Электронная микроскопия — метод, виды и особенности

Электронная микроскопия – один из методов исследования микроструктуры твердых тел, их электрических и магнитных полей, локального состава с применением совокупности электронно-зондовых методов. Данная технология была запатентована в 1931 году Р. Руденбергом, который создал первый в мире электронный микроскоп. Сегодня – это один из наиболее эффективных и передовых методов исследования, который широко используется на предприятиях, в научных, учебных лабораториях.

Метод электронной микроскопии

Данная технология стала основой в создании электронных микроскопов – приборов, в которых для построения изображения используется не световой луч, а поток электронов в вакуумной среде. Роль оптических линз, которые используются в обычных микроскопах, здесь отведена электронному полю. Именно оно и фокусирует электроны. Электромагнитное поле формируется электромагнитными катушками.

Изображение передается на флюоресцирующий экран, где его можно сфотографировать и рассмотреть детально. К изучаемым объектам предъявляется ряд требований:

1. Необходима предварительная фиксация и обработка. Объекты в процессе работы будут находиться в глубоком вакууме.
2. Маленькая толщина. Поток электронов будет сильно поглощаться объектом. И большую толщину он не «пробьет». В качестве объектов используются срезы, толщиной от 20 до 50 нм. Для удобства работы их размещают на тонкие прозрачные пленки.
3. Равномерность слоя. Перед началом исследования проводится механическая обработка. Она способна обеспечить постоянную толщину образца.

Разрешающая способность у электронных микроскопов значительно выше, чем у оптических. Величина 0,15 нм (15 А) позволяет получать увеличение в миллионы раз, что идеально подходит для изучения микроскопических объектов.

Основные особенности

Суть метода электронной микроскопии в том, что через исследуемый образец подается электронный пучок разной энергии. Под воздействием электромагнитного поля он фокусируется на поверхности в виде пятна, в диаметре не превышающего 5 нм. Это пятно и выполняет «изучение» объекта. Соприкасаясь с поверхностью, электронный пучок частично проникает в нее, вытесняя не только электроны, но и фотоны. Они попадают на лучевую трубку, где и из них и формируется изображение.

В сравнении со световыми (оптическими) микроскопами, электронные обладают преимуществами:

1. Можно получать очень большое увеличение (вплоть до 300000) с сохранением высокого разрешения, вплоть до атомов. Такой результат достигается при прямом наблюдении объекта. То есть не требуется дополнительных увеличений.
2. Позволяют изучать химический состав образца по точкам. Используется спектральный анализ рентгеновского излучения, которое возбуждается электромагнитным потоком.
3. Пользователь получает прямую электронно-оптическую информацию об исследуемом объекте. При необходимости ее можно будет дополнить сопутствующими данными, основываясь на электронной дифракции электронов с веществом. Как пример: при помощи дифракционного контраста изображений определяются кристаллографические показатели.
4. Обеспечивает возможность дополнительного воздействия на объект в ходе исследования. Его можно нагревать, облучать, деформировать, намагничивать. Наблюдение за процессами будет динамическим. Есть возможность фото- и видеофиксации происходящего. Качество изображения будет достаточно высоким.
5. Есть возможность наблюдать за рельефом поверхности, анализируя катодолюминесценцию. Такую возможность предоставляет электронная растровая разновидность микроскопии.

Виды электронной микроскопии

Выделяют 2 основных вида электронной микроскопии:

1. Просвечивающая или трансмиссионная – ПЭМ.
2. Сканирующая или растровая – СЭМ.

Просвечивающая электронная микроскопия

В микроскопах, работающих по этой технологии на объект, воздействует пучок ускоренных электронов, обладающих энергией от 50 до 200 кэВ. Те электроны, которые образец не пропустит, будут отклоняться на небольшой угол. И они, и те, которые пройдут через исследуемый объект с незначительными энергетическими потерями, попадают на магнитные линзы. В результате на фотопленке или люминесцентном экране формируется изображение внутренней структуры. Хорошие результаты дает при исследовании ультратонких образцов – менее 0,1 мкм в толщину.

