Fordeler med elektronmikroskopi vs. lysmikroskopi
Elektronmikroskop optisk mikroskop avbildningsprinsippet likheter og forskjeller
Elektronmikroskop er et instrument som erstatter lysstråle og optisk linse med elektronstråle og elektronlinse etter prinsippet om elektronoptikk, slik at den fine strukturen til materie kan avbildes under svært høy forstørrelse.
Oppløsningskraften til et elektronmikroskop uttrykkes ved den lille avstanden mellom to tilstøtende punkter som det kan løse. På 1970-tallet hadde transmisjonselektronmikroskoper en oppløsning på omtrent 0,3 nanometer (det menneskelige øyet har en oppløsningsevne på omtrent 0,1 millimeter). Nå er den maksimale forstørrelsen av elektronmikroskop mer enn 3 millioner ganger, og den maksimale forstørrelsen av optisk mikroskop er omtrent 2000 ganger, så atomene til visse tungmetaller og det pent ordnede atomgitteret i krystaller kan observeres direkte gjennom elektronmikroskop.
I 1931 modifiserte Knorr-Bremse og Ruska i Tyskland et høyspenningsoscilloskop med en kaldkatodeutladningselektronkilde og tre elektronlinser, og oppnådde et forstørret bilde mer enn ti ganger, noe som bekreftet muligheten for å forstørre avbildning med et elektronmikroskop . . I 1932, etter Ruskas forbedring, nådde elektronmikroskopets oppløsningsevne 50 nanometer, som var omtrent ti ganger oppløsningskraften til det optiske mikroskopet på den tiden, så elektronmikroskopet begynte å tiltrekke seg folks oppmerksomhet.
På 1940-tallet kompenserte Hill i USA for rotasjonsasymmetrien til elektronlinsen med en astigmatiker, som gjorde et nytt gjennombrudd i elektronmikroskopets oppløsningsevne og gradvis nådde det moderne nivået. I Kina ble et transmisjonselektronmikroskop med en oppløsning på 3 nanometer utviklet i 1958, og et storskala elektronmikroskop med en oppløsning på 0,3 nanometer ble laget i 1979.
Selv om oppløsningsevnen til elektronmikroskoper er langt bedre enn den til optiske mikroskoper, er det vanskelig å observere levende organismer fordi elektronmikroskoper må jobbe under vakuumforhold, og bestråling av elektronstråler vil også forårsake strålingsskader på biologiske prøver. Andre problemer, som forbedring av lysstyrken til elektronkanonen og kvaliteten på elektronlinsen, må også studeres videre.
Oppløsningskraften er en viktig indikator på elektronmikroskopet, som er relatert til den innfallende kjeglevinkelen og bølgelengden til elektronstrålen som passerer gjennom prøven. Bølgelengden til synlig lys er omtrent 300 til 700 nanometer, mens bølgelengden til elektronstrålen er relatert til akselerasjonsspenningen. Når akselerasjonsspenningen er 50-100 kV, er elektronstrålebølgelengden omtrent 0.0053-0.0037 nm. Siden bølgelengden til elektronstrålen er mye mindre enn bølgelengden til synlig lys, selv om kjeglevinkelen til elektronstrålen bare er 1 prosent av den til et optisk mikroskop, er oppløsningskraften til et elektronmikroskop fortsatt langt overlegen den. av et optisk mikroskop.
Elektronmikroskopet består av tre deler: linserøret, vakuumsystemet og strømforsyningsskapet. Linserøret inkluderer hovedsakelig elektronkanon, elektronlinse, prøveholder, fluorescerende skjerm og kameramekanisme, som vanligvis er satt sammen til en sylinder fra topp til bunn; vakuumsystemet er sammensatt av mekanisk vakuumpumpe, diffusjonspumpe og vakuumventil, etc. Gassrørledningen er forbundet med linsehylsen; strømforsyningsskapet består av en høyspenningsgenerator, en magnetiseringsstrømstabilisator og ulike justerings- og kontrollenheter.
Elektronlinsen er en viktig del av elektronmikroskopet. Den bruker et romlig elektrisk felt eller magnetfelt symmetrisk til aksen til tønnen for å bøye elektronbanen til aksen for å danne fokus. Dens funksjon ligner på en konveks glasslinse for å fokusere strålen, så den kalles en elektronlinse. . De fleste moderne elektronmikroskoper bruker elektromagnetiske linser, som fokuserer elektronene ved hjelp av et sterkt magnetfelt generert av en veldig stabil DC eksitasjonsstrøm gjennom en spole med en polsko.
