopi electrònic de transmissió, però per tal d'aprimar el feix d'electrons, s'afegeixen una lent objectiu i un astigmatitzador sota la lent del condensador i dos jocs de dins de la lent de l'objectiu s'instal·len feixos d'escaneig mútuament perpendiculars. bobina. La cambra de mostra sota la lent de l'objectiu està equipada amb una etapa de mostra que es pot moure, girar i inclinar.