При работе с ПЭМ одна из наиболее важных задач – различать природу контрастов:

• Абсорбционный. Результат неупругого рассеивания электронов, которые проходят через образец. Более плотные элементы будет выделяться темным на общем белом фоне. Если состав образца однородный, контрастировать будут участки разной толщины. Применяется при исследовании микрочастиц на аморфной пленке.
• Дифракционный. Формируется при упругом рассеивании электронов, которые проходят через исследуемый образец на неподвижных и стандартно размещенных атомах кристаллической решетки. Подходит для определения кристаллической структуры и размеров решетки.
• Амплитудный. Контраст такого типа образуется в результате выделения одного конкретного рефлекса из общей дифракционной картины. Его изображение передается на оптическую ось. При этом прямой пучок окажется на экране светлым, а тот, который отклонился (дифрагированный) – темным. Неоднородности укажут на дефекты кристаллической решетки. Применяется такой метод исследования для определения несовершенства кристаллической решетки, ее природы и свойств.
• Фазовый. Образуется при многопучковой электронной дифракции как результат уменьшения или увеличения амплитуды волн с разным сдвигом по фазе. Позволяет определять ориентацию кристаллических решеток разных фаз образца, дефекты решеток.

Одна из разновидностей ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ). Формируется в случае, когда пучок электронов падает параллельно оси кристаллов в условиях фазового контраста. Позволяет диагностировать даже мельчайшие неоднородности кристаллической решетки.

Сканирующая электронная микроскопия

Сканирующей электронной микроскопией (СЭМ) получают изображения поверхности исследуемого образца с высокой разрешающей способностью. Получают трехмерные картинки, которые будут удобными в процессе изучения структуры. Дополнительно можно использовать методики EDX, WDX, чтобы получить информацию о химическом составе околоповерхностных слоев.

В оборудовании сфокусированный электронный пучок средней энергии сканирует образец. Предусмотрено несколько режимов работы:

1. Режим отраженных электронов.
2. Режим вторичных электронов.
3. Режим катодолюминиценции и пр.

Эти методики позволяют не только изучать свойства поверхности, но и получать наглядную информацию о структурах, расположенных на несколько микрон ниже верхнего слоя.

СЭМ может работать только с образами, которые можно погружать в вакуум – твердыми. Жидкие среды предварительно подвергают криозаморозке. Форма и размеры образца ограничиваются только размерами рабочей камеры микроскопа. Эффективность исследования можно повысить путем напыления слоя токопроводящего материала.

Возможности

Технология электронной микроскопии постоянно развивается:

1. совершенствуются способы подготовки образцов;
2. разрабатываются методики для получения более качественной и широкой информации;
3. улучшается электронная оптика;
4. повышается чувствительность методов анализа применением спектрометрических систем;
5. разрабатываются методики компьютерной обработки изображений с целью получения более широкой информации о структуре;
6. тестируются методы компьютеризации, автоматизации путем подключения к микроскопу дополнительной аппаратуры и пр.

Благодаря последним наработкам метод электронной микроскопии используют уже и при работах с влажными образцами, исключая нарушение их структуры и локального состава. Для этого применяется низкотемпературное замещение воды, сверхбыстрое замораживание в среде хладагента, прижим к металлу, который охлаждается жидким азотом и пр. Существенно возможности метода расширило использование компьютерной техники, в частности математическая обработка электронных изображений. Теперь изображения можно запоминать, корректировать контрастность, добавлять оттенки цветов, выделять микроструктуры, убирать шумы, выделять границы исследуемых участков и пр.

Области применения

Метод электронной микроскопии используют для изучения поверхности объектов, ультратонких срезов тканей, микробов. С его помощью определяют строение жгутиков, вирусов и пр. Оборудование, основанное на этой технологии, широко используется в различных научных и производственных отраслях:

1. Полупроводники, хранение данных. Выполняется анализ дефектов, трехмерная метрология, определяются неисправности, редактируются рабочие схемы.
2. Биология и медицина. Электронные микроскопы применяют в криобиологии, электронной и клеточной томографии, вирусологии, стекловании. С их помощью определяют локализацию белков, анализируют частички, выполняют фармацевтический контроль качества, получают трехмерные изображения тканей.
3. Промышленности. Электронные микроскопы позволяют снимать плоские и трехмерные микрохарактеристики, параметры частиц, проводить динамические эксперименты с материалами, получения изображения высокого разрешения. Они применяются в химической, нефтехимической горнодобывающей отрасли, микротехнологии, судебной медицине и пр.
4. Научно-исследовательские лаборатории. Электронная микроскопия позволяет делать квалификацию материалов, создавать нанопрототипы, исследовать микроструктуры металлов, подбирать материалы и образцы. Микроскопы также применяются для тестирования и снятия характеристик.

