میکروسکوپ الکترونی (0-100)
فهرست مطالب
میکروسکوپ الکترونی از الکترون برای بزرگنمایی ذرات ریز استفاده می کند. به دلیل طول موج کوتاه الکترون ها در میکروسکوپ الکترونی، وضوح بالاتری دارد.
ساختار کلی یک میکروسکوپ الکترونی چگونه است؟
میکروسکوپ الکترونی چیست؟
میکروسکوپ الکترونی یک ابزار علمی است که از پرتوی الکترون متمرکز برای بزرگنمایی اجسام بسیار کوچک استفاده می کند.
میکروسکوپ الکترونی به دلیل طول موج کوتاه تر الکترون ها در مقایسه با امواج نور، می تواند به وضوح و بزرگنمایی بسیار بالاتری دست یابد.
رزولوشن بالا این امکان را برای محققین فراهم می کند تا جزئیات بسیار ردقیقی از نمونه ها مانند سلول ها، بافت ها، ویروس ها، باکتری ها یا حتی اتم ها و مولکول های منفرد را بررسی و مطالعه کنند.
از این رو، میکروسکوپ الکترونی به طور گسترده در زمینه های مختلف علمی از جمله زیست شناسی، شیمی، علم مواد و فناوری نانو استفاده می شود.
در این مقاله سعی بر آن داریم که طرز کار کلی یک میکروسکوپ الکترونی و بخش های مختلف آن را شرح دهیم. با ما همراه باشید.
اجزای اصلی یک میکروسکوپ الکترونی
میکروسکوپ الکترونی درون یک محفظه ستونی بلندی از خلأ قرار دارد که اجزای آن به صورت عمودی نصب می شوند و دارای اجزای زیر است:
تفنگ الکترونی
با قرار دادن یک فیلامان تنگستن در معرض ولتاژ بالا یا گرم کردن آن، پرتوی از الکترون تولید می شود که الکترون های ساطع شده شتاب گرفته و متمرکز می شوند که متعاقباً به سمت نمونه هدایت می شوند.
سیستم خلأ
معمولاً میکروسکوپ های مدرن در یک محفظه کاملاً خلأ قرار می گیرند تا از پراکندگی الکترون ها توسط مولکول های هوا جلوگیری شود.
عدسی های مغناطیسی
عدسی های مغناطیسی از سیم پیچ های مغناطیسی تشکیل شده اند که پرتو الکترونی را شکل داده و کنترل می کنند و به طور کلی، سه مجموعه اصلی از آنها در میکروسکوپ الکترونی وجود دارد:
- عدسی های خازنی یا کندانسور، که یکی پرتو را بر روی نمونه متمرکز می کند و دومی، الکترون ها را به شکل یک پرتو نازک شکل می دهد.
- پرتو الکترونی که از نمونه خارج می شود از دومین سیم پیچ مغناطیسی به نام عدسی شیئی عبور می کند که قدرت بالایی دارد و تصویر بزرگنمایی شده متوسطی را تشکیل می دهد.
- مجموعه سوم لنزهای مغناطیسی با نام لنزهای پروژکتوری (چشمی) هستند که تصویر بزرگنمایی نهایی را تولید می کنند.
نگهدارنده نمونه
استیج یا نگهدارنده، نمونه مورد آنالیز را نگه می دارد و معمولاً در محورهای متعدد قابل تنظیم است تا امکان قرارگیری دقیق نمونه را فراهم کند.
سیستم کنترل
این بخش اپراتور را قادر می سازد تا تنظیمات مختلف میکروسکوپ مانند فوکوس، بزرگنمایی و کنتراست را تنظیم کند.
منبع تغذیه
یک میکروسکوپ الکترونی برای کار با اجزای مختلف خود به منبع تغذیه پایدار و کنترل شده ای نیاز دارد. این منبع تغذیه عملکرد دقیق تفنگ الکترونی، عدسی ها و سایر سیستم های الکتریکی درون میکروسکوپ را تضمین می کند.
در انواع میکروسکوپ الکترونی دیجیتال، معمولاً دو بخش دیگر نیز وجود دارند که در تشکیل تصویر دیجیتال نقش مهمی دارند.
