Voordelen van elektronenmicroscopie versus optische microscopie
Elektronenmicroscoop Optische microscoop Imaging Principe overeenkomsten en verschillen
Een elektronenmicroscoop is een instrument dat elektronenstralen en elektronenlenzen gebruikt in plaats van lichtstralen en optische lenzen om de fijne structuren van stoffen met zeer hoge vergrotingen in beeld te brengen op basis van het principe van elektronenoptica.
Het oplossend vermogen van een elektronenmicroscoop wordt weergegeven door de kleine afstand tussen twee aangrenzende punten die hij kan oplossen. In de jaren 1970 hadden transmissie-elektronenmicroscopen een resolutie van ongeveer 0,3 nanometer (het oplossend vermogen van het menselijk oog is ongeveer 0,1 millimeter). Nu is de maximale vergroting van de elektronenmicroscoop meer dan 3 miljoen keer, terwijl de maximale vergroting van de optische microscoop ongeveer 2000 keer is, dus de atomen van sommige zware metalen en de netjes gerangschikte atoomroosters in het kristal kunnen direct worden waargenomen door de elektronenmicroscoop .
In 1931 plaatsten Knorr-Bremse en Ruska uit Duitsland een hoogspanningsoscilloscoop opnieuw met een ontladingselektronenbron met koude kathode en drie elektronenlenzen, en verkregen een meer dan tien keer vergroot beeld, wat de mogelijkheid van vergrote beeldvorming met een elektronenmicroscoop bevestigde. In 1932, na de verbetering van Ruska, bereikte het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop 50 nanometer, ongeveer tien keer het oplossend vermogen van de optische microscoop in die tijd, dus begon de elektronenmicroscoop de aandacht van mensen te trekken.
In de jaren 1940gebruikte Hill in de Verenigde Staten een astigmatiseerder om de rotatieasymmetrie van de elektronenlens te compenseren, wat een nieuwe doorbraak betekende in het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop en geleidelijk het moderne niveau bereikte. In China werd in 1958 met succes een transmissie-elektronenmicroscoop ontwikkeld met een resolutie van 3 nanometer en in 1979 werd een grote elektronenmicroscoop met een resolutie van 0,3 nanometer vervaardigd.
Hoewel het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop veel beter is dan dat van de optische microscoop, is het moeilijk om levende organismen waar te nemen omdat de elektronenmicroscoop onder vacuümomstandigheden moet werken, en de bestraling van de elektronenbundel zal er ook voor zorgen dat de biologische monsters worden beschadigd door straling. Ook andere zaken, zoals de verbetering van de helderheid van het elektronenkanon en de kwaliteit van de elektronenlens, moeten verder worden onderzocht.
Oplossend vermogen is een belangrijke indicator van elektronenmicroscopie, die verband houdt met de invallende kegelhoek en golflengte van de elektronenbundel die door het monster gaat. De golflengte van zichtbaar licht is ongeveer {{0}} nanometer, terwijl de golflengte van elektronenstralen gerelateerd is aan de versnellingsspanning. Wanneer de versnellingsspanning 50-100 kV is, is de golflengte van de elektronenbundel ongeveer 0.0053-0.0037 nanometer. Aangezien de golflengte van de elektronenbundel veel kleiner is dan de golflengte van zichtbaar licht, zelfs als de kegelhoek van de elektronenbundel slechts 1 procent is van die van de optische microscoop, is het oplossend vermogen van de elektronenmicroscoop nog steeds veel beter dan dat van de optische microscoop.
Elektronenmicroscoop bestaat uit drie delen: lenscilinder, vacuümsysteem en voedingskast. De lenscilinder omvat voornamelijk elektronenkanonnen, elektronenlenzen, monsterhouders, fluorescerende schermen en cameramechanismen. Deze componenten worden meestal van boven naar beneden in een kolom gemonteerd; het vacuümsysteem bestaat uit mechanische vacuümpompen, diffusiepompen en vacuümkleppen. De gasleiding is verbonden met de lenscilinder; de vermogenskast is samengesteld uit een hoogspanningsgenerator, een bekrachtigingsstroomstabilisator en diverse regeleenheden voor de regeling.
De elektronenlens is een belangrijk onderdeel van de lenscilinder van de elektronenmicroscoop. Het gebruikt een elektrisch ruimteveld of magnetisch veld dat symmetrisch is ten opzichte van de as van de lenscilinder om het elektronenspoor naar de as te buigen om een focus te vormen. Zijn functie is vergelijkbaar met die van een glazen bolle lens om de straal te focussen, daarom wordt het een elektronische lens genoemd. . De meeste moderne elektronenmicroscopen maken gebruik van elektromagnetische lenzen, die elektronen focusseren door middel van een sterk magnetisch veld dat wordt gegenereerd door een zeer stabiele DC-bekrachtigingsstroom die door een spoel met poolschoenen gaat.