Главная задача – подобрать микроскоп, работающий электронным методом под особенности предстоящих работ. В каталоге компании «Sernia Инжиниринг» можно подобрать подходящее оборудование для любой научно-исследовательской и производственной задачи. Приборы поставляются по Москве, Санкт-Петербургу и в другие регионы РФ. Все они имеют сертификаты соответствия, на них действуют гарантии. Узнать актуальные цены, условия сотрудничества, получить консультации и помощь в выборе можно у менеджеров компании. Свяжитесь с ними по телефону или через онлайн-форму.

А.С.Илюшин, А.П.Орешко. Введение в дифракционный структурный анализ. М.: физический факультет МГУ, 2008

Как работает электронный микроскоп? Разбор

Давайте начнем с маленькой загадки — как вы думаете, что это такое?

Ну а пока представьте, что вы хотите рассмотреть что-то очень маленькое, то что невозможно увидеть просто “присмотревшись повнимательнее”? Или вы хотите увидеть самые мелкие детали чего-то? Что вы используете?

Первое, что приходит в голову — использовать лупу или сразу взяться за микроскоп!

Но что делать, если вы хотите рассмотреть саму структуру чего-то, например, увидеть транзистор в процессоре?

Что вы сделаете? Просто переключитесь в микроскопе на линзу с большим увеличением? Сработает ли это?

Сегодня мы с вами покроем множество очень интересных тем:

• посмотрим на настоящий электронный микроскоп,
• поймем — зачем он вообще нужен,
• разберемся как увеличить что-то в сотни тысяч раз с помощью электронов и расскажем как человек научился видеть отдельные атомы!

Все как вы любите! Подробно и понятно…

Ну и еще сразу вам тут затравочку — сегодня мы посмотрим на Droider в настоящий электронный микроскоп! И нет — это не кликбейт!

Наверняка кто-то из вас в детстве по примеру Шерлока Холмса с помощью обычной линзы разглядывал все вокруг! Ведь это так круто видеть что-то в увеличении — создается ощущение, что открывается абсолютно новый, неизведанный маленький мир.

Так вот, если говорить простыми словами, то по принципу обычной увеличительной линзы и работает обычный оптический микроскоп!

Конечно, его устройство сильно сложнее — микроскоп это комбинация линз с заранее подобранными оптическими параметрами, которые собраны в правильной комбинации. Однако, сам принцип работы остается тем же.

Свет в видимом диапазоне длин волн либо проходит сквозь объект, либо отражается от поверхности, и, проходя, через систему увеличивающих и фокусирующих линз попадает сначала в окуляр и потом к нам в глаз.

Современные оптические микроскопы — это действительно массивные и сложные устройства, состоящие из десятков различных линз и зеркал, которые собраны в особом порядке, чтобы дать человеку возможность смотреть на объекты разного типа и с разным увеличением!

И линзы бывают разные. От линз с 2-3 кратным увеличением до довольно массивных линз со способностью увеличивать объекты в 100 раз. Только посмотрите на разрез линзы от компании Цайз с 50кратным увеличением! А комбинацией с правильным окуляром можно добиться увеличения даже в две тысячи раз.

Проблема

И тут мы можем задать вопрос — в чем же тогда проблема вообще? Ведь можно просто до безумия искривлять линзы и создавать сложные системы, которые будут увеличивать даже в десятки тысяч раз. Таким образом мы и сможем посмотреть на самые крошечные детали чего угодно! Но все как обычно очень непросто и связано это с физическими ограничениями видимого света!

Ведь видимый свет это волна с определенной длинной. Оптический микроскоп использует его оптический спектр, то есть примерно от 800 до 400 нанометров.

А физика, бессердечная такая сволочь, к сожалению не позволяет нам, различать объекты, которые меньше примерно половины длины волны. То есть с помощью обычного оптического микроскопа, мы не сможем различить ничего что мельче примерно 200 нанометров.

