Jaki jest zakres obserwacji mikroskopu optycznego i mikroskopu elektronowego
Skład i budowa mikroskopu optycznego Mikroskop optyczny składa się zazwyczaj ze stolika, systemu oświetlenia punktowego, soczewki obiektywu, okularu i mechanizmu ogniskowania. Scena służy do trzymania obserwowanego obiektu. Mechanizm ustawiania ostrości może być napędzany pokrętłem ustawiania ostrości, aby przesuwać scenę w górę iw dół w celu zgrubnej i dokładnej regulacji, dzięki czemu obserwowany obiekt może być wyostrzony i wyraźnie zobrazowany.
Jej górna warstwa może precyzyjnie przesuwać się i obracać w płaszczyźnie poziomej i generalnie ustawiać obserwowaną część do środka pola widzenia. System oświetlenia punktowego składa się ze źródła światła i kondensatora. Funkcją kondensatora jest skupienie większej ilości energii świetlnej na obserwowanej części. Charakterystyka widmowa lampy oświetlającej musi być zgodna z pasmem roboczym odbiornika mikroskopu.
Soczewka obiektywu znajduje się w pobliżu obserwowanego obiektu i to właśnie soczewka realizuje pierwszy stopień powiększenia. Kilka obiektywów o różnych powiększeniach jest jednocześnie zainstalowanych na konwerterze obiektywów, a obiektywy o różnych powiększeniach mogą wejść na roboczą ścieżkę optyczną, obracając konwerter. Powiększenie obiektywu wynosi zwykle od 5 do 100 razy. Soczewka obiektywu jest elementem optycznym, który odgrywa decydującą rolę w jakości obrazu w mikroskopie.
Powszechnie stosowane są obiektywy achromatyczne, które mogą korygować aberrację chromatyczną dla dwóch kolorów światła; apochromatyczne soczewki obiektywowe wyższej jakości, które mogą korygować aberrację chromatyczną dla trzech rodzajów światła barwnego; może zapewnić, że cała płaszczyzna obrazu obiektywu jest płaska, aby poprawić pole widzenia Obiektywy z płaskim polem i marginalną jakością obrazu. Obiektywy immersyjne w płynie są często stosowane w obiektywach o dużym powiększeniu, to znaczy współczynnik załamania wynosi 1 między dolną powierzchnią soczewki obiektywu a górną powierzchnią arkusza preparatu.
5 cieczy, może znacznie poprawić rozdzielczość obserwacji mikroskopowych. Okular jest soczewką umieszczoną blisko ludzkiego oka, aby osiągnąć drugi poziom powiększenia, a powiększenie soczewki wynosi zwykle od 5 do 20 razy. W zależności od wielkości pola widzenia, które można zobaczyć, okulary można podzielić na dwa rodzaje: zwykłe okulary o mniejszym polu widzenia i okulary o dużym polu widzenia (lub okulary szerokokątne) o większym polu widzenia.
Zarówno stolik, jak i soczewka obiektywu muszą mieć możliwość poruszania się względem siebie wzdłuż osi optycznej soczewki obiektywu, aby uzyskać regulację ostrości i wyraźny obraz. Podczas pracy z obiektywem o dużym powiększeniu dopuszczalny zakres ogniskowania jest często mniejszy niż mikrony, dlatego mikroskop musi mieć bardzo precyzyjny mechanizm mikroogniskowania. Granicą powiększenia mikroskopu jest powiększenie efektywne, a rozdzielczość mikroskopu odnosi się do minimalnej odległości między dwoma punktami obiektu, którą mikroskop może wyraźnie rozróżnić.
Rozdzielczość i powiększenie to dwa różne, ale powiązane pojęcia. Kiedy apertura numeryczna wybranego obiektywu nie jest wystarczająco duża, to znaczy rozdzielczość nie jest wystarczająco wysoka, mikroskop nie może rozróżnić drobnej struktury obiektu. W tym momencie, nawet jeśli powiększenie zostanie nadmiernie zwiększone, uzyskany obraz może być tylko obrazem o dużym obrysie, ale niewyraźnych szczegółach. , zwane nieprawidłowym powiększeniem.
