Как же устроен электронный микроскоп? В чём его отличие от оптического микроскопа, существует ли между ними какая-нибудь аналогия?
В основе работы электронного микроскопа лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей, обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических и магнитных полей; соответствующие устройства, создающие эти поля, называют «электронными линзами».
В зависимости от вида электронных линз электронные микроскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные.
Какого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного микроскопа?
Так же как и в случае оптического микроскопа объекты, во-первых, могут быть «самосветящимися», т. е. служить источником электронов. Это, например, накаленный катод или освещаемый фотоэлектронный катод. Во-вторых, могут быть использованы объекты, «прозрачные» для электронов, обладающих определённой скоростью. Иными словами, при работе на просвет объекты должны быть достаточно тонкими, а электроны достаточно быстрыми, чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз. Кроме того, путём использования отражённых электронных лучей могут быть изучены поверхности массивных объектов (в основном металлов и металлизированных образцов). Такой способ наблюдения аналогичен методам отражательной оптической микроскопии.
По характеру исследования объектов электронные микроскопы разделяют на просвечивающие, отражательные, эмиссионные, растровые, теневые и зеркальные.
Наиболее распространёнными в настоящее время являются электромагнитные микроскопы просвечивающего типа, в которых изображение создаётся электронами, проходящими сквозь объект наблюдения. Он состоит из следующих основных узлов: осветительной системы, камеры объекта, фокусирующей системы и блока регистрации конечного изображения, состоящего из фотокамеры и флуоресцирующего экрана. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя так называемую колонну микроскопа, внутри которой поддерживается давление. Осветительная система обычно состоит из трёхэлектродной электронной пушки (катод, фокусирующий электрод, анод) и конденсорной линзы (речь идёт об электронных линзах). Она формирует пучок быстрых электронов нужного сечения и интенсивности и направляет его на исследуемый объект, находящийся в камере объектов. Пучок электронов, прошедший сквозь объект, поступает в фокусирующую (проекционную) систему, состоящую из объективной линзы и одной или нескольких проекционных линз.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - высоковольтный, вакуумный прибор, в котором увеличенное изображение объекта получают с помощью потока электронов. Предназначен для исследования и фотографирования объектов при больших увеличениях. Электронные микроскопы имеют высокую разрешающую способность. Электронные микроскопы находят широкое применение в науке, технике, биологии и медицине.
По принципу действия различают просвечивающие (трансмиссионные), сканирующие, (растровые) и комбинированные электронные микроскопы. Последние могут работать в просвечивающем, сканирующем либо в двух режимах одновременно.
Отечественная промышленность приступила к выпуску просвечивающих электронных микроскопов в конце 40-х годов 20 века Необходимость создания электронного микроскопа была вызвана низкой разрешающей способностью световых микроскопов. Для увеличения разрешающей способности требовался более коротковолновый источник излучения. Решение проблемы стало возможным только с применением в качестве осветителя пучка электронов. Длина волны потока электронов, ускоренных в электрическом поле с разностью потенциалов 50 000 в, составляет 0,005 нм. В настоящее время на просвечивающем электронном микроскопе достигнуто разрешение для пленок золота 0,01 нм.
Схема электронного микроскопа просвечивающего типа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсорные линзы; 3 - объектив; 4 - проекционные линзы; 5 - тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 6 - высоковольтный кабель; 7 - вакуумная система; 8 - пульт управления; 9 - стенд; 10 - высоковольтное питающее устройство; 11 - источник питания электромагнитных линз.
Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа мало чем отличается от схемы светового микроскопа (см.). Ход лучей и основные элементы конструкции обоих микроскопов аналогичны. Несмотря на большое разнообразие выпускаемых электронных микроскопов, все они построены по одной схеме. Основным элементом конструкции просвечивающего электронного микроскопа является колонна микроскопа, состоящая из источника электронов (электронной пушки), набора электромагнитных линз, предметного столика с объектодержателем, люминесцентного экрана и фоторегистрирующего устройства (см. схему). Все элементы конструкции колонны микроскопа собраны герметично. Системой вакуумных насосов в колонне создается глубокий вакуум для беспрепятственного прохождения электронов и защиты образца от разрушения.
