Afwerking. Uitrusting. Reparatie. Montage. Keuze. Opening
ELEKTRONEN MICROSCOOP
een apparaat waarmee je een sterk vergroot beeld van objecten kunt maken met behulp van elektronen om ze te verlichten. Een elektronenmicroscoop (EM) maakt het mogelijk om details te zien die te klein zijn om door een lichte (optische) microscoop te worden opgelost. EM is een van de belangrijkste instrumenten voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar de structuur van materie, vooral in wetenschapsgebieden als biologie en vastestoffysica. Er zijn drie hoofdtypen EV's. In de jaren dertig van de vorige eeuw werd de conventionele transmissie-elektronenmicroscoop (OPEM) uitgevonden, in de jaren vijftig de scanning (scanning) elektronenmicroscoop (SEM) en in de jaren tachtig de scanning tunneling microscope (RTM). Deze drie soorten microscopen vullen elkaar aan bij de studie van structuren en materialen van verschillende typen.
CONVENTIONELE TRANSMISSIE ELEKTRONISCHE MICROSCOOP
OPEM lijkt in veel opzichten op een lichtmicroscoop, zie MICROSCOOP, maar alleen om de monsters te verlichten gebruikt het geen licht, maar een bundel elektronen. Het bevat een elektronenschijnwerper (zie hieronder), een reeks condensorlenzen, een objectieflens en een projectiesysteem dat overeenkomt met het oculair maar het eigenlijke beeld projecteert op een fluorescerend scherm of fotografische plaat. De elektronenbron is gewoonlijk een verwarmde wolfraam- of lanthaanhexaboride-kathode. De kathode is elektrisch geïsoleerd van de rest van het apparaat en de elektronen worden versneld door een sterk elektrisch veld. Om zo'n veld te creëren, wordt de kathode op een potentiaal van ongeveer -100.000 V gehouden ten opzichte van de andere elektroden die de elektronen in een smalle bundel concentreren. Dit deel van het apparaat wordt een elektronische schijnwerper genoemd (zie ELEKTRONISCHE PISTOOL). Omdat elektronen sterk worden verstrooid door materie, moet er een vacuüm zijn in de microscoopkolom waar de elektronen bewegen. Het handhaaft een druk die niet hoger is dan een miljardste atmosferische druk.
Elektronische optica. Een elektronisch beeld wordt gevormd door elektrische en magnetische velden op vrijwel dezelfde manier als een lichtbeeld wordt gevormd door optische lenzen. Het werkingsprincipe van een magnetische lens wordt geïllustreerd door het diagram (Fig. 1). Het magnetische veld dat wordt gecreëerd door de windingen van de spoel, waardoor de stroom vloeit, werkt als een verzamellens, waarvan de brandpuntsafstand kan worden veranderd door de stroom te veranderen. Aangezien de optische kracht van een dergelijke lens, d.w.z. het vermogen om elektronen te focusseren hangt af van de magnetische veldsterkte nabij de as; om deze te vergroten, is het wenselijk om het magnetische veld in een zo klein mogelijk volume te concentreren. In de praktijk wordt dit bereikt door het feit dat de spoel bijna volledig is bedekt met een magnetisch "pantser" gemaakt van een speciale nikkel-kobaltlegering, waardoor er slechts een smalle opening in het binnenste deel overblijft. Het op deze manier gecreëerde magnetische veld kan 10-100 duizend keer sterker zijn dan het aardmagnetisch veld op het aardoppervlak.
Het OPEM-diagram wordt getoond in Fig. 2. Een rij condensorlenzen (alleen de laatste is afgebeeld) focust de elektronenbundel op het monster. Gewoonlijk creëert de eerste een niet-vergroot beeld van de elektronenbron, terwijl de laatste de grootte van het verlichte gebied op het monster regelt. De opening van de laatste condensorlens bepaalt de bundelbreedte in het vlak van het object. Het monster wordt in het magnetische veld van een objectieflens met een hoog optisch vermogen geplaatst - de belangrijkste OPEM-lens, die de maximaal mogelijke resolutie van het apparaat bepaalt. De aberraties van een objectieflens worden op dezelfde manier beperkt door de opening als in een camera of lichtmicroscoop. De objectieflens geeft een vergroot beeld van het object (meestal met een vergroting van ongeveer 100); de extra vergroting die wordt geïntroduceerd door tussen- en projectielenzen varieert van iets minder dan 10 tot iets meer dan 1000. De vergroting die kan worden verkregen in moderne OPEM's is dus van minder dan 1000 tot ELEKTRONISCHE MICROSCOPE 1.000.000. (Bij een vergroting van een miljoen keer groeit de grapefruit tot de grootte van de aarde.) Het te bestuderen object wordt meestal op een zeer fijn gaas geplaatst en in een speciale houder gestoken. De houder kan mechanisch of elektrisch soepel op en neer en links en rechts worden bewogen.
Afbeelding. Het contrast in de OPEM is te wijten aan de verstrooiing van elektronen terwijl de elektronenbundel door het monster gaat. Als het monster dun genoeg is, is de fractie verstrooide elektronen klein. Wanneer elektronen door het monster gaan, worden sommige ervan verstrooid door botsingen met de kernen van de atomen van het monster, andere door botsingen met de elektronen van de atomen, en weer anderen passeren zonder verstrooiing. De mate van verstrooiing in elk gebied van het monster hangt af van de dikte van het monster in dit gebied, de dichtheid en de gemiddelde atomaire massa (aantal protonen) op een bepaald punt. Elektronen die het diafragma verlaten met een hoekafwijking die een bepaalde limiet overschrijdt, kunnen niet langer terugkeren naar de bundel die het beeld draagt, en daarom sterk verstrooiende gebieden met verhoogde dichtheid, grotere dikte, de locaties van zware atomen verschijnen in het beeld als donkere zones tegen een licht achtergrond. Zo'n afbeelding wordt helderveld genoemd omdat het omringende veld lichter is dan het object erin. Maar het is mogelijk om het elektrische afbuigsysteem slechts een van de verstrooide elektronen in het lensdiafragma te laten passeren. Dan ziet het monster er licht uit in het donkere veld. Een zwak verstrooiend object is vaak handiger om te bekijken in de donkerveldmodus. Het uiteindelijke uitvergrote elektronische beeld wordt omgezet in een zichtbaar beeld door middel van een lichtgevend scherm dat oplicht onder invloed van elektronenbombardement. Dit beeld, meestal met een laag contrast, wordt meestal bekeken door een binoculaire lichtmicroscoop. Bij dezelfde helderheid kan zo'n microscoop met een vergroting van 10 een beeld op het netvlies creëren dat 10 keer groter is dan bij waarneming met het blote oog. Soms wordt een fosforscherm met een elektro-optische omzetter gebruikt om de helderheid van een zwak beeld te vergroten. In dit geval kan het uiteindelijke beeld worden weergegeven op een conventioneel televisiescherm, waardoor het op videoband kan worden opgenomen. Video-opname wordt gebruikt om beelden vast te leggen die in de loop van de tijd veranderen, bijvoorbeeld door een chemische reactie. Meestal wordt het uiteindelijke beeld vastgelegd op fotografische film of fotografische plaat. Een fotografische plaat geeft meestal een scherper beeld dan het beeld dat met het blote oog wordt waargenomen of dat op videoband is vastgelegd, aangezien fotografisch materiaal over het algemeen elektronen efficiënter registreert. Bovendien kunnen per oppervlakte-eenheid fotografische film 100 keer meer signalen worden opgenomen dan per oppervlakte-eenheid videoband. Hierdoor kan het beeld dat op fotografische film is vastgelegd ongeveer 10 keer worden vergroot zonder verlies van helderheid.
