Aký je pozorovací rozsah optického mikroskopu a elektrónového mikroskopu
Zloženie a štruktúra optického mikroskopu Optický mikroskop sa vo všeobecnosti skladá zo stolíka, systému bodového osvetlenia, šošovky objektívu, okuláru a zaostrovacieho mechanizmu. Pódium sa používa na držanie objektu, ktorý sa má pozorovať. Zaostrovací mechanizmus môže byť poháňaný zaostrovacím gombíkom, aby sa stolík pohyboval nahor a nadol pre hrubé nastavenie a jemné nastavenie, takže pozorovaný objekt môže byť zaostrený a jasne zobrazený.
Jeho horná vrstva sa môže presne pohybovať a otáčať v horizontálnej rovine a celkovo prispôsobovať pozorovanú časť stredu zorného poľa. Systém bodového osvetlenia sa skladá zo svetelného zdroja a kondenzátora. Funkciou kondenzora je sústrediť viac svetelnej energie do pozorovanej časti. Spektrálne charakteristiky osvetľovacej lampy musia byť kompatibilné s pracovným pásmom prijímača mikroskopu.
Šošovka objektívu sa nachádza v blízkosti objektu, ktorý sa má pozorovať, a je to šošovka, ktorá realizuje prvú úroveň zväčšenia. Na konvertor šošoviek objektívu je súčasne nainštalovaných niekoľko šošoviek objektívu s rôznym zväčšením a šošovky objektívu s rôznym zväčšením môžu vstúpiť do pracovnej optickej dráhy otáčaním konvertora. Zväčšenie šošovky objektívu je zvyčajne 5 až 100-násobné. Objektív je optický prvok, ktorý hrá rozhodujúcu úlohu v kvalite obrazu v mikroskope.
Bežne používané sú achromatické šošovky objektívu, ktoré dokážu korigovať chromatickú aberáciu pre dve farby svetla; kvalitnejšie apochromatické šošovky objektívu, ktoré dokážu korigovať chromatickú aberáciu pre tri druhy farebného svetla; môže zabezpečiť, že celá obrazová rovina šošovky objektívu je plochá, aby sa zlepšilo zorné pole Objektívy s plochým poľom s okrajovou kvalitou obrazu. Objektívy s kvapalinovou imerziou sa často používajú v objektívoch s vysokým zväčšením, to znamená, že index lomu je 1 medzi spodným povrchom šošovky objektívu a horným povrchom listu vzorky.
5 kvapalina, môže výrazne zlepšiť rozlíšenie mikroskopického pozorovania. Okulár je šošovka umiestnená v blízkosti ľudského oka na dosiahnutie druhej úrovne zväčšenia a zväčšenie šošovky je zvyčajne 5 až 20-násobné. Podľa veľkosti zorného poľa, ktoré možno vidieť, možno okuláre rozdeliť na dva typy: bežné okuláre s menším zorným poľom a okuláre s veľkým zorným poľom (alebo širokouhlé okuláre) s väčším zorným poľom.
Stolík aj šošovka objektívu musia byť schopné pohybovať sa voči sebe navzájom pozdĺž optickej osi šošovky objektívu, aby sa dosiahlo nastavenie zaostrenia a získal sa jasný obraz. Pri práci s objektívom s veľkým zväčšením je povolený rozsah zaostrenia často menší ako mikróny, takže mikroskop musí mať veľmi presný mechanizmus mikrozaostrovania. Hranica zväčšenia mikroskopu je efektívne zväčšenie a rozlíšenie mikroskopu sa vzťahuje na minimálnu vzdialenosť medzi dvoma bodmi objektu, ktoré možno mikroskopom jasne rozlíšiť.
Rozlíšenie a zväčšenie sú dva rôzne, ale súvisiace pojmy. Keď numerická apertúra zvolenej šošovky objektívu nie je dostatočne veľká, to znamená, že rozlíšenie nie je dostatočne vysoké, mikroskop nedokáže rozlíšiť jemnú štruktúru objektu. V tomto čase, aj keď je zväčšenie nadmerne zvýšené, získaný obraz môže byť iba obrazom s veľkým obrysom, ale nejasnými detailmi. , nazývané neplatné zväčšenie.
