Podstawy mikroskopii elektronowej - Sekcja Mikroskopii Elektronowej

Idź do spisu treści

Menu główne:

Podstawy mikroskopii elektronowej

Podstawowe informacje


W badaniach struktury i właściwości materii stosowanych jest wiele różnorodnych metod i technik obrazowania. Głównym celem tych metod - niezależnie od zastosowanego rozwiązania technicznego i narzędzia (począwszy od najprostszego szkła powiększającego do  zaawansowanych mikroskopów elektronowych) jest uzyskanie powiększonego obrazu niewielkich obiektów.
Niezależnie od typu zastosowanego do obserwacji narzędzia jedym z jego ważnych parametrów jest tzw.
zdolność rozdzielcza - czyli najmniejsza odległość między dwoma punktami, które  na uzyskanym obrazie mogą być jeszcze traktowane jako odrębne.
Mikroskopia - jako jedna z ważnych metod badawczych wykorzystywana jest w wielu dziedzinach nauki, przemysłu i techniki. Etymologicznie nazwa "mikroskop" pochodzi z języka greckiego (μικρός - mikros – "mały" i σκοπέω - skopeo – "patrzę, obserwuję") i w istocie oznacza urządzenie do obserwacji małych przedmiotów. Obecnie na świecie wykorzystywanych jest wiele rodzajów mikroskopów w celu uzyskania informacji dotyczących kształtu, rozmiarów analizowanych próbek i obiektów, składu pierwiastkowego, struktury krystalograficznej, właściwości mechanicznych, elektrycznych bądź magnetycznych.

 

 

 

 
 
Typy mikroskopii


Na Schemacie 1 przedstawiono podział mikroskopii wg dwóch podstawowych kryteriów, tj. stosowanego rodzaju promieniowania i metody obrazowania.
Zaznaczyć należy, że największe znaczenie mają dwie
główne dziedziny mikroskopii - mikroskopia optyczna (świetlna) oraz mikroskopia elektronowa.

Schemat 1. Podstawowe typy mikroskopii - klasyfikacja pod względem metody obrazowania i rodzaju użytego promieniowania.
 

 

 

 

 
 
Mikroskopia optyczna

Mikroskop optyczny jest niezastąpionym narzędziem w laboratoriach  biologicznych i medycznych i z powodu swojej prostoty i stosunkowo niewielkiej ceny jest nadal najczęściej używany. Standardowy mikroskop optyczny zasadniczo pozostaje w wielu aspektach swojej budowy niezmienny od ponad wieku. Klasyczny mikroskop świetlny (Rys. 1. (a)) zbudowany jest z dwóch soczewek, obiektywu oraz okularu, których łączne powiększenia dają końcowe powiększenie obrazu.  Należy pamiętać także, że mikroskopia optyczna posiada wiele zalet, cech i funkcjonalności niedostępnych dla innych typów mikroskopii. Dodatkowo - ostatnie rozwiązania koncepcyjne i techniczne wykorzystywane w konfokalnej skaningowej mikroskopii optycznej znacznie rozszerzają możliwości metody.

Tab 1. Graniczna zdolność rozdzielcza wybranych narzędzi do obserwacji badanych obiektów

Narzędzie

Rozdzielczość

Ograniczenie

Oko ludzkie

~0.02 mm

Siatkówka

Klasyczny mikroskop optyczny

~200 nm

Dyfrakcja światła

Skaningowy mikroskop elektronowy

~3 nm

Dyfrakcja elektronów

Transmisyjny mikroskop elektronowy

~0.1 nm

Dyfrakcja elektronów

 
Zdolność rozdzielcza

Podstawową wadą mikroskopu świetlnego jest jego granica rozdzielczości warunkowana długością fali, która dla światłą widzialnego wynosi około 500-550 nm.  
Maksymalna teoretyczna zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego r może być w prosty sposób wyznaczona z zależności Abbe'go

gdzie
l jest długością fali promieniowania, h  to współczynnik załamania światła w danym ośrodku, natomiast a jest połową kąta aperturowego soczewki obiektywu (h sina - apertura numeryczna soczewki). W Tabeli 1 podano wartości zdolności rozdzielczych kilku narzędzi do obserwacji wraz z wyszczególnieniem powodu jej ograniczenia.


 

 
Rys. 1. Schemat (a) klasycznego mikroskopu optycznego; (b) transmisyjnego mikroskopu elektronowego; (c) skaningowego mikroskopu elektronowego.
 