Toestemming. Elektronenstralen hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van lichtstralen. In het bijzonder heeft elk elektron een specifieke golflengte. De resolutie van een EM wordt bepaald door de effectieve golflengte van de elektronen. De golflengte hangt af van de snelheid van de elektronen, en dus van de versnellingsspanning; hoe hoger de versnellingsspanning, hoe hoger de snelheid van de elektronen en hoe korter de golflengte, dus hoe hoger de resolutie. Een dergelijk significant voordeel van EM in resolutie is te wijten aan het feit dat de golflengte van elektronen veel korter is dan de golflengte van licht. Maar aangezien elektronische lenzen niet zo goed scherpstellen als optische lenzen (de numerieke apertuur van een goede elektronische lens is slechts 0,09, terwijl deze waarde voor een goede optische lens 0,95 bereikt), is de EM-resolutie 50-100 elektronengolflengten. Zelfs bij zulke zwakke lenzen in een elektronenmicroscoop is een resolutiegrens van ca. 0,17 nm, wat het mogelijk maakt om afzonderlijke atomen in kristallen van elkaar te onderscheiden. Om een resolutie van deze orde te bereiken, is een zeer zorgvuldige afstemming van het instrument vereist; in het bijzonder zijn zeer stabiele stroomvoorzieningen vereist, en het apparaat zelf (dat ca. 2,5 m hoog kan zijn en enkele tonnen weegt) en de extra uitrusting ervan vereisen een trillingsvrije installatie.
RASTER ELEKTRONISCHE MICROSCOOP
De SEM, inmiddels het belangrijkste instrument voor wetenschappelijk onderzoek, vormt een goede aanvulling op de OPEM. SEM gebruikt elektronische lenzen om de elektronenbundel op een heel klein plekje te focussen. U kunt de SEM zo aanpassen dat de spotdiameter erin niet groter is dan 0,2 nm, maar in de regel is het eenheden of tientallen nanometers. Deze plek doorkruist continu een bepaald gebied van het monster, vergelijkbaar met een straal die het scherm van een televisiebuis doorkruist. Het elektrische signaal dat voortkomt uit het bombardement van het object met de bundelelektronen wordt gebruikt om een beeld te vormen op het scherm van een televisiebeeldbuis of kathodestraalbuis (CRT), waarvan de zwaai gesynchroniseerd is met het elektronenbundelafbuigsysteem (Fig. 3). Vergroting wordt in dit geval opgevat als de verhouding tussen de grootte van het beeld op het scherm en de grootte van het gebied dat door de straal op het monster wordt bedekt. Deze stijging is van 10 naar 10 miljoen.
De interactie van de elektronen van de gefocusseerde bundel met de atomen van het monster kan niet alleen leiden tot hun verstrooiing, die wordt gebruikt om een beeld in OPEM te verkrijgen, maar ook tot de excitatie van röntgenstraling, emissie van zichtbaar licht en emissie van secundaire elektronen. Bovendien, aangezien de SEM alleen focuslenzen voor het monster heeft, kan men "dikke" monsters bestuderen.
Reflecterende SEM. Reflective SEM is ontworpen voor het bestuderen van bulkmonsters. Aangezien het contrast dat voortvloeit uit de registratie van gereflecteerde, d.w.z. terugverstrooide en secundaire elektronen, voornamelijk wordt geassocieerd met de invalshoek van elektronen op het monster, wordt de oppervlaktestructuur onthuld in het beeld. (De intensiteit van terugverstrooiing en de diepte waarop deze optreedt, hangt af van de elektronenenergie van de invallende bundel. De emissie van secundaire elektronen wordt voornamelijk bepaald door de oppervlaktesamenstelling en geleidbaarheid van het monster.) Beide signalen geven informatie over de algemene kenmerken van het monster. Door de lage convergentie van de elektronenbundel is het mogelijk om waarnemingen uit te voeren met een veel grotere scherptediepte dan bij het werken met een lichtmicroscoop, en om uitstekende volumetrische microfoto's te maken van oppervlakken met een sterk ontwikkeld reliëf. Door de door het monster uitgezonden röntgenstraling te registreren, is het mogelijk om, naast de gegevens op het reliëf, informatie te verkrijgen over de chemische samenstelling van het monster in de oppervlaktelaag met een diepte van 0,001 mm. De samenstelling van het materiaal aan het oppervlak kan ook worden beoordeeld aan de hand van de gemeten energie waarmee bepaalde elektronen worden uitgezonden. Alle moeilijkheden bij het werken met SEM zijn voornamelijk te wijten aan de registratie- en elektronische visualisatiesystemen. In een apparaat met een volledige set detectoren, samen met alle SEM-functies, is een bedrijfsmodus van een elektronensonde-microanalyzer voorzien.
Scannen transmissie elektronenmicroscoop. Een scanning transmissie elektronenmicroscoop (RPEM) is een speciaal type SEM. Het is ontworpen voor dunne monsters, dezelfde als die bestudeerd in de OPEM. Het RPEM-circuit verschilt van het circuit in Fig. 3 alleen in die zin dat er zich geen detectoren boven het monster bevinden. Omdat het beeld wordt gevormd door een lopende straal (en niet door een straal die het hele gebied van het monster verlicht), is een elektronenbron met hoge intensiteit vereist zodat het beeld binnen een redelijke tijd kan worden opgenomen. RPEM met hoge resolutie maakt gebruik van veldzenders met een hoge helderheid. In een dergelijke elektronenbron wordt een zeer sterk elektrisch veld (ongeveer V / cm) gegenereerd nabij het oppervlak van een geëtste wolfraamdraad met een zeer kleine diameter. Dit veld trekt letterlijk miljarden elektronen uit de draad zonder enige verwarming. De helderheid van zo'n bron is bijna 10.000 keer die van een verwarmde wolfraamdraadbron (zie hierboven), en de elektronen die eruit worden uitgezonden kunnen worden gefocusseerd tot een bundel met een diameter van minder dan 1 nm. Zelfs bundels met een diameter dichtbij 0,2 nm werden verkregen. Auto-elektronische bronnen kunnen alleen werken in ultrahoge vacuümomstandigheden (bij drukken onder Pa), waarin er volledig geen verontreinigingen zijn zoals koolwaterstoffen en waterdampen, en het wordt mogelijk om beelden met een hoge resolutie te verkrijgen. Dankzij zulke ultrazuivere omstandigheden is het mogelijk om met conventionele vacuümsystemen processen en fenomenen te onderzoeken die voor EM ontoegankelijk zijn. Onderzoek in RPEM wordt uitgevoerd op ultradunne monsters. Elektronen gaan door dergelijke monsters met weinig of geen verstrooiing. Elektronen die zijn verstrooid onder hoeken van meer dan een paar graden zonder vertraging worden geregistreerd en vallen op een ringelektrode die zich onder het monster bevindt (Fig. 3). Het signaal dat van deze elektrode wordt afgenomen, hangt sterk af van het atoomnummer van de atomen in het gebied waar de elektronen doorheen gaan - zwaardere atomen verstrooien meer elektronen naar de detector dan lichte. Als de elektronenbundel wordt gefocusseerd tot een punt met een diameter van minder dan 0,5 nm, kan een afbeelding van individuele atomen worden verkregen. In werkelijkheid is het mogelijk om in het beeld verkregen in de RPEM individuele atomen te onderscheiden met een atomaire massa van ijzer (d.w.z. 26 of meer). Elektronen die geen verstrooiing in het monster hebben ondergaan, evenals elektronen die zijn vertraagd als gevolg van interactie met het monster, gaan het gat van de ringdetector binnen. Een energieanalysator die zich onder deze detector bevindt, zorgt ervoor dat de eerste kan worden gescheiden van de laatste. Door de energie te meten die verloren gaat door elektronen bij verstrooiing, kan belangrijke informatie over het monster worden verkregen. De energieverliezen die gepaard gaan met de excitatie van röntgenstralen of het uitschakelen van secundaire elektronen uit het monster maken het mogelijk om de chemische eigenschappen van de stof te beoordelen in het gebied waar de elektronenbundel doorheen gaat.
RASTER TUNNEL MICROSCOOP
De hierboven besproken EM's gebruiken magnetische lenzen om elektronen te focusseren. Dit gedeelte is gewijd aan EM zonder lenzen. Maar voordat we verder gaan met een scanning tunneling microscoop (RTM), is het nuttig om even stil te staan bij twee oude typen lensloze microscoop waarin een geprojecteerd schaduwbeeld wordt gevormd.