Naopak, ak rozlíšenie spĺňa požiadavky, ale zväčšenie je nedostatočné, mikroskop má schopnosť rozlíšiť, ale obraz je stále príliš malý na to, aby ho ľudské oči jasne videli. Preto, aby sa naplno prejavila rozlišovacia schopnosť mikroskopu, numerická apertúra by mala byť primerane prispôsobená celkovému zväčšeniu mikroskopu. Systém bodového osvetlenia má veľký vplyv na zobrazovací výkon mikroskopu, ale je to prepojenie, ktoré používatelia ľahko prehliadnu.
Jeho funkciou je zabezpečiť dostatočné a rovnomerné osvetlenie povrchu objektu. Svetelný lúč vysielaný kondenzorom by mal zabezpečiť, že vyplní uhol otvoru šošovky objektívu, inak nebude možné plne využiť najvyššie rozlíšenie, ktoré môže šošovka objektívu dosiahnuť. Na tento účel je kondenzor vybavený clonou s premenlivou apertúrou podobnou clone vo fotografickom objektíve, ktorá dokáže nastaviť veľkosť clony a používa sa na nastavenie clony osvetľovacieho lúča tak, aby zodpovedala clonovému uhlu objektívu. šošovka.
Zmenou metódy osvetlenia možno získať rôzne metódy pozorovania, ako sú body tmavých objektov na svetlom pozadí (nazývané osvetlenie svetlého poľa) alebo body jasných objektov na tmavom pozadí (nazývané osvetlenie tmavého poľa), aby bolo možné lepšie objavovať a pozorovať mikroštruktúra. Elektrónový mikroskop je prístroj, ktorý využíva elektrónové lúče a elektrónové šošovky namiesto svetelných lúčov a optických šošoviek na zobrazenie jemných štruktúr látok pri veľmi vysokých zväčšeniach na princípe elektrónovej optiky.
Rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je reprezentovaná minimálnou vzdialenosťou medzi dvoma susednými bodmi, ktorú dokáže rozlíšiť. V 1970 rokoch bola rozlišovacia schopnosť transmisného elektrónového mikroskopu asi 0,3 nanometrov (rozlišovacia schopnosť ľudského oka bola asi 0,1 mm). Teraz maximálne zväčšenie elektrónového mikroskopu presahuje 3 milióny krát, zatiaľ čo maximálne zväčšenie optického mikroskopu je asi 2000 krát, takže atómy niektorých ťažkých kovov a úhľadne usporiadané atómové mriežky v kryštáli možno priamo pozorovať cez elektrónový mikroskop. .
V roku 1931 Knorr-Bremse a Ruska z Nemecka vybavili vysokonapäťový osciloskop so zdrojom elektrónov so studenou katódou a tromi elektrónovými šošovkami a získali obraz zväčšený viac ako desaťkrát, čo potvrdilo možnosť zväčšeného zobrazovania elektrónovým mikroskopom. V roku 1932, po Ruskovom vylepšení, dosahovala rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu 50 nanometrov, teda asi desaťnásobok rozlišovacej schopnosti optického mikroskopu v tom čase, takže elektrónový mikroskop sa začal dostávať do povedomia ľudí.
V 1940 rokoch použil Hill v Spojených štátoch astigmatizér na kompenzáciu rotačnej asymetrie elektrónovej šošovky, čo znamenalo nový prelom v rozlišovacej schopnosti elektrónového mikroskopu a postupne sa dostalo na modernú úroveň. V Číne bol v roku 1958 úspešne vyvinutý transmisný elektrónový mikroskop s rozlíšením 3 nanometre a v roku 1979 bol vyrobený s rozlíšením 0.