آشکارساز پرتوهای الکترونی پراکنده شده
انواع مختلفی از آشکارسازها برای به دام انداختن الکترون هایی که با نمونه برهمکنش داشته اند، استفاده می شود که انواع مختلفی دارند:
- آشکارسازهای الکترون ثانویه: برای ایجاد تصاویر سطحی با وضوح بالا
- آشکارسازهای الکترون پراکنده: برای تجزیه و تحلیل ترکیب و عدد اتمی نمونه استفاده می‌شوند
- آشکارسازهای الکترون عبوری: مورد استفاده در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری
سیستم نمایش
میکروسکوپ الکترونی مجهز به یک سیستم نمایش شامل یک نمایشگر است که در آن تصاویر بزرگنمایی شده نمایش داده می شوند و به اپراتور اجازه می دهد تا جزئیات دقیق نمونه را در زمان واقعی مشاهده و آنالیز نماید.
مکانیزم عملکردی یک میکروسکوپ الکترونی
میکروسکوپ الکترونی دستگاهی است که از پرتوی الکترون شتابدار به عنوان منبع روشنایی استفاده می کند و از آنجایی که طول موج یک الکترون می تواند تا 100000 برابر کمتر از نور مرئی باشد، وضوح بالاتری در حدود 0.1 نانومتر دارند (در مقایسه با حدود 200 نانومتر برای میکروسکوپ نوری).
ارنست روسکا (1906-1988)، مهندس و استاد دانشگاهی آلمانی، اولین میکروسکوپ الکترونی را در سال 1931 ساخت و هنوز هم همان اصول بر انواع میکروسکوپ الکترونی مدرن حاکم است.
در میکروسکوپ الکترونی، برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد ساختار، مورفولوژی و ترکیب مواد، از سیگنال های ناشی از برهمکنش یک پرتو الکترونی با نمونه استفاده می شود.
اصل کار یک میکروسکوپ الکترونی مبتنی بر برهمکنش الکترون ها با نمونه برای تولید تصاویر با وضوح بالا است که مراحل کلی آن به ترتیب زیر است:
منبع الکترونی
همانطور که پیش از این نیز ذکر شد، میکروسکوپ های الکترونی از یک پرتو الکترونی به عنوان منبع روشنایی استفاده می کنند. الکترون ها معمولاً با گرم کردن یک رشته تنگستن یا با استفاده از تفنگ الکترونی گسیل میدانی تولید می شوند.
عدسی های الکترونی
سپس، پرتو الکترونی از یک سری عدسی مغناطیسی عبور می کند که پرتو را متمرکز کرده و شکل می دهند. برای حرکت دادن الکترون ها به پایین ستون، یک ولتاژ شتاب دهنده (اغلب بین 100-1000 kV) بین یک رشته تنگستن و آند اعمال می شود.
آماده سازی نمونه
نمونه باید به طور مناسب برای تصویربرداری توسط میکروسکوپ الکترونی آماده شود و شامل پوشاندن نمونه با یک لایه نازک از مواد رسانا، مانند طلا یا کربن، برای جلوگیری از اثرات بار و افزایش کنتراست تصویر است.
معمولاً نمونه هایی که مورد بررسی قرار می گیرند، بسیار نازک و باریک هستند (حداقل 200 برابر نازک تر از نمونه های میکروسکوپ نوری) و در قطعات بسیار نازک 20-100 نانومتری بریده می شوند و بر روی نگهدارنده قرار می گیرند.
برهمکنش پرتو الکترونی با نمونه
در مرحله بعد، پرتو الکترونی متمرکز با اتم های نمونه برهمکنش می کند. پرتو الکترونی از نمونه عبور کرده و الکترون ها بسته به ضخامت یا ضریب شکست قسمت های مختلف نمونه پراکنده می شوند.
در برخورد پرتوهای الکترونی با نمونه، به طور کلی سه برهمکنش اصلی وجود دارد:
- پراکندگی الاستیک (انعکاس خاص الکترون ها)
- پراکندگی غیرالاستیک (برانگیختن الکترون های نمونه)
- گسیل الکترون ثانویه (الکترون های ساطع شده از سطح نمونه
نواحی چگال تر نمونه، الکترون های بیشتری را پراکنده می کنند و بنابراین در تصویر تیره تر به نظر می رسند، زیرا الکترون های کمتری به آن ناحیه از صفحه برخورد کرده اند. در مقابل، نواحی شفاف روشن تر دیده می شوند.