Поток электронов образуется в пушке микроскопа, построенной по принципу трехэлектродной лампы (катод, анод, управляющий электрод). В результате термоэмиссии с разогретого V-образного вольфрамового катода высвобождаются электроны, которые разгоняются до высоких энергий в электрическом поле с разностью потенциалов от нескольких десятков до нескольких сотен киловольт. Через отверстие в аноде поток электронов устремляется в просвет электромагнитных линз.
Наряду с вольфрамовыми термоэмиссионными катодами в электронном микроскопе применяют стержневые и автоэмиссионные катоды, обеспечивающие значительно большую плотность пучка электронов. Однако для их работы необходим вакуум не ниже 10^-7 мм рт. ст., что создает дополнительные конструктивные и эксплуатационные трудности.
Другой основной элемент конструкции колонны микроскопа - электромагнитная линза, представляющая собой катушку с большим числом витков тонкого медного провода, помещенную в панцирь из мягкого железа. При прохождении через обмотку линзы электрического тока в ней образуется электромагнитное поле, силовые линии которого концентрируются во внутреннем кольцевом разрыве панциря. Для усиления магнитного поля в область разрыва помещен полюсный наконечник, позволяющий получать мощное, симметричное поле при минимальном токе в обмотке линзы. Недостатком электромагнитных линз являются различные аберрации, влияющие на разрешающую способность микроскопа. Наибольшее значение имеет астигматизм, вызванный асимметрией магнитного поля линзы. Для его устранения применяют механические и электрические стигматоры.
Задача сдвоенных конденсорных линз, как и конденсора светового микроскопа, состоит в изменении освещенности объекта за счет изменения плотности потока электронов. Диафрагма конденсорной линзы диаметром 40-80 мкм выбирает центральную, наиболее однородную часть мучка электронов. Объективная линза - самая короткофокусная линза с мощным магнитным полем. Ее задача состоит в фокусировании и первичном увеличении угла движения электронов, прошедших через объект. От качества изготовления и однородности материала полюсного наконечника объективной линзы во многом зависит разрешающая способность микроскопа. В промежуточной и проекционной линзах происходит дальнейшее увеличение угла движения электронов.
Особые требования предъявляются к качеству изготовления предметного столика и объектодержателя, так как они должны не только перемещать и наклонять образец в заданных направлениях при большом увеличении, но и при необходимости подвергать его растяжению, нагреву или охлаждению.
Довольно сложным электронно-механическим устройством является фоторегистрирующая часть микроскопа, которая позволяет осуществлять автоматическую экспозицию, замену отснятого фотоматериала, производить на нем запись необходимых режимов микроскопирования.
В отличие от светового микроскопа объект исследования в просвечивающем электронном микроскопе крепится на тонких сетках, изготовленных из немагнитного материала (медь, палладий, платина, золото). На сетки крепится пленка-подложка из коллодия, формвара или углерода толщиной несколько десятков нанометров, затем наносится материал, подвергаемый микроскопическому исследованию. Взаимодействие падающих электронов с атомами образца приводит к изменению направления их движения, отклонению на незначительные углы, отражению или полному поглощению. В формировании изображения на люминесцентном экране или фотоматериале принимают участие только те электроны, которые были отклонены веществом образца на незначительные углы и смогли пройти через апертурную диафрагму объективной линзы. Контрастность изображения зависит от наличия в образце тяжелых атомов, сильно влияющих на направление движения электронов. Для усиления контрастности биологических объектов, построенных в основном из легких элементов, применяют различные методы контрастирования (см. Электронная микроскопия).