Auto-elektronische en auto-ion projectoren. De auto-elektronische bron die in RPEM wordt gebruikt, wordt sinds het begin van de jaren vijftig in schaduwprojectoren gebruikt. In een veldprojector worden elektronen die worden uitgezonden door veldemissie vanaf een punt met een zeer kleine diameter versneld naar een lichtgevend scherm dat zich op enkele centimeters van de punt bevindt. Als resultaat verschijnt een geprojecteerd beeld van het oppervlak van de punt en de deeltjes op dit oppervlak op het scherm met een toename gelijk aan de verhouding van de straal van het scherm tot de straal van de punt (ongeveer). Een hogere resolutie wordt bereikt in een veld-ionenprojector, waarbij de projectie van het beeld wordt uitgevoerd door ionen van helium (of andere elementen), waarvan de effectieve golflengte korter is dan die van elektronen. Hierdoor kunnen afbeeldingen worden verkregen die de ware rangschikking van atomen in het kristalrooster van het puntmateriaal laten zien. Daarom worden veldionprojectoren met name gebruikt om de kristalstructuur en de defecten in materialen waaruit dergelijke tips kunnen worden gemaakt, te bestuderen.
Scanning tunneling microscoop (RTM). Deze microscoop gebruikt ook een metalen punt met een kleine diameter die de bron van elektronen is. Een elektrisch veld wordt gegenereerd in de opening tussen de punt en het monsteroppervlak. Het aantal elektronen dat per tijdseenheid door het veld uit de punt wordt getrokken (tunnelstroom) hangt af van de afstand tussen de punt en het monsteroppervlak (in de praktijk is deze afstand kleiner dan 1 nm). Wanneer de punt langs het oppervlak beweegt, wordt de stroom gemoduleerd. Dit maakt het mogelijk om een beeld te verkrijgen dat hoort bij het reliëf van het monsteroppervlak. Als de punt eindigt met een enkel atoom, dan kun je een afbeelding van het oppervlak vormen, atoom voor atoom passerend. De RTM kan alleen werken onder de voorwaarde dat de afstand van de punt tot het oppervlak constant is en dat de punt kan worden verplaatst met een nauwkeurigheid van atomaire afmetingen. Trillingen worden onderdrukt door de stijve constructie en het kleine formaat van de microscoop (niet meer dan een vuist), evenals het gebruik van meerlaagse rubberen schokdempers. Hoge nauwkeurigheid wordt gegarandeerd door piëzo-elektrische materialen, die uitrekken en krimpen onder invloed van een extern elektrisch veld. Door een spanning in de orde van grootte van 10-5 V aan te brengen, is het mogelijk om de grootte van dergelijke materialen met 0,1 nm of minder te wijzigen. Dit maakt het mogelijk, door de punt te bevestigen op een element van piëzo-elektrisch materiaal, deze in drie onderling loodrechte richtingen te bewegen met een nauwkeurigheid in de orde van atomaire afmetingen.
ELEKTRONISCHE MICROSCOPIE TECHNIEK
Er is nauwelijks een onderzoekssector op het gebied van biologie en materiaalkunde waar transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) niet wordt toegepast; dit is te danken aan het succes van de monstervoorbereidingstechniek. Alle technieken die in de elektronenmicroscopie worden gebruikt, zijn gericht op het verkrijgen van een extreem dun monster en zorgen voor een maximaal contrast tussen dit en het substraat, dat het als ondersteuning nodig heeft. De basistechniek is bedoeld voor monsters met een dikte van 2-200 nm, ondersteund door dunne plastic of koolstoffilms, die op een rooster met een maaswijdte van ca. 0,05 mm. (Een geschikt monster, ongeacht hoe het is verkregen, wordt zodanig verwerkt dat de intensiteit van de elektronenverstrooiing op het testobject wordt verhoogd.) Als het contrast hoog genoeg is, kan het oog van de waarnemer details onderscheiden die op een afstand van 0,1-0,2 mm zonder spanning. Om de details, gescheiden op het monster over een afstand van 1 nm, te kunnen onderscheiden in het beeld dat door de elektronenmicroscoop wordt gecreëerd, is dus een totale vergroting van ongeveer 100-200 duizend nodig.De beste microscopen kunnen een beeld creëren van het monster op een fotografische plaat met een dergelijke toename, maar tegelijkertijd wordt een te klein gebied weergegeven. Gewoonlijk wordt een microfoto gemaakt met een lagere vergroting en vervolgens fotografisch vergroot. De fotografische plaat zorgt voor een lengte van ongeveer 10 cm. 10.000 regels. Als elke lijn op het monster overeenkomt met een bepaalde structuur met een lengte van 0,5 nm, dan is om zo'n structuur te registreren een toename van minimaal 20.000 nodig, terwijl met behulp van SEM en RPEM, waarin het beeld wordt vastgelegd door een elektronisch systeem en wordt ingezet op een televisiescherm, alleen OK. 1000 regels. Zo is bij gebruik van een televisiemonitor de minimaal benodigde vergroting ongeveer 10 keer groter dan bij het fotograferen.
Biologische preparaten. Elektronenmicroscopie wordt veel gebruikt in biologisch en medisch onderzoek. Er zijn methoden ontwikkeld voor fixatie, inbedding en het verkrijgen van dunne weefselcoupes voor onderzoek in OPEM en RPEM en fixatiemethoden voor het bestuderen van bulkmonsters in SEM. Deze technieken maken het mogelijk om de organisatie van cellen op macromoleculair niveau te bestuderen. Elektronenmicroscopie onthulde de componenten van de cel en details van de structuur van membranen, mitochondriën, endoplasmatisch reticulum, ribosomen en vele andere organellen waaruit de cel bestaat. Het monster wordt eerst gefixeerd met glutaaraldehyde of andere fixeermiddelen, vervolgens gedehydrateerd en afgedekt met plastic. Cryofixatiemethoden (fixatie bij zeer lage - cryogene - temperaturen) zorgen ervoor dat de structuur en samenstelling behouden blijven zonder het gebruik van chemische fixeermiddelen. Bovendien maken cryogene methoden het mogelijk om beelden van bevroren biologische monsters te verkrijgen zonder uitdroging. Met behulp van ultramicrotomen met bladen van gepolijst diamant of afgebroken glas kunnen weefselcoupes met een dikte van 30-40 nm worden gesneden. De gemonteerde histologische preparaten kunnen worden gekleurd met verbindingen van zware metalen (lood, osmium, goud, wolfraam, uranium) om het contrast van afzonderlijke componenten of structuren te verbeteren.
Biologisch onderzoek is uitgebreid tot micro-organismen, vooral virussen, die niet worden opgelost door lichtmicroscopen. TEM maakte het mogelijk om bijvoorbeeld de structuren van bacteriofagen en de locatie van subeenheden in de eiwitenveloppen van virussen te onthullen. Bovendien konden de methoden van positieve en negatieve kleuring de structuur onthullen met subeenheden in een aantal andere belangrijke biologische microstructuren. Methoden voor het versterken van het contrast van nucleïnezuren maakten het mogelijk om enkel- en dubbelstrengs DNA te observeren. Deze lange lineaire moleculen worden verspreid in een laag basiseiwit en aangebracht op een dunne film. Vervolgens wordt door vacuümafzetting een zeer dunne laag zwaar metaal op het monster aangebracht. Deze laag van zwaar metaal "veroorzaakt" het monster, waardoor het, wanneer waargenomen in OPEM of RPEM, eruitziet alsof het wordt verlicht vanaf de kant van waaruit het metaal is afgezet. Draai je het monster tijdens het spuiten rond, dan hoopt het metaal zich van alle kanten gelijkmatig rond de deeltjes op (als een sneeuwbal).