Это ограничение получило название в честь Немецкого ученого Эрнста Аббе, которое так и называется — Дифракционный предел Аббе. И он позволяет получить значение минимального разрешения не только для видимого света, но и для любой другой электромагнитной волны. Вы ведь помните что свет — это тоже электромагнитная волна?

Внимательный наш читатель вспомнит, что эту же формулу мы показывали вам в ролике про экстремальную ультрафиолетовую литографию, когда говорили об ограничении разрешения для глубокого ультрафиолета. Так вот тут тоже самое.

Современные микроскопы со специальными линзами, конечно, умеют смотреть на маленькие объекты и позволяет, например, увидеть живые клетки или даже бактерии, но этого все равно не хватает, например, чтобы увидеть вирусы — тот же самый SARS-COV-2.

​​Решение проблемы

И как же обойти эту проблему? Да и вообще возможно ли ее обойти? Оказалось? что да. В целом есть два пути.

STED микроскопия

Первый путь, о котором мы вам тут расскажем — это изобретение за которое совсем недавно, в 2014 году, была вручена Нобелевская премия по химии.

Это так называемая STED или микроскопия на основе подавления спонтанного испускания. Именно она позволяет преодолеть дифракционный предел оптического микроскопа.

Правда у технологии есть ограничение — совсем не все материалы можно рассмотреть в такой микроскоп. Но она позволила видеть различные сложные белковые, да и другие органические соединения!

Это связано с тем, что необходимо смотреть на материалы, которые могут переходить в особое состояние под воздействием лазерного излучения. То есть в состояние, когда они сами начинают испускать свет!

Как же это работает?

Тут используется два лазера, один из которых называется возбуждающий лазер, и второй, специально подобранный по параметрам длины волны. Он называется охлаждающим лазером.

Этот охлаждающий лазер компенсирует по периметру возбуждение от первого лазера и в результате сочетания этих волн создается очень маленькая область, которая начинает светиться. Появилась возможность различать объекты величиной уже около 30 нм, что уже позволяет видеть вирусы, например! А это почти в 7 раз меньше, чем у обычного микроскопа! Все равно, что с Земли рассмотреть футбольный мяч на Луне! Вот такой вот элегантный метод обмануть физику!

Электронный микроскоп

Ну хорошо. Теперь мы разобрались с тем, как можно преодолеть физический барьер в оптической микроскопии. Какой же второй путь обхода барьера? Да и что делать, если мы хотим увидеть неорганические вещества или вообще что-то меньше 30 нанометров?

И тут мы опять возвращаемся к нашей формуле, которая говорит нам о том, что максимальное разрешение — это половина длины электромагнитной волны. И ученые подумали — а зачем использовать видимый спектр, когда можно взять что-то с очень короткой длиной волны и пошли смотреть, что же там есть в коротковолновом спектре!

В общем, они решили не мелочиться и использовать сразу пучок электронов. Ведь длина волны электронов, ускоренных в электрическом поле равна примерно 0,4 Ангстрем. Или 0.04 нанометра! Это в 10 тысяч раз меньше, чем у видимого света! Кстати, если вы не знали, то размер атома водорода как раз около 1 Ангстрема. Итак, давайте разберемся что же такого крутого в электронных микроскопах!

Источник электронов и линзы

Сам концепт и первый прототип такого микроскопа был представлен, вы не поверите, еще в 1932 году, в Германии, и выглядел он вот так!

В целом, принцип работы с тех пор остался почти неизменный, хотя конечно его использование стало намного более User Friendly.

Но как же он работает?

Если вы смотрели наше крутое видео о магии создания процессора или читали материал, то там мы рассказывали, что для испарения некоторых материалов используется сфокусированный луч электронов и источником этих электронов служит вольфрамовая нить. В электронном микроскопе все примерно также. Зачастую вольфрам служит источником электронов. Тонкая нить нагревается до высоких температур и начинает испускать электроны в большом количестве.

А дальше начинается самое интересное. Эти электроны надо ускорить и сфокусировать. Да — сфокусировать именно так, как вы фиксируете свет в вашем объективе или обычном оптическом микроскопе. Только в этом случае воспользоваться стеклянными линзами просто не получится — весь электронный пучок полностью поглотится на самой первой линзе. В итоге для этого надо использовать электростатические линзы. Фактически, это такие электроды специальной формы, которые создает определенное электромагнитное поле. Это и позволяет фокусировать луч электронов, а также ускорять их до больших энергий!