I odwrotnie, jeśli rozdzielczość spełnia wymagania, ale powiększenie jest niewystarczające, mikroskop ma zdolność rozdzielania, ale obraz jest nadal zbyt mały, aby mógł być wyraźnie widziany przez ludzkie oczy. Dlatego, aby w pełni wykorzystać zdolność rozdzielczą mikroskopu, apertura numeryczna powinna być rozsądnie dopasowana do całkowitego powiększenia mikroskopu. System oświetlenia punktowego ma ogromny wpływ na wydajność obrazowania mikroskopu, ale jest to ogniwo, które użytkownicy łatwo przeoczą.
Jego zadaniem jest zapewnienie dostatecznego i równomiernego oświetlenia powierzchni obiektu. Wiązka światła wysyłana przez kondensor powinna zapewniać wypełnienie kąta apertury soczewki obiektywu, w przeciwnym razie najwyższa rozdzielczość, jaką może osiągnąć soczewka obiektywu, nie może być w pełni wykorzystana. W tym celu kondensor jest wyposażony w przysłonę o zmiennej aperturze, podobną do tej w obiektywie fotograficznym, która może regulować wielkość apertury i służy do dostosowywania apertury wiązki oświetlenia do kąta apertury obiektywu obiektyw.
Zmieniając metodę oświetlenia, można uzyskać różne metody obserwacji, takie jak ciemne punkty obiektów na jasnym tle (tzw. oświetlenie jasnego pola) lub jasne punkty obiektów na ciemnym tle (tzw. mikrostruktura. Mikroskop elektronowy to instrument, który wykorzystuje wiązki elektronów i soczewki elektronowe zamiast wiązek światła i soczewek optycznych do obrazowania drobnych struktur substancji przy bardzo dużych powiększeniach w oparciu o zasadę optyki elektronowej.
Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest reprezentowana przez minimalną odległość między dwoma sąsiednimi punktami, jaką może on rozróżnić. W 197{1}} wieku rozdzielczość transmisyjnego mikroskopu elektronowego wynosiła około 0,3 nanometra (zdolność rozdzielcza ludzkiego oka wynosiła około 0,1 mm). Teraz maksymalne powiększenie mikroskopu elektronowego przekracza 3 miliony razy, podczas gdy maksymalne powiększenie mikroskopu optycznego wynosi około 2000 razy, więc atomy niektórych metali ciężkich i starannie ułożone sieci atomowe w krysztale można bezpośrednio obserwować przez mikroskop elektronowy .
W 1931 roku Knorr-Bremse i Ruska z Niemiec ponownie zamontowali oscyloskop wysokonapięciowy ze źródłem elektronów z wyładowczą zimną katodą i trzema soczewkami elektronowymi i uzyskali obraz powiększony ponad dziesięciokrotnie, co potwierdziło możliwość obrazowania w powiększeniu za pomocą mikroskopu elektronowego. W 1932 roku, po udoskonaleniu Ruski, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego osiągnęła 50 nanometrów, około dziesięciokrotnie przewyższając zdolność rozdzielczą ówczesnego mikroskopu optycznego, więc mikroskop elektronowy zaczął przyciągać uwagę ludzi.
W latach czterdziestych XX wieku Hill w Stanach Zjednoczonych użył astygmatyzatora do kompensacji asymetrii obrotowej soczewki elektronowej, co stanowiło nowy przełom w zdolności rozdzielczej mikroskopu elektronowego i stopniowo osiągnęło współczesny poziom. W Chinach transmisyjny mikroskop elektronowy został pomyślnie opracowany w 1958 roku z rozdzielczością 3 nanometrów, aw 1979 roku został wyprodukowany z rozdzielczością 0.