Het elektronenkanon is een component die bestaat uit een wolfraamgloeidraad hete kathode, een rooster en een kathode. Het kan een elektronenstraal uitzenden en vormen met een uniforme snelheid, dus de stabiliteit van de versnellingsspanning moet niet minder zijn dan een tienduizendste.
Elektronenmicroscopen kunnen worden onderverdeeld in transmissie-elektronenmicroscopen, scanning-elektronenmicroscopen, reflectie-elektronenmicroscopen en emissie-elektronenmicroscopen op basis van hun structuren en toepassingen. Transmissie-elektronenmicroscopen worden vaak gebruikt om de fijne materiaalstructuren te observeren die niet kunnen worden opgelost door gewone microscopen; scanning-elektronenmicroscopen worden voornamelijk gebruikt om de morfologie van vaste oppervlakken te observeren, en kunnen ook worden gecombineerd met röntgendiffractometers of elektronenenergiespectrometers om elektronische microsondes te vormen voor analyse van materiaalsamenstelling; emissie-elektronenmicroscopie voor de studie van zelfuitstralende elektronenoppervlakken.
De transmissie-elektronenmicroscoop is genoemd naar de elektronenbundel die het monster binnendringt en vervolgens het beeld vergroot met de elektronenlens. Het optische pad is vergelijkbaar met dat van een optische microscoop. In dit type elektronenmicroscoop wordt het contrast in beelddetail gecreëerd door de verstrooiing van de elektronenbundel door de atomen van het monster. Het dunnere deel of het deel met lagere dichtheid van het monster heeft minder elektronenbundelverstrooiing, zodat meer elektronen door het objectiefdiafragma gaan en deelnemen aan beeldvorming, en helderder in het beeld verschijnen. Omgekeerd lijken dikkere of dichtere delen van het monster donkerder in de afbeelding. Als het monster te dik of te dicht is, zal het contrast van het beeld verslechteren of zelfs beschadigd of vernietigd worden door de energie van de elektronenbundel te absorberen.
De bovenkant van de transmissie-elektronenmicroscoopkolom is het elektronenkanon, de elektronen worden uitgezonden door de hete kathode van wolfraam, gaan door de eerste en de tweede twee condensorspiegels focussen de elektronenstraal. Na het passeren van het monster wordt de elektronenbundel afgebeeld op de tussenspiegel door de objectieflens, en vervolgens stap voor stap vergroot door de tussenspiegel en projectiespiegel, en vervolgens afgebeeld op het fluorescerende scherm of de fotocoherente plaat.
De vergroting van de tussenspiegel kan continu worden gewijzigd van tien keer tot honderdduizend keer, voornamelijk door aanpassing van de excitatiestroom; door de brandpuntsafstand van de tussenspiegel te veranderen, kunnen elektronenmicroscopische beelden en elektronendiffractiebeelden worden verkregen op de kleine delen van hetzelfde monster. Om dikkere metalen plakmonsters te bestuderen, ontwikkelde het Franse Dulos Electron Optics Laboratory een ultrahoogspanningselektronenmicroscoop met een versnellingsspanning van 3500 kV. Schematisch diagram van de structuur van een scanning-elektronenmicroscoop
De elektronenbundel van de scanning-elektronenmicroscoop gaat niet door het monster, maar scant en exciteert alleen secundaire elektronen op het oppervlak van het monster. Het naast het monster geplaatste scintillatiekristal ontvangt deze secundaire elektronen, versterkt en moduleert de intensiteit van de elektronenbundel van de beeldbuis, waardoor de helderheid op het scherm van de beeldbuis verandert. De afbuigspoel van de beeldbuis blijft synchroon scannen met de elektronenstraal op het oppervlak van het monster, zodat het fluorescerende scherm van de beeldbuis het topografische beeld van het monsteroppervlak weergeeft, wat vergelijkbaar is met het werkingsprincipe van een industriële tv .
De resolutie van een rasterelektronenmicroscoop wordt voornamelijk bepaald door de diameter van de elektronenbundel op het monsteroppervlak. De vergroting is de verhouding van de scanamplitude op de beeldbuis tot de scanamplitude op het monster, die continu kan worden gewijzigd van tien keer tot honderdduizend keer. Scanning-elektronenmicroscopie vereist geen zeer dunne monsters; de afbeelding heeft een sterk driedimensionaal effect; het kan informatie gebruiken zoals secundaire elektronen, geabsorbeerde elektronen en röntgenstralen die worden gegenereerd door de interactie tussen elektronenstralen en stoffen om de samenstelling van stoffen te analyseren.
Het elektronenkanon en de condensorlens van een scanning-elektronenmicroscoop zijn ongeveer hetzelfde als die van een transmissie-elektronenmicroscoop, maar om de elektronenbundel dunner te maken, worden onder de condensorlens een objectieflens en een astigmatisator toegevoegd, en twee sets van binnen de objectieflens zijn onderling loodrechte scanbundels geïnstalleerd. spoel. De monsterkamer onder de objectieflens is uitgerust met een monstertafel die kan bewegen, roteren en kantelen.