Так же как и свет, падающий на поверхность материала в оптическом микрокопе, электронный луч дает нам информацию и позволяет фактически увидеть образец.

СЭМ

Тут стоит сказать, что в целом существует два основных типа электронных микроскопов, которые очень сильно отличаются.

Первый — это так называемый сканирующий электронный микроскоп, или просто СЭМ.

В нем сфокусированный пучок электронов попадает на поверхность образца практически любого размера, и происходит магия физики, из-за которой одни электроны выбивают другие электроны из атомов материала, на который мы смотрим.

Эти новые электроны называются вторичными и обладают относительно маленькими энергиями, что и позволяет специальному детектору их легко улавливать. Появление этих вторичных электронов происходит очень локально и это позволяет повысить точность получение изображения.

Дальше сфокусированный пучок начинает сканировать поверхность материала и в зависимости от рельефа поверхности на детектор попадает разное количество вторичных электронов. Вот так и получается картинка.

Именно поэтому все изображения с электронного микроскопа черно-белые. То есть фактически — это просто разная интенсивность в разных участках снимка. А любые цветные изображения с электронного микроскопа — это просто раскрашенные картинки.

СЭМы — самые часто используемые микроскопы на производствах процессоров, так как они позволяют быстро посмотреть на качество поверхности, да и вообще их используют для контроля на каждом этапе изготовления.

ПЭМ

И перед тем, как мы посмотрим на Droider в микроскоп, надо рассказать про еще один незаменимый инструмент в руках ученых и инженеров!

Это просвечивающий электронный микроскоп или ПЭМ! Это огромная труба, занимающая одну, а то и две комнаты. А стоит он около миллиона долларов. Но на самом деле интересно не то сколько он стоит, тут понятно что такая техника очень дорогая.

Интересно то, что для его работы строят специальные комнаты, с огромными бетонными подушками, уходящими на много метров под землю. Они нужны чтобы гасить любые вибрации и возмущения — вот настолько чувствительно это оборудование. Если бы не такие подушки, то любое изображение было бы смазанным из-за того, что кто-то хлопнул дверью в другом конце здания.

Его отличие от СЭМа в том, что он имеет гораздо большее разрешение! И связано это с особенностями самого образца и пучка электронов.

Если в СЭМе мы регистрировали новые электроны, которые вылетели из нашего образца под воздействием электронного пучка, то в ПЭМе мы смотрим на то как меняется наш исходный пучок электронов, который пролетел сквозь образец.

Суть в том, что пролетая через образец и взаимодействуя с атомами материала электроны меняются, а дальше попадают в детектор, который уже и говорит нам о том, как именно поменялся сам исходный пучок электронов.

Если вы внимательно слушали наше объяснение, то вы можете спросить, как же так — ведь электроны просто рассеются в образце и мы ничего не увидим.

И вы будете абсолютно правы! Ведь для ПЭМа нужно специально подготавливать образцы — они должны быть очень тонкими. До 100 нанометров, а вообще чем тоньше, тем лучше. В идеале всего десять-двадцать нанометров.

Для этого используются сложные методы подготовки образцов, например специальный луч ионов, который как тонкий лазер вырезает маленький кусок образца, который потом исследуют уже в микроскопе. Это и позволяет с помощью ПЭМа ученым видеть даже отдельные атомы!

Вот посмотрите: каждая точка это атом Палладия, видно даже то насколько ровная кристаллическая решетка у материала! Обратите внимание на шкалу в левом нижнем углу, всего один нанометр. И мы уже сейчас можем такое видеть, потрясающе!

Droider в электронном микроскопе

Теперь когда мы с вами разобрались с тем, как работает электронный микроскоп — настало время посмотреть на надпись Droider в настоящий электронный микроскоп, а точнее в СЭМ. Она была вырезана лазером на тонком листе нержавеющей стали. Более того были сделаны много надписей от большой, до надписи размером несколько микрометров.

Тут вы видите загрузку этой пластины в микроскоп!