В просвечивающем электронном микроскопе предусмотрена возможность получать темнопольное изображение образца при освещении его наклонным пучком электронов. В этом случае через апертурную диафрагму проходят рассеянные образцом электроны. Темно-польная микроскопия увеличивает контрастность изображения при высоком разрешении деталей образца. В просвечивающем электронном микроскопе предусмотрен также режим микродифракции минимальных кристаллов. Переход от светлопольного к темнопольному режиму и микродифракции не требует значительных изменений в схеме микроскопа.
В сканирующем электронном микроскопе поток электронов формируется высоковольтной пушкой. С помощью сдвоенных конденсорных линз получают тонкий пучок электронов (электронный зонд). Посредством отклоняющих катушек электронный зонд разворачивается на поверхности образца, вызывая излучение. Система сканирования в сканирующем электронном микроскопе напоминает систему, с помощью которой получают телевизионное изображение. Взаимодействие электронного луча с образцом приводит к появлению рассеянных электронов, потерявших часть энергии при взаимодействии с атомами образца. Для построения объемного изображения в сканирующем электронном микроскопе электроны собираются специальным детектором, усиливаются и подаются на генератор развертки. Количество отраженных и вторичных электронов в каждой отдельной точке зависит от рельефа и химического состава образца, соответственно меняется яркость и контрастность изображения объекта на кинескопе. Разрешающая способность сканирующего электронного микроскопа достигает 3 нм, увеличение - 300 000. Глубокий вакуум в колонне сканирующего электронного микроскопа предусматривает обязательное обезвоживание биологических образцов с помощью органических растворителей либо их лиофилизацию из замороженного состояния.
Комбинированный электронный микроскоп может быть создан на базе просвечивающего или сканирующего электронного микроскопа. Пользуясь комбинированным электронным микроскопом, можно одновременно изучать образец в просвечивающем и сканирующем режимах. В комбинированном электронном микроскопе, как и в сканирующем, предусмотрена возможность для рентгеноструктурного, энергодисперсионного анализа химического состава вещества объекта, а также для оптико-структурного машинного анализа изображений.
Для увеличения эффективности использования всех видов электронных микроскопов созданы системы, позволяющие переводить электронно-микроскопическое изображение в цифровую форму с последующей обработкой этой информации на ЭВМ Оптико-структурный машинный анализ позволяет производить статистический анализ изображения непосредственно с микроскопа, минуя традиционный метод «негатив-отпечаток».
Библиогр.: Стоянова И. Г. и Анаскнн И. Ф. Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Суворов А. Л. Микроскопия в науке и технике, М., 1981; Финеан Дж. Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; Шиммель Г. Методика электронной микроскопии, пер. с нем.. М., 1972. См. также библиогр. к ст. Электронная микроскопия.
Чтобы понять принцип работы светового микроскопа, необходимо рассмотреть его строение.
Главный прибор биологии является оптической системой, которая состоит из штатива, осветительной и оптической части. В штатив входят башмак; предметный столик с держателем предметного стекла и двумя винтами, перемещающими столик в двух перпендикулярных направлениях; тубус, тубусодержатель; макро- и микровинты, передвигающие тубус в вертикальном направлении.
Для освещения объекта используют естественное рассеянное или искусственное освещение, которое осуществляется посредством стационарно вмонтированного в башмак микроскопа или соединенного через планку осветителя.
В осветительную систему также входят зеркало с плоской и вогнутой поверхностями и конденсор, расположенный под предметным столиком и состоящий из 2 линз, ирисовой диафрагмы и откидывающейся оправы для светофильтров. Оптическая часть включает наборы объективов и окуляров, которые позволяют изучать клетки на разных увеличениях.
Принцип работа светового микроскопа заключается в том, что пучок света от источника освещения собирается в конденсаторе и направляется на объект. Пройдя через него, лучи света попадают в систему линз объектива. Они выстраивают первичное изображение, которое увеличивается при помощи линз окуляра. В целом объектив и окуляр дают обратное мнимое и увеличенное изображение объекта.
Основными характеристиками любого микроскопа являются разрешающая способность и контраст.
Разрешающая способность - это минимальное расстояние, на котором находятся две точки, демонстрируемые микроскопом раздельно.