Niet-biologische materialen. TEM wordt gebruikt in materiaalonderzoek om dunne kristallen en grenzen tussen verschillende materialen te bestuderen. Om een afbeelding met hoge resolutie van de interface te verkrijgen, wordt het monster gevuld met plastic, het monster wordt loodrecht op de rand gesneden en vervolgens verdund zodat de rand zichtbaar is op de geslepen rand. Het kristalrooster verstrooit elektronen sterk in bepaalde richtingen, waardoor een diffractiepatroon ontstaat. Het beeld van een kristallijn monster wordt grotendeels bepaald door dit beeld; contrast is sterk afhankelijk van de oriëntatie, dikte en perfectie van het kristalrooster. Contrastveranderingen in het beeld stellen u in staat om het kristalrooster en zijn onvolkomenheden op een schaal van atomaire afmetingen te bestuderen. De informatie die in dit geval wordt verkregen, is een aanvulling op de informatie die wordt geleverd door röntgenanalyse van bulkmonsters, omdat EM het mogelijk maakt om dislocaties, stapelfouten en korrelgrenzen in alle details direct te zien. Bovendien kunnen elektronendiffractiepatronen worden vastgelegd in EM en kunnen diffractiepatronen van geselecteerde gebieden van het monster worden waargenomen. Als het lensdiafragma zo wordt afgesteld dat er slechts één afgebogen en niet-verstrooide centrale bundel doorheen gaat, dan is het mogelijk om een beeld te krijgen van een bepaald systeem van kristalvlakken, dat deze afgebogen bundel geeft. Moderne apparaten maken resolutie van rasterperioden van 0,1 nm mogelijk. Kristallen kunnen ook worden bestudeerd met de donkerveld-beeldvormingsmethode, waarbij de centrale bundel overlapt, zodat het beeld wordt gevormd door een of meer afgebogen bundels. Al deze methoden leverden belangrijke informatie op over de structuur van veel materialen en verduidelijkten de fysica van kristallen en hun eigenschappen aanzienlijk. Bijvoorbeeld, de analyse van TEM-beelden van het kristalrooster van dunne kleine quasikristallen in combinatie met de analyse van hun elektronendiffractiepatronen maakte het in 1985 mogelijk om materialen te ontdekken met symmetrie van de vijfde orde.
Hoogspanningsmicroscopie. Momenteel produceert de industrie hoogspanningsversies van OPEM en RPEM met versnellingsspanningen van 300 tot 400 kV. Dergelijke microscopen hebben een hoger doordringend vermogen dan laagspanningsapparaten en staan bijna op één lijn met de 1 miljoen volt microscopen die in het verleden werden gebouwd. Moderne hoogspanningsmicroscopen zijn vrij compact en kunnen in een gewone laboratoriumruimte worden geïnstalleerd. Hun toegenomen doordringend vermogen blijkt een zeer waardevolle eigenschap te zijn bij het bestuderen van defecten in dikkere kristallen, vooral die waarvan het onmogelijk is om dunne monsters te maken. In de biologie maakt hun hoge penetratievermogen het mogelijk om hele cellen te onderzoeken zonder ze te snijden. Bovendien kunnen deze microscopen worden gebruikt om volumetrische afbeeldingen van dikke objecten te verkrijgen.
Laagspanningsmicroscopie. SEM's worden ook geproduceerd met een versnellingsspanning van slechts een paar honderd volt. Zelfs bij zulke lage spanningen is de elektronengolflengte kleiner dan 0,1 nm, dus ook hier wordt de ruimtelijke resolutie beperkt door de aberraties van de magnetische lenzen. Omdat elektronen met een dergelijke lage energie echter ondiep onder het oppervlak van het monster doordringen, komen bijna alle elektronen die bij beeldvorming betrokken zijn uit een gebied dat zeer dicht bij het oppervlak ligt, wat de resolutie van het oppervlaktereliëf verbetert. Met behulp van laagspannings-SEM's werden afbeeldingen verkregen op vaste oppervlakken van objecten die kleiner waren dan 1 nm.
Stralingsschade. Omdat elektronen ioniserende straling zijn, wordt het monster in de EM er constant aan blootgesteld. (Als gevolg van deze blootstelling worden secundaire elektronen gegenereerd, die worden gebruikt in SEM.) Monsters zijn daarom altijd onderhevig aan stralingsschade. Een typische dosis straling die wordt geabsorbeerd door een dun monster tijdens het opnemen van een microfoto in de OPEM komt ongeveer overeen met de energie die voldoende zou zijn voor de volledige verdamping van koud water uit een vijver van 4 m diep met een oppervlakte van 1 ha . Om stralingsschade aan het monster te verminderen, is het noodzakelijk om verschillende bereidingsmethoden te gebruiken: kleuren, gieten, bevriezen. Daarnaast is het mogelijk om een beeld te registreren met een elektronendosis die 100-1000 keer lager is dan met een standaardtechniek, en dit vervolgens te verbeteren met behulp van.
HISTORISCHE REFERENTIE
De geschiedenis van de totstandkoming van de elektronenmicroscoop is een prachtig voorbeeld van hoe onafhankelijk ontwikkelende gebieden van wetenschap en technologie, door ontvangen informatie uit te wisselen en inspanningen te bundelen, een krachtig nieuw instrument voor wetenschappelijk onderzoek kunnen creëren. Het toppunt van de klassieke natuurkunde was de theorie van het elektromagnetische veld, die de voortplanting van licht, het verschijnen van elektrische en magnetische velden, de beweging van geladen deeltjes in deze velden als de voortplanting van elektromagnetische golven verklaarde. Golfoptica maakte het fenomeen diffractie, het mechanisme van beeldvorming en het spel van factoren die de resolutie in een lichtmicroscoop bepalen, duidelijk. Onze successen op het gebied van theoretische en experimentele fysica danken we aan de ontdekking van het elektron met zijn specifieke eigenschappen. Deze afzonderlijke en schijnbaar onafhankelijke ontwikkelingspaden leidden tot de oprichting van de basis van elektronische optica, waarvan een van de belangrijkste toepassingen de uitvinding van EM in de jaren dertig was. Een directe toespeling op een dergelijke mogelijkheid kan worden beschouwd als de hypothese van het golfkarakter van het elektron, in 1924 naar voren gebracht door Louis de Broglie en experimenteel bevestigd in 1927 door K. Davisson en L. Jermer in de VS en J. Thomson in Engeland . Zo werd een analogie gesuggereerd die het mogelijk maakte om een EM te construeren volgens de wetten van de golfoptica. H. Bush ontdekte dat elektrische en magnetische velden kunnen worden gebruikt om elektronische beelden te vormen. In de eerste twee decennia van de 20e eeuw. ook werden de nodige technische voorwaarden gecreëerd. Industriële laboratoria die aan een kathodestraaloscilloscoop werkten, gaven vacuümtechnologie, stabiele bronnen van hoogspanning en stroom, goede elektronenemitters. In 1931 diende R. Rudenberg een octrooiaanvraag in voor een transmissie-elektronenmicroscoop, en in 1932 bouwden M. Knoll en E. Ruska de eerste dergelijke microscoop, waarbij ze magnetische lenzen gebruikten om elektronen te focusseren. Dit toestel was de voorloper van de moderne OPEM. (Ruska werd beloond voor zijn werk door in 1986 een Nobelprijswinnaar voor natuurkunde te worden.) In 1938 bouwden Ruska en B. von Borris een prototype van een industriële OPEM voor Siemens-Halske in Duitsland; met dit apparaat kon uiteindelijk een resolutie van 100 nm worden bereikt. Een paar jaar later bouwden A. Prebus en J. Hiller de eerste OPEM met hoge resolutie aan de Universiteit van Toronto (Canada). Vrijwel direct werden de brede mogelijkheden van OPEM duidelijk. De industriële productie werd gelijktijdig gestart door Siemens-Halske in Duitsland en RCA in de VS. Eind jaren veertig begonnen andere bedrijven dergelijke apparaten te produceren. SEM in zijn huidige vorm werd in 1952 uitgevonden door Charles Otley. Het is waar dat voorlopige versies van een dergelijk apparaat in de jaren dertig door Knoll in Duitsland werden gebouwd en door Zworykin en medewerkers van het RCA-bedrijf in de jaren veertig, maar alleen het apparaat van Otley kon als basis dienen voor een aantal technische verbeteringen, met als hoogtepunt de introductie van een industriële versie van de SEM in het midden van de jaren zestig. De kring van consumenten van zo'n vrij eenvoudig te gebruiken apparaat met een driedimensionaal beeld en een elektronisch uitgangssignaal is uitgebreid met de snelheid van een explosie. Momenteel zijn er een tiental industriële fabrikanten van SEM's op drie continenten en tienduizenden van dergelijke apparaten die in laboratoria over de hele wereld worden gebruikt. In de jaren zestig werden ultrahoogspanningsmicroscopen ontwikkeld voor de studie van dikkere monsters. De leider in deze richting was G. Dupuy in Frankrijk, waar in 1970 een apparaat met een acceleratiespanning van 3,5 miljoen volt in gebruik werd genomen. De RTM werd uitgevonden door G. Binnig en G. Rohrer in 1979 in Zürich. RTM Binnig en Rohrer (gelijktijdig met Ruska) ontvingen de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
zie ook Inhoudsopgave van het onderwerp "Elektronenmicroscopie. Membraan.":
Elektronenmicroscopen verscheen in de jaren dertig en werd wijdverbreid in de jaren vijftig.