А вот сама пластина в микроскопе уже. Кстати на всех этих картинках обращайте внимание на шкалу масштаба и на цифры в у параметра Mag, то есть увеличение! Вот уже можно рассмотреть надпись Droider с увеличением в 55 раз.

Так едем вниз к надписи поменьше.

Интересно, а какой толщины буква i в этой надписи — давайте глянем. Всего 100 микрометров, чуть толще человеческого волоса.

Так? но есть надпись и еще меньше — едем еще ниже и смотрим внимательнее.

Тут уже видно что увеличение 200 раз, но сама надпись уже плохо различима. Но это проблема не микроскопа, а лазера которым вырезалась надпись. Он просто не может такую мелкую надпись сделать! Ведь тут буква i уже 40 микрометров.

Но раз мы уткнулись в ограничения лазера, то давайте вернемся обратно, к самой большой надписи и посмотрим на структуру самой стали. Итак вот самая большая i. Пол миллиметра в толщине. Приближаем к нижнему краю.

Так увеличение уже почти полторы тысячи раз. Самое время посмотреть на то какой толщины след от лазера. Всего 40 микрометров.

Едем еще ближе и вот увеличение уже 6300 раз. Вот и ответ на наш вопрос из начала видео — это структура обработанной и необработанной стали!

Давайте посмотрим еще ближе теперь увеличение уже 40 тысяч раз. Мы уже в наномире! Смотрите какая красота — это сталь, по которой прошелся лазерный луч, когда вырезал букву i в слове Droider!

Но еще интересно глянуть, как выглядела сталь до обработки — что ж давайте глянем с таким же увеличением. Разница огромная!

Ну и наконец, давайте глянем на обработанную сталь с огромным увеличением в 300 тысяч раз. Ширина этого канала от лазера всего 300 нанометров!

Выводы

Электронный микроскоп — незаменимый инструмент в руках ученых и инженеров. Он не просто позволяет посмотреть на что-то маленькое — он позволяет увидеть саму структуру материалов, вплоть до атомов! Кроме того эти микроскопы позволяют смотреть не только на структуру, но и определять химический состав материала!

Это все очень полезно, когда например инженеры на производстве микропроцессоров или экранов пытаются понять, где и какой материал они осадили, как выглядят их транзисторы, много ли дефектов, да и вообще выявить брак.

Конечно, мы тут почти не сказали о том, как подготавливаются образцы для изучения, и например о том, что все такие микроскопы работают в глубоком вакууме, для получения которого используют специальные насосы, которые вращаются со скоростью в 50 тысяч оборотов в минуту. В общем, нам есть, что обсудить и рассказать…

Post Views:
5 749

Электронный микроскоп

— определение, принцип действия, типы, применение, маркированная схема

27 мая 2022 г. 4 апреля 2022 г. Сагар Арьял

Содержание

Что такое электронный микроскоп?

Электронный микроскоп — это микроскоп, в котором в качестве источника освещения используется пучок ускоренных электронов. Это особый тип микроскопа с высоким разрешением изображений, способный увеличивать объекты в нанометрах, которые образуются за счет контролируемого использования электронов в вакууме, захваченных на фосфоресцентном экране. Эрнст Руска (1906-1988), немецкий инженер и академический профессор, построил первый электронный микроскоп в 1931 году, и те же принципы, лежащие в основе его прототипа, до сих пор управляют современными ЭМ.

Принцип работы электронного микроскопа

Электронные микроскопы используют сигналы, возникающие при взаимодействии электронного луча с образцом, для получения информации о структуре, морфологии и составе.

1. Электронная пушка генерирует электроны.
2. Два комплекта конденсорных линз фокусируют электронный пучок на образце, а затем превращают его в тонкий плотный пучок.
3. Для перемещения электронов вниз по столбу между вольфрамовой нитью накала и анодом прикладывается ускоряющее напряжение (в основном в диапазоне от 100 кВ до 1000 кВ).
4. Исследуемый образец сделан очень тонким, как минимум в 200 раз тоньше, чем образцы, используемые в оптическом микроскопе. Делаются ультратонкие срезы размером 20-100 нм, которые уже размещены на держателе образца.
5. Электронный луч проходит через образец, и электроны рассеиваются в зависимости от толщины или показателя преломления различных частей образца.
6. Более плотные области образца рассеивают больше электронов и, следовательно, кажутся более темными на изображении, так как в эту область экрана попадает меньше электронов. Напротив, прозрачные области ярче.
7. Электронный пучок, выходящий из образца, попадает на линзу объектива, которая имеет большое увеличение и формирует промежуточное увеличенное изображение.
8. Затем окулярные линзы создают окончательное увеличенное изображение.

