Что такое электронный микроскоп?

Что такое электронный микроскоп?

Электронный микроскоп — это микроскоп, который освещает образцы электронным лучом. Благодаря чрезвычайно короткой длине волны электронного луча можно визуализировать сверхтонкие структуры, которые невозможно наблюдать с помощью оптического микроскопа. Существует два основных типа электронных микроскопов: те, которые выводят пропускание электронного луча в виде изображения, и те, которые отображают сигнал, полученный в результате взаимодействия электронного луча с образцом.

Большинство электронных микроскопов, продаваемых на рынке, оптимизированы для промышленных материалов и для наблюдения за биологическими образцами. Термин «электронный микроскоп» часто сокращается до «ЭМ».

Использование электронного микроскопа

В промышленной сфере электронные микроскопы используются для анализа поверхности трещин поврежденных металлических деталей с целью определения причины повреждения или для наблюдения за поверхностью обработанной детали с целью проверки ее качества. Они также используются для изучения инструментальных свойств макромолекулярных полимеров путем наблюдения за их сетями и для оценки наличия примесей. В области естественных наук они используются для визуализации микроструктуры внутриклеточных органелл и картирования связей между нейронами путем наблюдения за сложно переплетенными нервными клетками. Электронный микроскоп также был удостоен Нобелевской премии по химии 2017 года за его потенциальное применение в структурном анализе белков путем выполнения простых предварительных обработок образцов.

Принципы электронных микроскопов

Электронные микроскопы состоят из источника, линзы и детектора и имеют конфигурацию, очень похожую на конфигурацию оптического микроскопа. Однако каждый из этих элементов в принципе сильно отличается от оптического микроскопа.

Прежде всего, электронные лучи немедленно ослабляются и аннигилируют, когда сталкиваются с молекулами и другими веществами в воздухе. Поэтому электронные лучи должны генерироваться и испускаться в вакууме.

Во-вторых, поскольку стеклянные линзы, такие как те, что используются в обычных оптических системах, прозрачны, для преломления электронных пучков необходимо использовать магнитные линзы, которые сходятся с помощью магнитного поля.

Такие линзы имеют большие оптические аберрации, поэтому они разработаны с малой числовой апертурой для смягчения этой проблемы. Это позволяет электронным микроскопам иметь большую глубину фокуса и наблюдать объекты в трех измерениях с большой глубиной.

Стандартные электронные микроскопы подразделяются на две категории:

1. Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ)

В этих микроскопах электронный луч пропускается через образец, и контраст получается на основе его затухания. Образец должен быть очень тонким, чтобы электронный луч мог проникнуть в него. Сила электронного луча называется ускоряющим напряжением. При ускоряющем напряжении 300 кВ длина волны составляет 0,00197 нм, что чрезвычайно мало, а разрешение составляет 0,1 нм, что порядка размера исходного материала. Разрешение составляет 0,1 нм, что порядка размера исходного материала. Это в 800 000 раз выше разрешения оптического микроскопа. Просвечивающие электронные микроскопы отлично подходят для наблюдения за внутренней структурой образца, например, кристаллической структурой в очень компактной области, поскольку они наблюдают электроны, прошедшие через образец.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

При освещении материалов электронными пучками в вакууме испускаются вторичные электроны, отраженные электроны и характеристические рентгеновские лучи. Изображения сканирующего электронного микроскопа формируются из вторичных электронов и отраженных электронных сигналов путем сканирования пространственно сфокусированного электронного пучка. Вторичные электроны генерируются вблизи поверхности образца, что делает вторичное электронное изображение пригодным для просмотра микроскопических неровностей в образце. Количество отраженных электронов зависит от состава образца (атомного номера, ориентации кристалла и т. д.), что делает отраженное электронное изображение пригодным для оценки распределения состава поверхности образца.

Когда электронный луч попадает на образец, атомы, составляющие поверхность, возбуждаются и испускают электроны. Другие виды излучения включают отраженные электроны и характеристические рентгеновские лучи, которые называются вторичными электронами и получаются путем точечного сканирования интенсивности испускаемых вторичных электронов.

Вещи, которые можно наблюдать только с помощью электронных микроскопов

Электронные микроскопы обладают чрезвычайно высоким разрешением по сравнению с обычными оптическими микроскопами, что облегчает, например, наблюдение за микроскопическими тканевыми структурами, такими как клетки и металлические кристаллы, размером порядка атомов.

Возьмем в качестве примера клетки: оптические микроскопы не могут подробно наблюдать мельчайшие структуры, кроме ядра, но электронные микроскопы могут. Это позволяет подробно исследовать функцию ферментов в клетке, реакции клеточных структур и различные другие функции.