De afbeelding toont een moderne transmissie (doorschijnend) elektronen microscoop, en de figuur toont het pad van de elektronenbundel in deze microscoop. In een transmissie-elektronenmicroscoop gaan elektronen door het monster voordat ze een afbeelding vormen. Zo'n elektronenmicroscoop werd eerst gebouwd.
Elektronen microscoop ondersteboven gekeerd in vergelijking met de lichtmicroscoop. Straling wordt van bovenaf op het monster toegepast en het beeld wordt onderaan gevormd. Het werkingsprincipe van een elektronenmicroscoop is in wezen hetzelfde als dat van een lichtmicroscoop. De elektronenbundel wordt door condensorlenzen op het monster gericht en het resulterende beeld wordt vervolgens vergroot met andere lenzen.
De tabel geeft een overzicht van enkele overeenkomsten en verschillen tussen licht en elektronenmicroscopen... Bovenaan de kolom van de elektronenmicroscoop bevindt zich een elektronenbron - een wolfraamgloeidraad, vergelijkbaar met die in een conventionele gloeilamp. Er wordt een hoge spanning (bijvoorbeeld 50.000 V) op aangelegd en de gloeidraad zendt een stroom elektronen uit. Elektromagneten focussen de elektronenbundel.
In de kolom wordt een diep vacuüm gecreëerd. Dit is nodig om verspreiding te minimaliseren. elektronen vanwege hun botsing met luchtdeeltjes. Voor onderzoek in een elektronenmicroscoop kunnen alleen zeer dunne secties of deeltjes worden gebruikt, omdat de elektronenbundel bijna volledig wordt geabsorbeerd door grotere objecten. De delen van het object met een relatief hogere dichtheid absorberen elektronen en lijken daardoor donkerder in het resulterende beeld. Zware metalen zoals lood en uranium worden gebruikt om het monster te kleuren om het contrast te vergroten.
elektronen zijn onzichtbaar voor het menselijk oog, dus zijn ze gericht op een fluorescerende, die een zichtbaar (zwart-wit) beeld reproduceert. Om een foto te maken, wordt het scherm verwijderd en worden elektronen direct op de film gericht. Een foto gemaakt met een elektronenmicroscoop wordt een elektronenmicroscoop genoemd.
Het voordeel van de elektronenmicroscoop:
1) hoge resolutie (0,5 nm in de praktijk)
Nadelen van een elektronenmicroscoop:
1) het voor onderzoek voorbereide materiaal moet dood zijn, aangezien het zich tijdens het observatieproces in een vacuüm bevindt;
2) het is moeilijk om er zeker van te zijn dat het object een levende cel in al zijn details reproduceert, aangezien fixatie en kleuring van het bestudeerde materiaal de structuur kan veranderen of beschadigen;
3) de elektronenmicroscoop zelf en het onderhoud ervan zijn duur;
4) voorbereiding van materiaal voor het werken met een microscoop is tijdrovend en vereist hooggekwalificeerd personeel;
5) de bestudeerde monsters worden geleidelijk vernietigd onder invloed van de elektronenbundel. Daarom, als een gedetailleerde studie van het monster nodig is, is het noodzakelijk om het te fotograferen.
De term "microscoop" heeft Griekse wortels. Het bestaat uit twee woorden, die in vertaling "klein" en "kijk" betekenen. De belangrijkste rol van de microscoop is het gebruik ervan bij het onderzoeken van zeer kleine objecten. Tegelijkertijd kunt u met dit apparaat de grootte en vorm, structuur en andere kenmerken bepalen van lichamen die onzichtbaar zijn voor het blote oog.
Geschiedenis van de schepping
Er is geen exacte informatie over wie de uitvinder van de microscoop in de geschiedenis was. Volgens sommige berichten is het in 1590 ontworpen door de vader en zoon van Janssen, een brillenmaker. Een andere kanshebber voor de titel van uitvinder van de microscoop is Galileo Galilei. In 1609 presenteerde deze wetenschapper een apparaat met concave en convexe lenzen aan het publiek in de Accademia dei Lincei.
In de loop der jaren is het systeem voor het bekijken van microscopische objecten geëvolueerd en verbeterd. Een enorme stap in zijn geschiedenis was de uitvinding van een eenvoudig achromatisch verstelbaar apparaat met twee lenzen. Dit systeem werd eind 1600 geïntroduceerd door de Nederlander Christian Huygens. De oculairs van deze uitvinder zijn nog steeds in productie. Hun enige nadeel is de onvoldoende breedte van het gezichtsveld. Bovendien hebben de oculairs van Huygens in vergelijking met het ontwerp van moderne instrumenten een onhandige positie voor de ogen.
De fabrikant van dergelijke apparaten Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) leverde een bijzondere bijdrage aan de geschiedenis van de microscoop. Hij was het die de aandacht van biologen op dit apparaat vestigde. Leeuwenhoek maakte kleine producten uitgerust met één, maar zeer sterke lens. Het was onhandig om dergelijke apparaten te gebruiken, maar ze dupliceerden niet de beelddefecten die aanwezig waren in samengestelde microscopen. De uitvinders konden deze tekortkoming pas na 150 jaar corrigeren. Samen met de ontwikkeling van optica is de beeldkwaliteit in composietapparaten verbeterd.
De verbetering van microscopen gaat vandaag door. Dus in 2006 ontwikkelden Duitse wetenschappers van het Instituut voor Biofysische Chemie, Mariano Bossi en Stefan Helle, een ultramoderne optische microscoop. Vanwege zijn vermogen om objecten zo klein als 10 nm te observeren en hoogwaardige 3D-beelden in drie dimensies, werd het apparaat een nanoscoop genoemd.
Classificatie van microscopen
Momenteel is er een grote verscheidenheid aan instrumenten die zijn ontworpen voor het bekijken van kleine objecten. Ze zijn gegroepeerd op basis van verschillende parameters. Dit kan het doel zijn van de microscoop of de geaccepteerde belichtingsmethode, de structuur die wordt gebruikt voor het optische ontwerp, enz.
Maar in de regel worden de belangrijkste soorten microscopen geclassificeerd volgens de grootte van de resolutie van de microdeeltjes die met dit systeem kunnen worden gezien. Volgens deze indeling zijn microscopen:
- optisch (licht);
- elektronisch;
- Röntgenfoto;
- scansonde.
De meest voorkomende zijn lichtmicroscopen. Er is een brede selectie van hen in optiekwinkels. Met behulp van dergelijke apparaten worden de belangrijkste taken voor de studie van een bepaald object opgelost. Alle andere soorten microscopen worden geclassificeerd als gespecialiseerd. Het gebruik ervan vindt in de regel plaats in laboratoriumomstandigheden.
Elk van de bovengenoemde soorten apparaten heeft zijn eigen ondersoorten die in een bepaald gebied worden gebruikt. Bovendien is het tegenwoordig mogelijk om een schoolmicroscoop (of educatief) te kopen, wat een instapsysteem is. Ook aan consumenten worden professionele toestellen aangeboden.