Duży mikroskop elektronowy 3 nm. Chociaż zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest znacznie lepsza niż mikroskopu optycznego, obserwacja żywych organizmów jest trudna, ponieważ mikroskop elektronowy musi pracować w warunkach próżni, a napromieniowanie wiązką elektronów spowoduje również, że próbki biologiczne ulec uszkodzeniu przez promieniowanie. Inne kwestie, takie jak poprawa jasności działa elektronowego i jakość soczewki elektronowej, również wymagają dalszych badań.
Zdolność rozdzielcza jest ważnym wskaźnikiem mikroskopii elektronowej, która jest związana z kątem stożka padającego i długością fali wiązki elektronów przechodzącej przez próbkę. Długość fali światła widzialnego wynosi około {{0}} nanometrów, podczas gdy długość fali wiązek elektronów jest związana z napięciem przyspieszającym. Gdy napięcie przyspieszające wynosi 50-100 kV, długość fali wiązki elektronów wynosi około 0.
0053 do 0,0037 nm. Ponieważ długość fali wiązki elektronów jest znacznie mniejsza niż długość fali światła widzialnego, nawet jeśli kąt stożka wiązki elektronów wynosi tylko 1 procent kąta padającego w mikroskopie optycznym, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest wciąż znacznie większa niż mikroskopu optycznego. Mikroskop elektronowy składa się z trzech części: tubusu obiektywu, układu próżniowego oraz szafy zasilającej.
Korpus obiektywu zawiera głównie pistolety elektronowe, soczewki elektronowe, uchwyty na próbki, ekrany fluorescencyjne i mechanizmy aparatu. Te komponenty są zwykle montowane w kolumnie od góry do dołu; system próżniowy składa się z mechanicznych pomp próżniowych, pomp dyfuzyjnych i zaworów próżniowych. Gazociąg jest połączony z lufą obiektywu; szafa zasilająca składa się z generatora wysokiego napięcia, stabilizatora prądu wzbudzenia i różnych jednostek sterujących regulacją.
Soczewka elektronowa jest najważniejszą częścią tubusu soczewki mikroskopu elektronowego. Wykorzystuje kosmiczne pole elektryczne lub pole magnetyczne symetryczne do osi tubusu obiektywu, aby wygiąć ścieżkę elektronów do osi, tworząc ognisko. Jego funkcja jest podobna do funkcji szklanej soczewki wypukłej do skupiania wiązki, dlatego nazywa się ją elektronem. obiektyw. Większość nowoczesnych mikroskopów elektronowych wykorzystuje soczewki elektromagnetyczne, które skupiają elektrony poprzez silne pole magnetyczne generowane przez bardzo stabilny prąd wzbudzenia DC przepływający przez cewkę z nabiegunnikami.
Działo elektronowe jest elementem składającym się z gorącej katody z włókna wolframowego, siatki i katody. Może emitować i tworzyć wiązkę elektronów z jednakową prędkością, dlatego stabilność napięcia przyspieszającego musi wynosić co najmniej jedną dziesięciotysięczną. Mikroskopy elektronowe można podzielić na transmisyjne mikroskopy elektronowe, skaningowe mikroskopy elektronowe, refleksyjne mikroskopy elektronowe i emisyjne mikroskopy elektronowe zgodnie z ich budową i zastosowaniem.
Transmisyjne mikroskopy elektronowe są często używane do obserwacji drobnych struktur materiałowych, których nie można rozdzielić za pomocą zwykłych mikroskopów; skaningowe mikroskopy elektronowe są używane głównie do obserwacji morfologii powierzchni ciał stałych, a także mogą być łączone z dyfraktometrami rentgenowskimi lub spektrometrami energii elektronów, tworząc elektroniczne mikrosondy do analizy składu materiałów; emisyjna mikroskopia elektronowa do badania samoemisyjnych powierzchni elektronowych.
