ลักษณะการทำงานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน

ลักษณะการทำงานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน

การแนะนำ

หลักการถ่ายภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน ความแตกต่างคือในอดีตใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งกำเนิดแสงและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเลนส์ นอกจากนี้ เนื่องจากพลังทะลุทะลวงของลำแสงอิเล็กตรอนอ่อนแอมาก ชิ้นงานที่ใช้สำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงต้องสร้างเป็นส่วนที่บางเฉียบและมีความหนาประมาณ 50 นาโนเมตร ชิ้นส่วนนี้ต้องทำด้วย ultramicrotome กำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถขยายได้ถึงเกือบหนึ่งล้านเท่า ประกอบด้วยห้าส่วน: ระบบส่องสว่าง ระบบภาพ ระบบสุญญากาศ ระบบบันทึก และระบบจ่ายไฟ หากแบ่งย่อย: ส่วนหลักคือเลนส์อิเล็กทรอนิกส์และระบบบันทึกภาพ ปืนอิเล็กตรอน, กระจกคอนเดนเซอร์, ห้องตัวอย่าง, เลนส์ใกล้วัตถุ, กระจกกระจายแสง, กระจกกลาง, กระจกฉายภาพ, จอเรืองแสงและกล้องในสุญญากาศ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้อิเล็กตรอนเพื่อเปิดเผยภายในหรือพื้นผิวของวัตถุ ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนความเร็วสูงสั้นกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็น (ความเป็นคู่ของคลื่น-อนุภาค) และความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์จะถูกจำกัดโดยความยาวคลื่นที่ใช้ ดังนั้น ความละเอียดทางทฤษฎีของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (ประมาณ 0.1 นาโนเมตร) จึงสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาก อัตรา (ประมาณ 200 นาโนเมตร)

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (เรียกสั้น ๆ ว่า TEM) เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน [1] คือการฉายลำแสงอิเล็กตรอนแบบเร่งและเข้มข้นไปยังตัวอย่างที่บางมาก และอิเล็กตรอนจะชนกับอะตอมในตัวอย่างเพื่อเปลี่ยนทิศทาง ดังนั้น ทำให้เกิดการกระเจิงมุมทึบ . ขนาดของมุมกระจายจะสัมพันธ์กับความหนาแน่นและความหนาของตัวอย่าง ดังนั้นจึงสามารถสร้างภาพที่มีความสว่างและความมืดต่างกันได้ และภาพจะแสดงบนอุปกรณ์สร้างภาพ (เช่น หน้าจอเรืองแสง ฟิล์ม และส่วนประกอบข้อต่อไวแสง) หลังจากซูมเข้าและโฟกัส

เนื่องจากความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน de Broglie สั้นมาก ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจึงสูงกว่าของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาก ซึ่งสามารถเข้าถึง 0.1-0.2 นาโนเมตร และกำลังขยายเท่ากับ นับหมื่นถึงล้านครั้ง ดังนั้น การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านจึงสามารถใช้สังเกตโครงสร้างละเอียดของตัวอย่างได้ แม้แต่โครงสร้างของอะตอมเพียงคอลัมน์เดียว ซึ่งเล็กกว่าโครงสร้างที่เล็กที่สุดหลายหมื่นเท่าที่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง TEM เป็นวิธีการวิเคราะห์ที่สำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์มากมายที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์และชีววิทยา เช่น การวิจัยโรคมะเร็ง ไวรัสวิทยา วัสดุศาสตร์ ตลอดจนนาโนเทคโนโลยี การวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ เป็นต้น

เมื่อใช้กำลังขยายต่ำ ความเปรียบต่างในการถ่ายภาพ TEM ส่วนใหญ่เกิดจากการดูดกลืนอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันเนื่องจากความหนาและองค์ประกอบของวัสดุต่างกัน เมื่อกำลังขยายหลายเท่าสูง ความผันผวนที่ซับซ้อนจะทำให้เกิดความแตกต่างในความสว่างของภาพ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีความรู้ระดับมืออาชีพในการวิเคราะห์ภาพที่ได้รับ การใช้โหมดต่างๆ ของ TEM ทำให้สามารถถ่ายภาพตัวอย่างตามคุณสมบัติทางเคมี การวางแนวผลึกศาสตร์ โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ การเลื่อนเฟสทางอิเล็กทรอนิกส์ของตัวอย่าง และโดยทั่วไปโดยการดูดกลืนอิเล็กตรอน

TEM ตัวแรกได้รับการพัฒนาโดย Max Knorr และ Ernst Ruska ในปี 1931 กลุ่มวิจัยนี้ได้พัฒนา TEM ตัวแรกที่มีความละเอียดเหนือแสงที่มองเห็นได้ในปี 1933 และ TEM เชิงพาณิชย์ตัวแรกในปี 1939 ประสบความสำเร็จ

TEM ขนาดใหญ่

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านขนาดใหญ่ (TEM แบบธรรมดา) โดยทั่วไปจะใช้ 80-300kV แรงดันการเร่งลำแสงอิเล็กตรอน โมเดลต่างๆ สอดคล้องกับแรงดันการเร่งลำแสงอิเล็กตรอนที่แตกต่างกัน ความละเอียดเกี่ยวข้องกับแรงดันเร่งลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถเข้าถึง 0.2-0.1 นาโนเมตร รุ่นไฮเอนด์สามารถแยกแยะระดับอะตอมได้

TEM แรงดันต่ำ

แรงดันการเร่งลำแสงอิเล็กตรอน (5kV) ที่ใช้ใน TEM ขนาดเล็กแรงดันต่ำ (LVEM อิเล็กตรอนแบบแรงดันต่ำ) นั้นต่ำกว่า TEM ขนาดใหญ่มาก แรงดันเร่งที่ต่ำลงจะช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของอันตรกิริยาระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนกับตัวอย่าง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคอนทราสต์และความเปรียบต่างของภาพ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับตัวอย่าง เช่น โพลิเมอร์และชีววิทยา ในขณะเดียวกัน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแรงดันต่ำจะทำให้ตัวอย่างเสียหายน้อยลง

ความละเอียดต่ำกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขนาดใหญ่ 1-2nm เนื่องจากแรงดันต่ำจึงสามารถรวม TEM, SEM และ STEM ไว้ในเครื่องเดียวได้

ไครโอ-อีเอ็ม

กล้องจุลทรรศน์แบบใช้ความเย็นมักจะติดตั้งอุปกรณ์แช่แข็งตัวอย่างบนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านธรรมดาเพื่อทำให้ตัวอย่างเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว (77K) ซึ่งใช้ในการสังเกตตัวอย่างที่ไวต่ออุณหภูมิ เช่น โปรตีนและชิ้นชีวภาพ โดยการแช่แข็งตัวอย่าง สามารถลดความเสียหายของลำแสงอิเล็กตรอนต่อตัวอย่าง ลดการเสียรูปของตัวอย่าง และทำให้ได้รูปร่างตัวอย่างที่เหมือนจริงมากขึ้น