3nm veľký elektrónový mikroskop. Hoci rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je oveľa lepšia ako rozlišovacia schopnosť optického mikroskopu, je ťažké pozorovať živé organizmy, pretože elektrónový mikroskop musí pracovať vo vákuu a ožiarenie elektrónovým lúčom tiež spôsobí, že biologické vzorky byť poškodený žiarením. Ďalšie otázky, ako je zlepšenie jasu elektrónového dela a kvalita elektrónovej šošovky, je tiež potrebné ďalej študovať.
Rozlišovacia schopnosť je dôležitým ukazovateľom elektrónovej mikroskopie, ktorý súvisí s uhlom dopadajúceho kužeľa a vlnovou dĺžkou elektrónového lúča prechádzajúceho vzorkou. Vlnová dĺžka viditeľného svetla je asi {{0}} nanometrov, zatiaľ čo vlnová dĺžka elektrónových lúčov súvisí s urýchľujúcim napätím. Keď je urýchľovacie napätie 50-100 kV, vlnová dĺžka elektrónového lúča je približne 0.
0053 až 0,0037 nm. Keďže vlnová dĺžka elektrónového lúča je oveľa menšia ako vlnová dĺžka viditeľného svetla, aj keď je uhol kužeľa elektrónového lúča len 1 percento uhla optického mikroskopu, rozlišovacia schopnosť elektrónového mikroskopu je stále oveľa lepšia ako optického mikroskopu. Elektrónový mikroskop sa skladá z troch častí: tubus šošovky, vákuový systém a napájacia skrinka.
Tubus objektívu obsahuje hlavne elektrónové pištole, elektrónové šošovky, držiaky vzoriek, fluorescenčné obrazovky a kamerové mechanizmy. Tieto komponenty sú zvyčajne zostavené do stĺpca zhora nadol; vákuový systém sa skladá z mechanických vákuových čerpadiel, difúznych čerpadiel a vákuových ventilov. Plynové potrubie je spojené s tubusom šošovky; Napájacia skriňa sa skladá z vysokonapäťového generátora, stabilizátora budiaceho prúdu a rôznych nastavovacích riadiacich jednotiek.
Elektrónová šošovka je najdôležitejšou súčasťou tubusu šošovky elektrónového mikroskopu. Využíva priestorové elektrické pole alebo magnetické pole symetrické k osi tubusu šošovky na ohýbanie dráhy elektrónov k osi, aby sa vytvorilo ohnisko. Jeho funkcia je podobná funkcii sklenenej konvexnej šošovky na zaostrenie lúča, preto sa nazýva elektrón. šošovka. Väčšina moderných elektrónových mikroskopov používa elektromagnetické šošovky, ktoré zaostrujú elektróny prostredníctvom silného magnetického poľa generovaného veľmi stabilným jednosmerným budiacim prúdom prechádzajúcim cievkou s pólovými nástavcami.
Elektrónové delo je komponent pozostávajúci z horúcej katódy s volfrámovým vláknom, mriežky a katódy. Dokáže vyžarovať a vytvárať elektrónový lúč s rovnomernou rýchlosťou, preto sa vyžaduje, aby stabilita urýchľovacieho napätia nebola menšia ako jedna desaťtisícina. Elektrónové mikroskopy možno podľa štruktúry a použitia rozdeliť na transmisné elektrónové mikroskopy, rastrovacie elektrónové mikroskopy, reflexné elektrónové mikroskopy a emisné elektrónové mikroskopy.
Transmisné elektrónové mikroskopy sa často používajú na pozorovanie štruktúr jemných materiálov, ktoré nemožno rozlíšiť bežnými mikroskopmi; rastrovacie elektrónové mikroskopy sa používajú hlavne na pozorovanie morfológie pevných povrchov a môžu sa tiež kombinovať s röntgenovými difraktometrami alebo elektrónovými energetickými spektrometrami na vytvorenie elektronických mikrosond na analýzu zloženia materiálu; emisná elektrónová mikroskopia na štúdium povrchov samovyžarujúcich elektrónov.