Nazwa transmisyjnego mikroskopu elektronowego pochodzi od tego, jak wiązka elektronów przenika przez próbkę, a następnie powiększa obraz za pomocą soczewki elektronowej. Jego droga optyczna jest podobna do drogi optycznej mikroskopu. W tego typu mikroskopach elektronowych kontrast w szczegółach obrazu jest tworzony przez rozpraszanie wiązki elektronów przez atomy próbki. Cieńsza lub o mniejszej gęstości część próbki ma mniejsze rozpraszanie wiązki elektronów, dzięki czemu więcej elektronów przechodzi przez przysłonę obiektywu i bierze udział w obrazowaniu oraz wydaje się jaśniejsze na obrazie.
I odwrotnie, grubsze lub gęstsze części próbki wydają się ciemniejsze na obrazie. Jeśli próbka jest zbyt gruba lub zbyt gęsta, kontrast obrazu ulegnie pogorszeniu, a nawet zostanie uszkodzony lub zniszczony przez pochłonięcie energii wiązki elektronów. Górna część tubusu obiektywu transmisyjnego mikroskopu elektronowego to działo elektronowe. Elektrony są emitowane przez gorącą katodę wolframową, a wiązki elektronów są ogniskowane przez pierwszy i drugi kondensator.
Po przejściu przez próbkę wiązka elektronów jest obrazowana na zwierciadle pośrednim przez soczewkę obiektywu, a następnie stopniowo powiększana przez zwierciadło pośrednie i zwierciadło projekcyjne, a następnie obrazowana na ekranie fluorescencyjnym lub na płytce fotokoherentnej. Powiększenie zwierciadła pośredniego można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy, głównie poprzez regulację prądu wzbudzenia; zmieniając ogniskową zwierciadła pośredniego, można uzyskać obrazy mikroskopii elektronowej i obrazy dyfrakcji elektronów na małych częściach tej samej próbki.
Aby badać grubsze próbki skrawków metalu, francuskie Laboratorium Optyki Elektronowej Dulos opracowało mikroskop elektronowy ultrawysokiego napięcia o napięciu przyspieszającym 3500 kV. Wiązka elektronów ze skaningowego mikroskopu elektronowego nie przechodzi przez próbkę, a jedynie skanuje i wzbudza elektrony wtórne na powierzchni próbki. Kryształ scyntylacyjny umieszczony obok próbki odbiera te wtórne elektrony, wzmacnia i moduluje intensywność wiązki elektronów kineskopu, zmieniając w ten sposób jasność ekranu kineskopu.
Cewka odchylająca kineskopu utrzymuje synchroniczne skanowanie z wiązką elektronów na powierzchni próbki, dzięki czemu ekran fluorescencyjny kineskopu wyświetla topograficzny obraz powierzchni próbki, co jest podobne do zasady działania telewizora przemysłowego . Rozdzielczość skaningowego mikroskopu elektronowego zależy głównie od średnicy wiązki elektronów na powierzchni próbki.
Powiększenie to stosunek amplitudy skanowania kineskopu do amplitudy skanowania próbki, który można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy. Skaningowy mikroskop elektronowy nie wymaga bardzo cienkiej próbki; obraz ma silny efekt trójwymiarowości; może wykorzystywać informacje, takie jak elektrony wtórne, elektrony pochłonięte i promieniowanie rentgenowskie generowane przez interakcję między wiązką elektronów a substancją, do analizy składu substancji.
Działo elektronowe i soczewka kondensorowa skaningowego mikroskopu elektronowego są mniej więcej takie same jak w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, ale w celu zmniejszenia wiązki elektronów, pod soczewką kondensującą dodano soczewkę obiektywową i astygmatyzator oraz dwa zestawy wzajemnie prostopadłe wiązki skanujące są zainstalowane wewnątrz soczewki obiektywu. cewka. Komora próbki pod soczewką obiektywu jest wyposażona w stolik próbki, który może się poruszać, obracać i przechylać.
