Обычный тип микроскопа, который вы можете найти в классе или научной лаборатории, - это оптический микроскоп. Оптический микроскоп использует свет для увеличения изображения до 2000х (обычно намного меньше) и имеет разрешение около 200 нанометров. Электронный микроскоп, с другой стороны, использует пучок электронов, а не света для формирования изображения. Увеличение электронного микроскопа может достигать 10 000 000 раз с разрешением 50 пикометров (0,05 нм).
Преимущества использования электронного микроскопа перед оптическим микроскопом заключаются в гораздо большем увеличении и разрешающей способности. К недостаткам относятся стоимость и размер оборудования, необходимость специальной подготовки для подготовки образцов для микроскопии и использования микроскопа, а также необходимость просмотра образцов в вакууме (хотя некоторые гидратированные образцы могут использоваться).
Самый простой способ понять, как работает электронный микроскоп, - сравнить его с обычным световым микроскопом. В оптическом микроскопе вы смотрите через окуляр и линзу, чтобы увидеть увеличенное изображение образца. Настройка оптического микроскопа состоит из образца, линз, источника света и изображения, которое вы можете видеть.
В электронном микроскопе пучок электронов занимает место пучка света. Образец должен быть специально подготовлен, чтобы электроны могли взаимодействовать с ним. Воздух внутри камеры для образцов откачивается, образуя вакуум, потому что электроны не распространяются далеко в газе. Вместо линз электромагнитные катушки фокусируют электронный луч. Электромагниты изгибают пучок электронов почти так же, как линзы излучают свет. Изображение производится электроныТаким образом, его можно увидеть, взяв фотографию (электронную микрофотографию) или просмотрев образец через монитор.
Существует три основных типа электронной микроскопии, которые различаются в зависимости от того, как формируется изображение, как готовится образец, и от разрешения изображения. Это просвечивающая электронная микроскопия (TEM), сканирующая электронная микроскопия (SEM) и сканирующая туннельная микроскопия (STM).
Первыми электронными микроскопами, которые были изобретены, были просвечивающие электронные микроскопы. В ПЭМ, высоковольтный электронный пучок частично пропускается через очень тонкий образец, чтобы сформировать изображение на фотопластинке, сенсоре или флуоресцентном экране. Образ, который формируется, является двухмерным и черно-белым, вроде как Рентгеновский. Преимущество метода в том, что он способен к очень большому увеличению и разрешению (примерно на порядок лучше, чем SEM). Ключевым недостатком является то, что он лучше всего работает с очень тонкими образцами.
В сканирующей электронной микроскопии пучок электронов сканируется по поверхности образца растровым образом. Изображение формируется вторичными электронами, испускаемыми с поверхности, когда они возбуждаются электронным пучком. Детектор отображает электронные сигналы, формируя изображение, которое показывает глубину резкости в дополнение к структуре поверхности. Хотя разрешение ниже, чем у TEM, SEM предлагает два больших преимущества. Во-первых, он формирует трехмерное изображение образца. Во-вторых, его можно использовать на более толстых образцах, поскольку сканируется только поверхность.
И в TEM, и в SEM важно понимать, что изображение не обязательно является точным представлением образца. Образец может испытывать изменения из-за его подготовки к микроскопот воздействия вакуума или от воздействия электронного пучка.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) отображает поверхности на атомном уровне. Это единственный тип электронной микроскопии, который может визуализировать человека атомы. Его разрешение составляет около 0,1 нм с глубиной около 0,01 нм. STM можно использовать не только в вакууме, но и в воздухе, воде и других газах и жидкостях. Его можно использовать в широком диапазоне температур, от почти абсолютного нуля до более 1000 градусов Цельсия.
СТМ основан на квантовом туннелировании. Электропроводящий наконечник подносится к поверхности образца. Когда применяется разность напряжений, электроны могут туннелировать между наконечником и образцом. Изменение тока наконечника измеряется по мере его сканирования по образцу для формирования изображения. В отличие от других видов электронной микроскопии, прибор доступен и прост в изготовлении. Тем не менее, STM требует чрезвычайно чистых образцов, и это может быть сложно заставить его работать.