متمرکز شدن پرتوهای پراکنده
پرتو الکترونی که از نمونه خارج می شود، به عدسی شیئی می رسد که قدرت بالایی دارد و تصویری بزرگنمایی متوسط را تشکیل می دهد و در نهایت، لنزهای چشمی تصویر بزرگنمایی شده را ایجاد می کنند.
انواع تکنیک های مختلف میکروسکوپ الکترونی
به طور کلی شش نوع میکروسکوپ الکترونی با سبک های عملکردی متفاوت وجود دارد: که در ادامه به آنها می پردازیم.
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
این مدل، رایج ترین نوع میکروسکوپ الکترونی است که برای مشاهده نمونه های نازکی استفاده می شود که الکترون ها می توانند از آنها عبور کرده و یک تصویر تولید کنند و از بسیاری جهات مشابه میکروسکوپ نوری است.
TEM ها در مقایسه با میکروسکوپ های نوری قادر به دستیابی به بزرگنمایی و وضوح بسیار بالاتری هستند. آنها می توانند اطلاعات دقیقی در مورد ساختار داخلی مواد از جمله ساختارهای کریستالی، عیوب و آرایش اتمی ارائه دهند.
این نوع، معمولاً برای تصویربرداری از داخل سلول ها (در مقاطع نازک)، ساختار مولکول های پروتئین، سازماندهی مولکول ها در ویروس ها و رشته های اسکلت سلولی (تهیه شده با تکنیک رنگ آمیزی منفی) و آرایش مولکول های پروتئین در غشای سلولی استفاده می شود.
TEM ها نیاز به استفاده از نمونه های نازک، معمولاً با ضخامت کمتر از 100 نانومتر دارند، زیرا الکترون ها باید از نمونه عبور کنند. بنابراین، فرآیند آماده سازی نمونه برای تصویربرداری می تواند پیچیده و زمان بر باشد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
انواع SEM از یک پرتو متمرکز از الکترون های پرانرژی برای اسکن سطح یک نمونه استفاده می کنند و با شناسایی و آنالیز الکترون های ساطع شده از سطح، تصویری سه بعدی ایجاد می نمایند.
انواع میکروسکوپ الکترونی SEM اغلب برای تجزیه و تحلیل مورفولوژی سطح به کار می روند و تصویربرداری با وضوح بالایی را ارائه می دهند. همچنین می توان از آن برای شمارش ذرات و تعیین اندازه و کنترل فرآیند نیز استفاده کرد.
SEM براساس ساطع کردن یک پرتو ظریف الکترون از یک تفنگ یا منبع الکترونی کار می کند و با استفاده از یک سری الکترود شتاب می گیرد.
سپس پرتو با استفاده از لنزهای مغناطیسی بر روی نمونه متمرکز شده و الکترون ها با اتم های نمونه برهمکنش کرده و باعث می شوند سیگنال های مختلفی منتشر شود.
این نوع میکروسکوپ، به گسیل الکترون های ثانویه از سطح یک نمونه بستگی دارد و تصاویر دقیقی از سطوح سلول ها و موجودات کامل که توسط نوع TEM امکان پذیر نیست، ارائه می دهد.
الکترون های ثانویه، الکترون های کم انرژی هستند که به دلیل برهمکنش با پرتو الکترونی اولیه از سطح نمونه خارج می شوند.
SEM الکترون های پس پراکنده (Backscattered) را نیز شناسایی می کند که الکترون های پرانرژی هستند که به دلیل برهمکنش با هسته های اتمی به سمت عقب منعکس می شوند.
شدت الکترون های پس پراکنده اطلاعاتی در مورد ترکیب اتمی نمونه می دهد و امکان شناسایی عناصر مختلف را فراهم می کند.
علاوه بر الکترون‌های ثانویه و پس پراکنده، SEM می تواند سیگنال های دیگری مانند اشعه ایکس و لومینسانس را نیز تشخیص دهد. این سیگنال ها می توانند اطلاعات بیشتری در مورد ترکیب نمونه، ساختار کریستالی و سایر خواص ارائه دهند.