Elektronpistolen er en komponent som består av en wolframfilament varm katode, et gitter og en katode. Den kan sende ut og danne en elektronstråle med jevn hastighet, så stabiliteten til akselerasjonsspenningen er ikke mindre enn 1/10,000.
Elektronmikroskoper kan deles inn i transmisjonselektronmikroskop, skanningselektronmikroskop, refleksjonselektronmikroskop og emisjonselektronmikroskop i henhold til deres struktur og bruk. Transmisjonselektronmikroskoper brukes ofte til å observere de fine materialstrukturene som ikke kan skilles fra vanlige mikroskoper; skanningselektronmikroskoper brukes hovedsakelig for å observere morfologien til faste overflater, og kan også kombineres med røntgendiffraktometre eller elektronenergispektrometre for å danne elektroner. Mikroprober for analyse av materialsammensetning; Emisjonselektronmikroskopi for studiet av selvemitterende elektronoverflater.
Projeksjonselektronmikroskopet er oppkalt etter at elektronstrålen trenger inn i prøven og deretter bruker elektronlinsen til å avbilde og forstørre. Dens optiske vei er lik den til et optisk mikroskop. I dette elektronmikroskopet skapes kontrasten til bildedetaljer ved spredning av elektronstrålen av atomene i prøven. Tynnere eller mindre tette deler av prøven sprer elektronstrålen mindre, slik at flere elektroner passerer gjennom objektivåpningen, deltar i avbildningen og ser lysere ut i bildet. Omvendt ser tykkere eller tettere deler av prøven mørkere ut i bildet. Hvis prøven er for tykk eller for tett, vil kontrasten i bildet forringes eller til og med bli skadet eller ødelagt ved å absorbere energien til elektronstrålen.
Toppen av transmisjonselektronmikroskoprøret er elektronkanonen, elektronene sendes ut av wolframfilamentets varme katode, passerer gjennom laseren, og de to andre kondensatorlinsene fokuserer elektronstrålen. Etter å ha passert gjennom prøven, blir elektronstrålen avbildet på det mellomliggende speilet av objektivlinsen, og deretter forstørret trinnvis gjennom det mellomliggende speilet og projeksjonsspeilet, og deretter avbildet på den fluorescerende skjermen eller den fotografiske tørre platen.
Mellomspeilet justerer hovedsakelig eksitasjonsstrømmen, og forstørrelsen kan kontinuerlig endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger; ved å endre brennvidden til det mellomliggende speilet, kan elektronmikroskopbilder og elektrondiffraksjonsbilder oppnås på bittesmå deler av samme prøve. . For å studere tykkere metallskiveprøver har det franske Dulos Electron Optics Laboratory utviklet et ultrahøyspent elektronmikroskop med en akselererende spenning på 3500 kV. Skanneelektronmikroskopstrukturskjema
Elektronstrålen til et skanningselektronmikroskop passerer ikke gjennom prøven, men skanner bare overflaten av prøven for å eksitere sekundære elektroner. En scintillasjonskrystall plassert ved siden av prøven mottar disse sekundære elektronene og modulerer intensiteten til elektronstrålen til bilderøret etter forsterkning, og endrer derved lysstyrken på skjermen til bilderøret. Avbøyningsåket til bilderøret fortsetter å skanne synkront med elektronstrålen på prøveoverflaten, slik at den fluorescerende skjermen til bilderøret viser det topografiske bildet av prøveoverflaten, som ligner arbeidsprinsippet til industriell fjernsyn.
Oppløsningen til et skanningselektronmikroskop bestemmes hovedsakelig av diameteren til elektronstrålen på overflaten av prøven. Forstørrelsen er forholdet mellom skanningsamplituden på bilderøret og skanningsamplituden på prøven, som kontinuerlig kan endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger. Skanneelektronmikroskop krever ikke veldig tynne prøver; bildet har en sterk tredimensjonal effekt; den kan analysere sammensetningen av materie ved å bruke informasjon som sekundære elektroner, absorberte elektroner og røntgenstråler generert av samspillet mellom elektronstråler og materie.
Elektronkanonen og kondensatoren til skanningselektronmikroskopet er omtrent de samme som transmisjonselektronmikroskopet, men for å gjøre elektronstrålen tynnere legges en objektivlinse og en astigmatist under kondensatoren, og to sett med skanningselektroner. som er vinkelrett på hverandre, er installert inne i objektivlinsen. Spole. Prøvekammeret under objektivlinsen rommer prøvebordet som kan flyttes, roteres og vippes.