Типы электронных микроскопов

Существует два типа электронных микроскопов с разными стилями работы:

1. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

• Просвечивающий электронный микроскоп используется для просмотра тонких образцов, через которые могут проходить электроны, создавая проекционное изображение.
• ПЭМ во многом аналогичен обычному (составному) световому микроскопу.
• ТЭМ используется, среди прочего, для изображения внутренней части клеток (в тонких срезах), структуры белковых молекул (в отличие от металлической тени), организации молекул в вирусах и филаментах цитоскелета (подготовлено методом негативного окрашивания). и расположение белковых молекул в клеточных мембранах (методом замораживания).

2. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

• Обычная сканирующая электронная микроскопия основана на эмиссии вторичных электронов с поверхности образца.
• Из-за большой глубины резкости сканирующий электронный микроскоп является ЭМ-аналогом светового стереомикроскопа.
• Он обеспечивает подробные изображения поверхностей клеток и целых организмов, которые невозможно получить с помощью ПЭМ. Его также можно использовать для подсчета частиц и определения их размера, а также для управления технологическим процессом.
• Он называется сканирующим электронным микроскопом, потому что изображение формируется путем сканирования сфокусированным электронным лучом поверхности образца в виде растрового изображения.

Детали электронного микроскопа

Электронный микроскоп представляет собой высокую вакуумную колонну, установленную вертикально. Он состоит из следующих компонентов:

1. Электронная пушка

• Электронная пушка представляет собой нагретую вольфрамовую нить накаливания, которая генерирует электроны.

2. Электромагнитные линзы

• Конденсорная линза фокусирует электронный пучок на образце. Вторая конденсорная линза формирует из электронов тонкий плотный пучок.
• Электронный пучок, выходящий из образца, проходит по второй из магнитных катушек, называемой линзой объектива , которая имеет большую силу и формирует промежуточное увеличенное изображение.
• Третий комплект магнитных линз под названием проекционные (окулярные) линзы создайте окончательное увеличенное изображение.
• Каждый из этих объективов действует как увеличитель изображения, сохраняя при этом невероятный уровень детализации и разрешения.

3. Держатель образца

• Держатель образца представляет собой чрезвычайно тонкую пленку углерода или коллодия, удерживаемую металлической сеткой.

4. Система просмотра и записи изображений

• Окончательное изображение проецируется на флуоресцентный экран.
• Под флуоресцентным экраном находится камера для записи изображения.

Применение электронного микроскопа

• Электронные микроскопы используются для исследования ультраструктуры широкого спектра биологических и неорганических образцов, включая микроорганизмы, клетки, большие молекулы, образцы биопсии, металлы и кристаллы.
• В промышленности электронные микроскопы часто используются для контроля качества и анализа отказов.
• Современные электронные микроскопы создают электронные микрофотографии с использованием специализированных цифровых камер и устройств захвата кадров для захвата изображений.
• Наука микробиология обязана своим развитием электронному микроскопу. Изучение микроорганизмов, таких как бактерии, вирусы и другие патогены, сделало лечение болезней очень эффективным.

Преимущества электронного микроскопа

• Очень большое увеличение
• Невероятно высокое разрешение
• Материал редко деформируется при препарировании
• Можно исследовать большую глубину резкости
• Различные области применения

Ограничения электронного микроскопа

• Живой образец нельзя наблюдать.
• Поскольку проникающая способность электронного луча очень мала, объект должен быть ультратонким. Для этого перед наблюдением образец высушивают и разрезают на ультратонкие срезы.
• Поскольку ЭМ работает в вакууме, образец должен быть полностью сухим.
• Дорого в создании и обслуживании
• Требуется обучение исследователя
• Артефакты изображения в результате подготовки образца.
• Этот тип микроскопа большой, громоздкий, чрезвычайно чувствительный к вибрации и внешним магнитным полям.