Sollicitatie
Waar is een microscoop voor? Het menselijk oog, dat een speciaal biologisch type optisch systeem is, heeft een bepaald resolutieniveau. Met andere woorden, er is de kleinste afstand tussen de waargenomen objecten als ze nog te onderscheiden zijn. Voor een normaal oog ligt deze resolutie binnen 0,176 mm. Maar de grootte van de meeste dierlijke en plantaardige cellen, micro-organismen, kristallen, microstructuur van legeringen, metalen, enz. is veel kleiner dan deze waarde. Hoe kan men zulke objecten bestuderen en observeren? Hier komen verschillende soorten microscopen om mensen te helpen. Optische apparaten maken het bijvoorbeeld mogelijk om structuren te onderscheiden waarin de afstand tussen elementen ten minste 0,20 m is.
Hoe werkt een microscoop?
Het apparaat, met behulp waarvan het onderzoek van microscopische objecten beschikbaar wordt voor het menselijk oog, heeft twee hoofdelementen. Dit zijn de lens en het oculair. Deze onderdelen van de microscoop zijn bevestigd in een beweegbare buis, die op een metalen voetstuk is geplaatst. Er staat ook een onderwerptabel op.
Moderne soorten microscopen zijn meestal uitgerust met een verlichtingssysteem. Dit is met name een condensor met een irisdiafragma. Verplichte complete set vergrotingsapparaten zijn micro- en macroschroeven, die worden gebruikt om de scherpte aan te passen. Het ontwerp van microscopen zorgt ook voor de aanwezigheid van een systeem dat de positie van de condensor regelt.
In gespecialiseerde, complexere microscopen worden vaak andere aanvullende systemen en apparaten gebruikt.
Lenzen
Ik zou de beschrijving van de microscoop willen beginnen met een verhaal over een van de belangrijkste onderdelen, namelijk vanuit het objectief. Ze zijn een complex optisch systeem dat de grootte van het betreffende object in het beeldvlak vergroot. Het ontwerp van de lenzen omvat een heel systeem van niet alleen enkele lenzen, maar ook twee of drie aan elkaar gelijmde lenzen.
De complexiteit van een dergelijk optisch-mechanisch ontwerp hangt af van de reeks taken die door dit of dat apparaat moeten worden opgelost. De meest geavanceerde microscoop biedt bijvoorbeeld maximaal veertien lenzen.
De lens omvat het voorste deel en de systemen die erop volgen. Wat is de basis voor het creëren van een beeld van de gewenste kwaliteit en het bepalen van de bedrijfstoestand? Dit is de frontlens of hun systeem. Daaropvolgende lensonderdelen zijn nodig om de vereiste vergroting, brandpuntsafstand en beeldkwaliteit te bereiken. Deze functies zijn echter alleen mogelijk in combinatie met een frontlens. Er moet ook worden gezegd dat het ontwerp van het volgende onderdeel de lengte van de buis en de hoogte van de lens van het apparaat beïnvloedt.
Oculairs
Deze delen van de microscoop zijn een optisch systeem dat is ontworpen om het vereiste microscopische beeld op het oppervlak van het netvlies van de ogen van de waarnemer te bouwen. De oculairs bevatten twee lensgroepen. Degene die zich het dichtst bij het oog van de onderzoeker bevindt, wordt het oog genoemd en de verre wordt het veld genoemd (met zijn hulp bouwt de lens een beeld op van het bestudeerde object).
Verlichtingssysteem
De microscoop heeft een complexe structuur van diafragma's, spiegels en lenzen. Met zijn hulp wordt een uniforme verlichting van het onderzochte object verschaft. In de allereerste microscopen werd deze functie uitgevoerd, naarmate de optische instrumenten verbeterden, werden er eerst platte en vervolgens holle spiegels in gebruikt.
Met behulp van zulke eenvoudige details werden de stralen van de zon of lampen op het studieobject gericht. De moderne microscopen zijn perfecter. Het bestaat uit een condensor en een collector.
Onderwerp tabel
Microscopische monsters die moeten worden onderzocht, worden op een vlakke ondergrond geplaatst. Dit is de onderwerptabel. Verschillende soorten microscopen kunnen een bepaald oppervlak hebben, zo ontworpen dat het te bestuderen object in de waarnemer horizontaal, verticaal of onder een bepaalde hoek wordt gedraaid.
Operatie principe
In het eerste optische apparaat produceerde een lenssysteem een omgekeerd beeld van micro-objecten. Dit maakte het mogelijk om de structuur van de materie en de kleinste details die werden bestudeerd te onderscheiden. Het werkingsprincipe van een lichtmicroscoop is tegenwoordig vergelijkbaar met dat van een vuurvaste telescoop. In dit apparaat wordt het licht gebroken als het door het glazen gedeelte gaat.
Hoe vergroten moderne lichtmicroscopen? Nadat een bundel lichtstralen het apparaat binnenkomt, worden ze omgezet in een parallelle stroom. Pas dan vindt de breking van het licht in het oculair plaats, waardoor het beeld van microscopische objecten wordt vergroot. Verder komt deze informatie in de vorm die nodig is voor de waarnemer in zijn
Subtypes van lichtmicroscopen
Moderne classificaties:
1. Volgens de klasse van complexiteit voor een onderzoeks-, werk- en schoolmicroscoop.
2. Door het toepassingsgebied voor chirurgische, biologische en technische.
3. Door soorten microscopie voor apparaten van gereflecteerd en doorgelaten licht, fasecontact, luminescentie en polarisatie.
4. In de richting van de lichtstroom naar omgekeerde en rechte lijnen.
Elektronenmicroscopen
In de loop van de tijd is het apparaat dat is ontworpen om microscopisch kleine objecten te onderzoeken, steeds perfecter geworden. Dergelijke soorten microscopen verschenen waarin een heel ander werkingsprincipe werd gebruikt, dat niet afhankelijk was van de breking van licht. Bij het gebruik van de nieuwste soorten apparaten zijn elektronen betrokken. Met dergelijke systemen kun je zo kleine afzonderlijke deeltjes materie zien dat er lichtstralen omheen stromen.
Waar dient een elektronenmicroscoop voor? Het wordt gebruikt om de structuur van cellen op moleculair en subcellulair niveau te bestuderen. Dergelijke apparaten worden ook gebruikt om virussen te bestuderen.
Elektronenmicroscopen apparaat:
Wat is de basis van het werk van de nieuwste instrumenten voor het bekijken van microscopische objecten? Waarin verschilt een elektronenmicroscoop van een lichte? Zijn er overeenkomsten tussen hen?
Het werkingsprincipe van een elektronenmicroscoop is gebaseerd op de eigenschappen die elektrische en magnetische velden hebben. Hun rotatiesymmetrie kan zorgen voor een focusserend effect op elektronenstralen. Op basis hiervan kan een antwoord worden gegeven op de vraag: "Hoe verschilt een elektronenmicroscoop van een lichte?" Daarin zitten, in tegenstelling tot een optisch apparaat, geen lenzen. Hun rol wordt gespeeld door adequaat berekende magnetische en elektrische velden. Ze worden gemaakt door windingen van spoelen waardoor stroom gaat. In dit geval werken dergelijke velden op dezelfde manier: met een toename of afname van de stroomsterkte verandert de brandpuntsafstand van het apparaat.
Wat betreft het schematische diagram, in een elektronenmicroscoop is het vergelijkbaar met dat van een lichtapparaat. Het enige verschil is dat de optische elementen worden vervangen door vergelijkbare elektrische.
De vergroting van een object in elektronenmicroscopen vindt plaats door het proces van breking van een lichtstraal die door het bestudeerde object gaat. Onder verschillende hoeken vallen de stralen in het vlak van de objectieflens, waar de eerste vergroting van het monster plaatsvindt. De elektronen gaan dan naar de tussenlens. Daarin is er een vloeiende verandering in de toename van de grootte van het object. Het uiteindelijke beeld van het testmateriaal wordt geleverd door de projectielens. Van daaruit valt het beeld op het fluorescerende scherm.