Разрешение микроскопа вычисляет по формуле
где л - длина волны света осветителя,
б - угол между оптической осью объектива и наиболее отклоняющимся лучом, попадающим в него,
n - коэффициент преломления среды.
Чем меньше длина волны луча, тем более мелкие детали мы сможем наблюдать через микроскоп. И чем выше нумерическая апертура объектива (n, тем выше разрешение объектива.
Световой микроскоп может повысить разрешающую способность человеческого глаза примерно в 1000 раз. Это является "полезным" увеличением микроскопа. При использовании видимой части спектра света конченый предел разрешения светового микроскопа составляет 0,2-0,3 мкм.
Однако следует отметить, что световая микроскопия позволяет нам увидеть частицы, меньшие предела разрешения. Это можно осуществить благодаря методу "Темного поля" или "Ультрамикроскопии".
Рис. 1 Световой микроскоп: 1 - штатив; 2 - предметный столик; 3 - насадка; 4 - окуляр; 5 - тубус; 6 - устройство смены объективов; 7 - микрообъектив; 8 - конденсор; 9 - механизм перемещения конденсора; 10 - коллектор; 11 - осветительная система; 12 - механизм фокусировки микроскопа.
Строение электронного микроскопа
Основная часть электронного микроскопа - полый вакуумный цилиндр (воздух откачан, чтобы исключить взаимодействие электронов с его составляющими и оксисления нити катода). Между катодом и анодом подаётся высокое напряжение, для дополнительного ускорения электронов. В конденсорной линзе(которая представляет собой электромагнит, как и все линзы электронного микроскопа) пучок электронов фокусируется и попадает на изучаемый объект. Прошедшие электроны, формируют на объективной линзе увеличенное первичное изображение, которое увеличивает проекционная линза, и проецируется на экран, который покрыт люминесцентным слоем для свечения при попадании на него электронов.
Рис. 2. Электронный микроскоп: 1 - электронная пушка; 2 - анод; 3 - катушка для юстировки пушки; 4 - клапан пушки; 5 - 1-я конденсорная линза; 6 - 2-я конденсорная линза; 7 - катушка для наклона пучка;8 - конденсор 2 диафрагмы; 9 - объективная линза; 10 - блок образца; 11 -дифракционная диафрагма; 12 - дифракционная линза; 13 - промежуточная линза; 14 - 1-я проекционная линза; 15 - 2-я проекционная линза; 16 - бинокуляр (увеличение 12); 17 - вакуумный блок колонны; 18 - камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 - экран для фокусировки; 20 - камера для пластинок; 21 - главный экран; 22 - ионный сорбционный насос.
Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих ультра-фиолет ) явно недостаточно. В связи с этим в 1930х гг. возникла идея использовать вместо све-та электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.
Как известно, в основе нашего зрения лежит формирование изображения объекта на сетчатке глаза световыми волнами, отраженными от этого объекта. Если, прежде чем попасть в глаз, свет проходит сквозь оптическую систему микроскопа , мы видим увеличенное изображение. При этом ходом световых лучей умело управляют линзы, составляющие объектив и окуляр прибора.
Но как же можно получить изображение объекта, причём с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?
Ответ очень прост. Известно, что на траекторию и скорость электронов существенно влияют внешние электромагнитные поля, с помощью которых можно эффективно управлять движением электронов.
Наука о движении электронов в электромагнитных полях и о расчёте устройств, формирующих нужные поля, называется электронной оптикой .
Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Поэтому в электронном микроскопе устройства фоку-сировки и рассеивания электронного пучка называют “электронными линзами ”.
Электронная линза. Витки проводов катушки, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок
Магнитное поле катушки действует как собирающая или рассеивающая линза. Чтобы сконцентрировать магнитное поле, катушку закрывают магнитной «броней » из специального ни-кель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор во внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10–100 тыс. раз сильнее, чем магнитное поле Земли!