Ссылки

1. http://www.biologydiscussion.com/microscope/electron-microscope/electron-microscope-principle-components-specimen-preparation-and-uses/16595
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Электронный_микроскоп
3. https://www.wikilectures.eu/w/Электронная_микроскопия/принцип
4. http://www.yourarticlelibrary.com/microeconomics/working-principle-of-a-electron-microscopes-with-diagram/26479
5. https://www.slideshare.net/gangahuvin/electron-microscopy-16995175
6. https://www. umassmed.edu/cemf/whatisem/
7. https://www.microscopemaster.com/electron-microscope.html
8. https://getrevising.co.uk/grids/electron_microscopes_2

Об авторе

Сагар Арьял

Сагар Арьял — микробиолог и научный блогер. Он учился в Колледже Святого Ксавьера в Майтигаре, Катманду, Непал, чтобы получить степень магистра наук в области микробиологии. С февраля 2015 г. по июнь 2019 г. он работал преподавателем в колледже Св. Ксаверия, Майтигар, Катманду, Непал.. После преподавания микробиологии более четырех лет он поступил на Центральный факультет микробиологии Трибхуванского университета, чтобы получить степень доктора философии. в сотрудничестве с Институтом фармацевтических исследований Гельмгольца Саара (HIPS), Саарбрюккен, Германия. Он интересуется исследованиями актинобактерий, миксобактерий и натуральных продуктов. Он опубликовал более 15 исследовательских статей и глав в книгах в международных журналах и известных издательствах.

Принцип работы электронного микроскопа (со схемой)

РЕКЛАМА:

Прочтите эту статью, чтобы узнать о принципе работы электронных микроскопов со схемой!

Принцип работы:

Электронный микроскоп использует «электронный луч» для получения изображения объекта, а увеличение достигается за счет «электромагнитных полей»; в отличие от световых или оптических микроскопов, в которых для получения изображения используются «световые волны», а увеличение достигается с помощью системы «оптических линз».

ОБЪЯВЛЕНИЯ:

Уже обсуждалось, что чем меньше длина волны света, тем больше его разрешающая способность. Длина волны зеленого света (=0,55 мкм) в 1 10 000 раз больше длины волны электронного луча (=0,000005 мкм или 0,05 Å; 1 мкм = 10 000 Å).

Вот почему, несмотря на свою меньшую числовую апертуру, электронный микроскоп может разрешать объекты размером всего 0,001 мкм (=10 Å) по сравнению с 0,2 мкм световым микроскопом. Так, разрешающая способность электронного микроскопа в 200 раз больше, чем у светового микроскопа. Он дает полезное увеличение до X 400 000 по сравнению с X 2000 в световом микроскопе. Таким образом, полезное увеличение в электронном микроскопе в 200 раз больше, чем в световом микроскопе.

Существует три типа электронных микроскопов, описанных ниже:

(1) Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ):

ОБЪЯВЛЕНИЯ:

В этом микроскопе электронный луч из электронной пушки проходит через ультратонкий срез микроскопического объекта, и изображение увеличивается с помощью электромагнитных полей. Он используется для наблюдения более тонких деталей внутренней структуры микроскопических объектов, таких как бактерии и другие клетки.

Исследуемый образец готовят в виде очень тонкой сухой пленки или ультратонкого среза на маленьком экране и вводят в микроскоп в точку между магнитным конденсором и магнитным объективом (рис. 4.13).

Точка сравнима с предметным столиком светового микроскопа. Увеличенное изображение можно просмотреть на флуоресцентном экране через герметичное окно или записать на фотопластинку встроенной камерой. Современные варианты имеют возможность записывать фотографии с помощью цифровой камеры.

(2) Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ):

ОБЪЯВЛЕНИЯ:

В сканирующем электронном микроскопе образец облучают узким пучком электронов из электронной пушки, который быстро движется по поверхности образца или сканирует ее (рис. 4.13). Это вызывает выброс ливня вторичных электронов и других видов излучения с поверхности образца.

Интенсивность этих вторичных электронов зависит от формы и химического состава облучаемого объекта. Эти электроны собираются детектором, который генерирует электронные сигналы. Эти сигналы сканируются подобно телевизионной системе для создания изображения на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ).

Изображение записывается путем захвата его с ЭЛТ. Современные варианты имеют возможность записывать фотографии с помощью цифровой камеры.