Soorten elektronenmicroscopen
Moderne typen zijn onder meer:
1... TEM of transmissie-elektronenmicroscoop. In deze opstelling wordt een beeld van een zeer dun, tot 0,1 µm dik object gevormd door de interactie van een elektronenstraal met de onderzochte stof en de daaropvolgende vergroting met magnetische lenzen in het objectief.
2... SEM of scanning elektronenmicroscoop. Een dergelijk apparaat maakt het mogelijk om een beeld te krijgen van het oppervlak van een object met een hoge resolutie in de orde van enkele nanometers. Bij gebruik van aanvullende methoden geeft zo'n microscoop informatie die helpt bij het bepalen van de chemische samenstelling van de nabije oppervlaktelagen.
3. Tunnel scanning elektronenmicroscoop, of STM. Met behulp van dit apparaat wordt het reliëf van geleidende oppervlakken met een hoge ruimtelijke resolutie gemeten. Tijdens het werken met STM wordt een scherpe metalen naald naar het te bestuderen object gebracht. In dit geval wordt een afstand van slechts enkele angstrom aangehouden. Verder wordt een kleine potentiaal op de naald aangelegd, waardoor een tunnelstroom ontstaat. In dit geval krijgt de waarnemer een driedimensionaal beeld van het bestudeerde object.
Microscopen "Levenguk"
In 2002 verscheen een nieuw bedrijf in Amerika, dat zich bezighield met de productie van optische instrumenten. De assortimentslijst van haar producten omvat microscopen, telescopen en verrekijkers. Al deze toestellen onderscheiden zich door een hoge beeldkwaliteit.
Het hoofdkantoor en de ontwikkelingsafdeling van het bedrijf zijn gevestigd in de VS, in de stad Fremond (Californië). Maar wat de productiefaciliteiten betreft, deze bevinden zich in China. Dankzij dit alles voorziet het bedrijf de markt van geavanceerde en hoogwaardige producten tegen een betaalbare prijs.
Heb je een microscoop nodig? Levenhuk zal de gewenste optie voorstellen. Het assortiment optische apparatuur van het bedrijf omvat digitale en biologische apparaten voor het vergroten van het bestudeerde object. Bovendien krijgt de koper designermodellen aangeboden die in verschillende kleuren zijn gemaakt.
Levenhuk microscoop heeft uitgebreide functionaliteit. Een educatief apparaat op instapniveau kan bijvoorbeeld worden aangesloten op een computer en is ook in staat om lopend onderzoek op video op te nemen. Het Levenhuk D2L-model is uitgerust met deze functionaliteit.
Het bedrijf biedt biologische microscopen van verschillende niveaus. Dit zijn zowel eenvoudigere modellen als nieuwe items die geschikt zijn voor professionals.
De geschiedenis van het ontstaan van een elektronenmicroscoop
In 1931 ontving R. Rudenberg een patent voor een transmissie-elektronenmicroscoop en in 1932 bouwden M. Knoll en E. Ruska het eerste prototype van een modern apparaat. Dit werk van E. Ruski werd in 1986 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde, die aan hem en de uitvinders van de scanningsondemicroscoop Gerd Karl Binnig en Heinrich Rohrer werd toegekend. Het gebruik van een transmissie-elektronenmicroscoop voor wetenschappelijk onderzoek begon eind jaren dertig, toen het eerste commerciële instrument, gebouwd door Siemens, verscheen.
Eind jaren dertig - begin jaren veertig verschenen de eerste scanning-elektronenmicroscopen, die een afbeelding van een object vormen wanneer een kleine elektronensonde achtereenvolgens over het object wordt bewogen. Het massale gebruik van deze apparaten in wetenschappelijk onderzoek begon in de jaren zestig, toen ze aanzienlijke technische uitmuntendheid bereikten.
Een belangrijke sprong voorwaarts (in de jaren 70) in ontwikkeling was het gebruik van Schottky-kathoden en kathoden met koudeveldemissie in plaats van thermionische kathoden, maar het gebruik ervan vereist een veel groter vacuüm.
Eind jaren 90 en begin jaren 2000 heeft de automatisering en het gebruik van CCD-detectoren de stabiliteit en (relatief) gebruiksgemak aanzienlijk verhoogd.
In het laatste decennium zijn correctoren van sferische en chromatische aberraties (die de belangrijkste vervorming in het resulterende beeld introduceren) gebruikt in moderne geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopen, maar het gebruik ervan bemoeilijkt soms het gebruik van het apparaat aanzienlijk.
Soorten elektronenmicroscopen
Transmissie elektronenmicroscopie
Sjabloon: Sectie leeg
Eerste weergave van een elektronenmicroscoop. Een transmissie-elektronenmicroscoop gebruikt een hoogenergetische elektronenstraal om een beeld te vormen. De elektronenbundel wordt gecreëerd door middel van een kathode (wolfraam, LaB 6, Schottky of koude veld emissie). De resulterende elektronenstraal wordt gewoonlijk versneld tot +200 keV (er worden verschillende spanningen gebruikt van 20 keV tot 1 meV), gefocusseerd door een systeem van elektrostatische lenzen, en gaat door het monster zodat een deel ervan op het monster wordt verstrooid, en deel niet. De elektronenbundel die door het monster gaat, draagt dus informatie over de structuur van het monster. De bundel gaat dan door een systeem van vergrotende lenzen en vormt een beeld op een fluorescerend scherm (meestal zinksulfide), een fotografische plaat of een CCD-camera.
De TEM-resolutie wordt voornamelijk beperkt door sferische aberratie. Sommige moderne TEM's hebben correctors voor sferische aberratie.
De belangrijkste nadelen van TEM zijn de noodzaak van een zeer dun monster (in de orde van 100 nm) en de instabiliteit (decompositie) van de monsters onder de straal.
Transmissie raster (scanning) elektronenmicroscopie (STEM)
Hoofd artikel: Transmissie scanning elektronenmicroscoop
Een van de soorten transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), maar er zijn apparaten die uitsluitend in de STEM-modus werken. Een elektronenbundel wordt door een relatief dun monster geleid, maar, in tegenstelling tot conventionele transmissie-elektronenmicroscopie, wordt de elektronenbundel gefocusseerd tot een punt dat langs een raster over het monster beweegt.
Scanning (scanning) elektronenmicroscopie
Het is gebaseerd op het televisieprincipe van het aftasten van een dunne elektronenbundel over het monsteroppervlak.
Laagspanningselektronenmicroscopie
Toepassingen van elektronenmicroscopen
|
Halfgeleiders en gegevensopslag
Biologie en Life Sciences
|
Wetenschappelijk onderzoek
Industrie
|
'S Werelds grootste fabrikanten van elektronenmicroscopen
zie ook
Notities (bewerken)
Links
- Top 15 elektronenmicroscopen Afbeeldingen van 2011 De afbeeldingen op de aanbevolen site zijn willekeurig gekleurd en hebben eerder artistieke dan wetenschappelijke waarde (elektronenmicroscopen produceren zwart-witafbeeldingen in plaats van kleur).
Wikimedia Stichting. 2010.
Zie wat "Elektronenmicroscoop" is in andere woordenboeken:
Een apparaat voor het observeren en fotograferen van een meervoudig (tot 106 keer) vergroot beeld van een object, waarin in een diep vacuüm in plaats van lichtstralen elektronenstralen worden gebruikt die zijn versneld tot hoge energieën (30 1000 keV en meer). Fys... fysieke encyclopedie
Een apparaat voor het observeren en fotograferen van meerdere (tot 106 keer) vergrote afbeeldingen van objecten, waarbij in plaats van lichtbundels elektronenbundels worden gebruikt, versneld tot hoge energieën (30-100 keV en meer) in een diep vacuüm. Fys. ... ... fysieke encyclopedie
Elektronen microscoop- (schema). ELEKTRONISCHE MICROSCOOP, een vacuüm elektro-optisch apparaat voor het observeren en fotograferen van meerdere (tot 106 keer) vergrote afbeeldingen van objecten verkregen met behulp van elektronenstralen die zijn versneld tot hoge energieën. ... ... Geïllustreerd encyclopedisch woordenboek
ELEKTRONISCHE MICROSCOOP, MICROSCOOP, die het bestudeerde object "verlicht" met een stroom elektronen. In plaats van conventionele lenzen bevat het magneten die de elektronenbundel focusseren. Met dit apparaat kunt u objecten van zeer kleine afmetingen zien, omdat ... ... Wetenschappelijk en technisch encyclopedisch woordenboek
Om nano-objecten van resolutie van optische microscopen te bestuderen ( zelfs met ultraviolet) is duidelijk niet genoeg. Wat dat betreft, in de jaren dertig. het idee ontstond om elektronen te gebruiken in plaats van licht, waarvan de golflengte, zoals we die kennen uit de kwantumfysica, honderden keren korter is dan die van fotonen.