К сожалению, наш глаз не может непосредственно воспринимать электронные пучки. Поэтому они используются для “рисования ” изображения на люминесцентных экранах (которые светятся при попадании электронов). Кстати, тот же принцип лежит в основе работы мониторов и осцил-лографов.
Существует большое количество различных типов электронных микроскопов , среди которых наиболее популярен растровый электронный микроскоп (РЭМ). Мы получим его упрощенную схему, если поместим изучаемый объект внутрь электронно-лучевой трубки обыкновенного телевизора между экраном и источником электронов.
В таком микроскопе тонкий луч электронов (диаметр пучка около 10 нм) обегает (как бы сканируя) образец по горизонтальным строчкам, точку за точкой, и синхронно передает сигнал на кинескоп. Весь процесс аналогичен работе телевизора в процессе развертки. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого при нагревании в результате термоэлектронной эмиссии испускаются электроны.
Схема работы растрового электронного микроскопа
Термоэлектронная эмиссия – выход электронов с поверхности проводников. Число вышедших электронов мало при Т=300K и экспоненциально растет с повышением температуры.
При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие- изза столкновений с электронами атомов, а третьи проходят сквозь него. В некоторых случаях испускаются вторичные электроны, индуцируется рентгенов-ское излучение и т.п. Все эти процессы регистрируются специальными детекторами и в преобразованном виде выводятся на экран, создавая увеличенную картинку изучаемого объекта.
Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. В связи с тем, что длина волны электрона на порядки меньше, чем фотона, в современных РЭМ это увеличение может достигать 10 миллионов15, соответствуя разрешению в единицы нанометров, что позволяет визуализировать отдельные атомы.
Главный недостаток электронной микроскопии – необходимость работы в полном вакууме, ведь наличие какоголибо газа внутри камеры микроскопа может привести к ионизации его атомов и существенно исказить результаты. Кроме того, электроны оказывают разрушительное воздействие на биологические объекты, что делает их неприменимыми для исследования во многих областях биотехнологии.
История создания электронного микроскопа – замечательный пример достижения, основанного на междисциплинарном подходе, когда самостоятельно развивающиеся области науки и техники, объединившись, создали новый мощный инструмент научных исследований.
Вершиной классической физики была теория электромагнитного поля, которая объяснила распространение света, электричество и магнетизм как распространение электромагнитных волн. Волновая оптика объяснила явление дифракции, механизм формирования изображения и игру факторов, определяющих разрешение в световом микроскопе. Успехам квантовой физики мы обязаны открытием электрона с его специфическими корпускулярноволновыми свойствами. Эти отдельные и, казалось бы, независимые пути развития привели к созданию электронной оптики, одним из важнейших изобретений которой в 1930х годах стал электронный микроскоп.
Но и на этом ученые не успокоились. Длина волны электрона, ускоренного электрическим полем, составляет несколько нанометров. Это неплохо, если мы хотим увидеть молекулу или даже атомную решетку. Но как заглянуть внутрь атома? На что похожа химическая связь? Как выглядит процесс отдельной химической реакции? Для этого сегодня в разных странах ученые разрабатывают нейтронные микроскопы.
Нейтроны обычно входят в состав атомных ядер наряду с протонами и имеют почти в 2000 раз большую массу, чем электрон. Те, кто не забыл формулу де Бройля из квантовой главы,сразу сообразят, что и длина волны у нейтрона во столько же раз меньше, то есть составляет пикометры тысячные доли нанометра! Тогдато атом и предстанет исследователям не как расплывчатое пятнышко, а во всей своей красе.
Нейтронный микроскоп имеет много плюсов – в частности, нейтроны хорошо отображают атомы водорода и легко проникают в толстые слои образцов. Однако и построить его очень трудно: нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому преспокойно игнорируют магнитные и электрические поля и так и норовят ускользнуть от датчиков. К тому же не так-то просто выгнать большие неповоротливые нейтроны из атомов. Поэтому сегодня первые прототипы нейтронного микроскопа еще весьма далеки от совершенства.