Transmisný elektrónový mikroskop je pomenovaný podľa toho, že elektrónový lúč prenikne do vzorky a následne zväčší obraz pomocou elektrónovej šošovky. Jeho optická dráha je podobná dráhe optického mikroskopu. V tomto type elektrónového mikroskopu je kontrast v detaile obrazu vytvorený rozptylom elektrónového lúča atómami vzorky. Tenšia časť vzorky alebo časť vzorky s nižšou hustotou má menší rozptyl elektrónového lúča, takže cez clonu objektívu prechádza viac elektrónov a podieľa sa na zobrazovaní a na obrázku sa javia ako jasnejšie.
Naopak, hrubšie alebo hustejšie časti vzorky sa javia na obrázku tmavšie. Ak je vzorka príliš hrubá alebo príliš hustá, absorbovaním energie elektrónového lúča sa kontrast obrazu zhorší, alebo sa dokonca poškodí alebo zničí. Vrch tubusu šošovky transmisného elektrónového mikroskopu je elektrónové delo. Elektróny sú emitované horúcou katódou volfrámu a elektrónové lúče sú zaostrené prvým a druhým kondenzátorom.
Po prechode cez vzorku sa elektrónový lúč zobrazí na strednom zrkadle šošovkou objektívu a potom sa krok za krokom zväčší cez stredné zrkadlo a projekčné zrkadlo a potom sa zobrazí na fluorescenčnej obrazovke alebo fotokoherentnej doske. Zväčšenie medzizrkadla je možné plynule meniť od desaťnásobku až po stotisícnásobok, a to najmä úpravou budiaceho prúdu; zmenou ohniskovej vzdialenosti stredného zrkadla je možné získať elektrónové mikroskopické obrazy a elektrónové difrakčné obrazy na malých častiach tej istej vzorky.
Na štúdium hrubších vzoriek kovových plátkov vyvinulo francúzske laboratórium Dulos Electron Optics Laboratory ultravysokonapäťový elektrónový mikroskop s urýchľovacím napätím 3500 kV. Elektrónový lúč rastrovacieho elektrónového mikroskopu neprechádza cez vzorku, ale iba sníma a excituje sekundárne elektróny na povrchu vzorky. Scintilačný kryštál umiestnený vedľa vzorky prijíma tieto sekundárne elektróny, zosilňuje a moduluje intenzitu elektrónového lúča obrazovky, čím mení jas na obrazovke obrazovky.
Vychyľovacia cievka obrazovky udržiava synchrónne skenovanie s elektrónovým lúčom na povrchu vzorky, takže fluorescenčná obrazovka obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorky, ktorý je podobný princípu fungovania priemyselnej TV. . Rozlíšenie rastrovacieho elektrónového mikroskopu je určené hlavne priemerom elektrónového lúča na povrchu vzorky.
Zväčšenie je pomer amplitúdy skenovania na obrazovke k amplitúde skenovania na vzorke, ktorá sa môže plynule meniť od desaťnásobku po státisíckrát. Rastrovací elektrónový mikroskop nevyžaduje veľmi tenkú vzorku; obraz má silný trojrozmerný efekt; môže použiť informácie, ako sú sekundárne elektróny, absorbované elektróny a röntgenové lúče generované interakciou medzi elektrónovým lúčom a látkou, na analýzu zloženia látky.
Elektrónové delo a kondenzorová šošovka skenovacieho elektrónového mikroskopu sú približne rovnaké ako šošovky transmisného elektrónového mikroskopu, ale aby bol elektrónový lúč tenší, sú pod kondenzorovú šošovku pridané šošovky objektívu a astigmatizér a dve sady vo vnútri šošovky objektívu sú inštalované vzájomne kolmé skenovacie lúče. cievka. Vzorková komora pod šošovkou objektívu je vybavená vzorkovým stolíkom, ktorý sa môže pohybovať, otáčať a nakláňať.