Zoals u weet, is onze visie gebaseerd op de vorming van een afbeelding van een object op het netvlies van het oog door lichtgolven die door dit object worden gereflecteerd. Als licht, voordat het het oog binnenkomt, door het optische systeem gaat microscoop, zien we een vergroot beeld. In dit geval wordt het verloop van lichtstralen vakkundig gecontroleerd door de lenzen die het objectief en het oculair van het apparaat vormen.
Maar hoe krijg je een beeld van een object, en met een veel hogere resolutie, niet met lichtstraling, maar met een stroom elektronen? Met andere woorden, hoe is het mogelijk om objecten te zien op basis van het gebruik van deeltjes, niet op golven?
Het antwoord is heel eenvoudig. Het is bekend dat het traject en de snelheid van elektronen aanzienlijk worden beïnvloed door externe elektromagnetische velden, met behulp waarvan het mogelijk is om de beweging van elektronen effectief te regelen.
De wetenschap van de beweging van elektronen in elektromagnetische velden en de berekening van apparaten die de vereiste velden vormen, wordt genoemd elektronische optica.
Een elektronisch beeld wordt gevormd door elektrische en magnetische velden op vrijwel dezelfde manier als een lichtbeeld wordt gevormd door optische lenzen. Daarom worden in een elektronenmicroscoop apparaten voor het focusseren en verstrooien van een elektronenbundel " elektronische lenzen”.
Elektronische lens. De windingen van de spoeldraden waardoor de stroom vloeit focusseren de elektronenbundel op dezelfde manier als een glazen lens de lichtbundel focusseert.
Het magnetische veld van de spoel werkt als een convergerende of diffunderende lens. Om het magnetische veld te concentreren, wordt de spoel gesloten met een magnetische " schild»Gemaakt van een speciale nikkel-kobaltlegering, waardoor er slechts een smalle opening in het interieur overblijft. Het op deze manier gecreëerde magnetische veld kan 10-100 duizend keer sterker zijn dan het magnetische veld van de aarde!
Helaas kunnen onze ogen elektronenstralen niet direct waarnemen. Daarom worden ze gebruikt voor " tekening”Beelden op fluorescerende schermen (die oplichten wanneer elektronen inslaan). Overigens ligt hetzelfde principe ten grondslag aan de werking van monitoren en oscillografen.
Er zijn veel verschillende soorten elektronenmicroscopen, waarvan de meest populaire de scanning elektronenmicroscoop (SEM) is. We krijgen er een vereenvoudigd diagram van als we het bestudeerde object in de kathodestraalbuis van een gewoon tv-toestel tussen het scherm en de elektronenbron plaatsen.
In zulke microscoop een dunne bundel elektronen (bundeldiameter ongeveer 10 nm) loopt rond (alsof ze scant) het monster langs horizontale lijnen, punt voor punt, en zendt het signaal synchroon naar de kinescoop. Het hele proces is vergelijkbaar met de bediening van een tv tijdens het veegproces. De bron van elektronen is een metaal (meestal wolfraam), waaruit bij verhitting elektronen worden uitgezonden als gevolg van thermionische emissie.
Werkingsschema van een scanning elektronenmicroscoop
Thermische emissie- de uitgang van elektronen uit het oppervlak van de geleiders. Het aantal uitgezonden elektronen is klein bij T = 300 K en groeit exponentieel met toenemende temperatuur.
Wanneer elektronen door het monster gaan, worden sommige ervan verstrooid door botsingen met de kernen van de atomen van het monster, andere door botsingen met de elektronen van de atomen, en weer anderen gaan er doorheen. In sommige gevallen worden secundaire elektronen uitgezonden, worden röntgenstralen geïnduceerd, enz. Al deze processen zijn geregistreerd door special detectoren en in een getransformeerde vorm worden op het scherm weergegeven, waardoor een vergroot beeld van het bestudeerde object ontstaat.
Vergroting wordt in dit geval opgevat als de verhouding tussen de grootte van het beeld op het scherm en de grootte van het gebied dat door de straal op het monster wordt bedekt. Omdat de golflengte van een elektron orden van grootte korter is dan die van een foton, kan deze toename in moderne SEM oplopen tot 10 miljoen15, wat overeenkomt met een resolutie van enkele nanometers, wat het mogelijk maakt om individuele atomen te visualiseren.
Het grootste nadeel: elektronenmicroscopie- de noodzaak om in volledig vacuüm te werken, omdat de aanwezigheid van enig gas in de microscoopkamer kan leiden tot ionisatie van de atomen en de resultaten aanzienlijk kan vervormen. Bovendien hebben elektronen een destructief effect op biologische objecten, waardoor ze onbruikbaar zijn voor onderzoek op veel gebieden van de biotechnologie.
Geschiedenis van de schepping elektronen microscoop Is een opmerkelijk voorbeeld van prestatie op basis van een interdisciplinaire benadering, toen het onafhankelijk ontwikkelen van wetenschaps- en technologiegebieden, verenigd, een krachtig nieuw hulpmiddel voor wetenschappelijk onderzoek creëerde.
Het toppunt van de klassieke natuurkunde was de theorie van het elektromagnetische veld, die de voortplanting van licht, elektriciteit en magnetisme verklaarde als de voortplanting van elektromagnetische golven. Golfoptica verklaarde het fenomeen diffractie, het mechanisme van beeldvorming en het spel van factoren die de resolutie in een lichtmicroscoop bepalen. Succes kwantumfysica we danken de ontdekking van het elektron met zijn specifieke corpusculaire golfeigenschappen. Deze afzonderlijke en schijnbaar onafhankelijke ontwikkelingspaden leidden tot de creatie van elektronische optica, een van de belangrijkste uitvindingen waarvan in de jaren dertig de elektronenmicroscoop was.
Maar ook de wetenschappers rustten hier niet op. De golflengte van een elektron dat wordt versneld door een elektrisch veld is enkele nanometers. Dit is goed als we een molecuul of zelfs een atoomrooster willen zien. Maar hoe kijk je in het atoom? Hoe ziet een chemische binding eruit? Hoe ziet het proces van een enkele chemische reactie eruit? Hiervoor ontwikkelen wetenschappers in verschillende landen tegenwoordig neutronenmicroscopen.
Neutronen zijn meestal opgenomen in atoomkernen samen met protonen en hebben bijna 2000 keer de massa van een elektron. Degenen die de formule van de Broglie uit het hoofdstuk over kwantum niet zijn vergeten, zullen onmiddellijk beseffen dat de golflengte van het neutron net zo veel minder is, dat wil zeggen, het is picometer in duizendsten van een nanometer! Dan zal het atoom voor onderzoekers niet als een vaag stipje verschijnen, maar in al zijn glorie.
Neutron microscoop heeft veel voordelen - met name neutronen reflecteren waterstofatomen goed en dringen gemakkelijk door dikke lagen monsters. Het is echter erg moeilijk om het te bouwen: neutronen hebben geen elektrische lading, daarom negeren ze rustig magnetische en elektrische velden en proberen ze de sensoren te ontwijken. Bovendien is het niet eenvoudig om grote, kolossale neutronen uit atomen te verdrijven. Daarom zijn de eerste prototypes van een neutronenmicroscoop vandaag de dag nog verre van perfect.