 

 

 
 
Mikroskopia elektronowa

W 1880 roku udało się osiągnąć maksymalną teoretyczną rozdzielczość 200nm. Rozdzielczość taka została uzyskana dla wiązki świetlnej o następujących parametrach

  • długość fali światła widzialnego l = 550 nm

  • h sina = 1.6

Przyczyną ograniczonej zdolności rozdzielczej mikroskopu świetlnego jest dyfrakcja światła, która powoduje, że obrazy sąsiadujących ze sobą szczegółów badanego preparatu stają się nierozróżnialne, gdy odległość między nimi stawała się bliska długości fali świetlnej. Zastosowanie bardziej zaawansowanej optyki i innych rozwiązań technicznych nie poprawia tej granicznej wartości. Rozwiązaniem może być tylko użycie innego promieniowania o długości fali mniejszej niż długość światła widzialnego. Szereg odkryć na początki XX wieku umożliwił zastosowanie wiązki elektronowej jako promieniowania do specyficznego "oświetlania" próbki i dał początek nowej dziedziny nauki - mikroskopii elektronowej. Mikroskopia elektronowa powstała na gruncie mikroskopii optycznej i jest stosunkowo młodą dziedziną nauki z niespełna osiemdziesięcioletnią historią. Informacje uzyskiwane dzięki różnym typom mikroskopii elektronowej pozwalają na pełniejszą charakterystykę materii zarówno pod względem składu, właściwości oraz struktury. Mikroskopy elektronowe wykorzystywane są w wielu dziedzinach nauki - w badaniach krystalograficznych, w badaniach preparatów biologicznych, w medycynie i fizyce ciała stałego, a także  w wielu gałęziach przemysłu.

Idea budowy mikroskopu optycznego stała się podstawą mikroskopii elektronowej, w której wiązka świetlna zastąpiona została wiązką elektronową. W wyniku oddziaływania wiązki elektronowej z materiałem próbki generowane są różne sygnały (elektrony, fotony w zakresie od podczerwieni przez światło widzialne aż do promieniowania rentgenowskiego). Sygnały te mogą być użyte do obrazowania i uzyskiwania różnych typów charakterystyk próbek - takich jak morfologia powierzchni lub rozkład defektów krystalicznych.
W mikroskopie elektronowym do badania materii wykorzystywana jest wiązka elektronowa zapewniająca uzyskanie obrazu o parametrach (powiększenie, rozdzielczość) niedostępnych dla klasycznej mikroskopii świetlnej. Techniki mikroskopii elektronowej umożliwiają uzyskiwanie obrazów z rozdzielczością rzędu 0.1 - 0.05 nm - czyli ponad 4000 razy lepszą niż typowy mikroskop optyczny. Jest to jednocześnie zdolność rozdzielcza około 4000000 razy lepsza niż rozdzielczość, z jaką widzi nieuzbrojone oko ludzkie.
Generalnie można mówić o dwóch typach mikroskopii elektronowej - tj. o transmisyjnej mikroskopii elektronowej, w której rejestrowane są sygnały pochodzące od elektronów przechodzących przez badaną próbkę (patrz Rys. 1 (b)) i o skaningowej mikroskopii elektronowej, w której wiązka elektronowa skanuje linia po linii wybrany obszar próbki, przy czym rejestrowane są sygnały emitowane przez próbkę (patrz Rys. 1 (c)).
W Tab. 2 zestawiono podstawowe parametry klasycznego mikroskopu optycznego i mikroskopów elektronowych - transmisyjnego i skaningowego.
Niezależnie od typu każdy mikroskop elektronowy składa się z trzech głównych części
(1) źródła elektronowego zwanego działem elektronowym bądź emiterem (więcej informacji - kliknij tutaj);
(2) układu soczewek elektromagnetycznych i apertur sterujących fokusowaniem i kontrolą kształtu i wielkości wiązki elektronowej (więcej informacji - kliknij tutaj);
(3) układu detektorów do zbierania sygnałów pochodzących z próbki i urządzeń do wizualizacji.
Źródło elektronowe emituje elektrony, które są przyspieszane. Wiązka monoenergetycznych elektronów pierwotnych jest kształtowana przez soczewki kondensora i soczewki obiektywu. Odpowiedni układ soczewek umożliwia zmianę prądu wiązki elektronowej, która bombarduje badaną próbkę, a także kontrolę zbieżności wiązki (od równoległej szerokiej wiązki stosowanej w transmisyjnej mikroskopii elektronowej (schemat transmisyjnego mikroskopu elektronowego Rys. 1. (b)) do bardzo skupionej zbieżnej wiązki w skaningowej mikroskopii elektronowej (schemat skaningowego mikroskopu elektronowego Rys. 1. (c)).  

 
Tab 2. Porównanie klasycznego mikroskopu optycznego i mikroskopów elektronowych - transmisyjnego i skaningowego

Cecha/właściwość

Klasyczny mikroskop optyczny

Transmisyjny mikroskop elektronowy

Skaningowy mikroskop elektronowy

Promieniowanie

Światło

Elektrony

Elektrony

Zdolność rozdzielcza

~200 nm

~0.1 nm

~3 nm

Powiększenie

2-2000

200-2Mx

20-0.1Mx

Soczewki

Optyczne

Elektrmagnetyczne

Elektromagnetyczne

Obserwacja/próbka

Powierzchnia próbki oraz materiały przezroczyste

Materiały przezroczyste dla elektronów

Powierzchnia próbki

Środowisko pracy

Wysoka próżnia

Trzy tryby pracy (HiVac, LoVac, ESEM)

Uszkodzenie radiacyjne próbki

Nie

Poważne

Rzadko poważne

Przygotowanie próbki

Łatwe

Bardzo trudne

Względnie łatwe

Analiza chemiczna

Nie

Tak (EDS, EELS)

Tak (EDS)

 

Aktualizacja 2014-01-20

Poprawny CSS!

Wróć do spisu treści | Wróć do menu głównego