میکروسکوپ الکترونی عبوری-روبشی (STEM)
انواع STEM، ویژگی های میکروسکوپ های TEM و SEM را با هم ترکیب می کنند و بنابراین، امکان تصویربرداری با وضوح بالا و آنالیز عنصری را با اسکن یک پرتو الکترونی متمرکز در سراسر یک نمونه نازک فراهم می کنند.
در حقیقت، یک میکروسکوپ STEM اطلاعاتی در مورد ساختار داخلی و ترکیب شیمیایی یک نمونه ارائه می دهد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (ESEM)
میکروسکوپ ESEM گونه ای از SEM است که می تواند تحت شرایط محیطی کنترل شده، مانند رطوبت بالا، فشار کم و حتی در یک محیط گازی عمل کند و امکان تصویربرداری از نمونه های هیدراته را بدون نیاز به آبگیری یا پوشش با مواد رسانا فراهم می کند.
ESEM ها از ترکیبی از خلأ بالا و یک محیط گازی استفاده می کنند تا امکان تصویربرداری از نمونه های بیولوژیکی، آلی و غیر رسانا را فراهم کنند.
آنها دارای محفظه ای هستند که می تواند نمونه های بزرگتر از SEM های سنتی را در خود جای دهد و مجهز به یک آشکارساز الکترون تخصصی است که می تواند حضور مولکول های گاز را کنترل کند.
این ویژگی به دستگاه این امکان را می دهد تا تصاویری با وضوح بالا از نمونه های داخل یک محفظه با شرایط محیطی کنترل شده ارائه دهد.
میکروسکوپ الکترونی بازتابی (REM)
میکروسکوپ های REM شبیه به انواع SEM هستند، با این تفاوت که در حالت بازتابی عمل می کنند، جایی که پرتو الکترون ها در یک زاویه خاص به سمت نمونه هدایت می شوند.
این تکنیک در درجه اول برای تصویربرداری از توپوگرافی و ساختار سطحی مواد با وضوح بسیار بالا استفاده می شود.
در یک REM، پرتوی از الکترون ها بر روی سطح نمونه متمرکز می شود و با اتم های آن برهمکنش می کنند و سپس، به عقب بازتاب می شوند. الکترون‌های بازتاب‌شده توسط آشکارساز جمع‌آوری می شوند و تصویری بر اساس شدت الکترون های منعکس شده ایجاد می شود.
وضوح یک REM معمولاً بین 0.1 تا 1 نانومتر است که امکان تجسم اتم های منفرد موجود در یک سطح را فراهم می کند.
این وضوح بالا، REM را به ابزاری ارزشمند برای مطالعه نانوساختار و خواص سطحی طیف گسترده ای از مواد، از جمله فلزات، نیمه هادی ها، سرامیک ها و نمونه های بیولوژیکی تبدیل می کند. همچنین می تواند برای تعیین جهت کریستالوگرافی یک سطح و تجزیه و تحلیل ترکیب یک ماده استفاده شود.
یکی از مزیت های REM در مقایسه با سایر تکنیک های تصویربرداری، توانایی آن در تصویربرداری از مواد غیر رسانا بدون نیاز به پوشش رسانا است و این امر باعث می شود REM به ویژه برای مطالعه مواد عایق مانند پلیمرها یا نمونه های بیولوژیکی مفید باشد.
با این حال، REM محدودیت هایی نیز دارد. به عنوان مثال، فقط می تواند اطلاعاتی در مورد سطح یک نمونه ارائه دهد و نمی تواند ساختار داخلی را تجسم کند.
علاوه بر این، تهیه یک نمونه برای تصویربرداری REM به دلیل نیاز به شرایط خلأ فوق العاده بالا می تواند چالش برانگیز و وقت گیر باشد.
میکروسکوپ الکترونی Cryo
میکروسکوپ های Cryo یک نوع تخصصی از میکروسکوپ الکترونی است که امکان تصویربرداری از نمونه ها در دماهای برودتی را فراهم می کند و برای مطالعه بیومولکول ها و ساختارهای سلولی در حالت طبیعی آنها استفاده می شود.
بر خلاف میکروسکوپ های الکترونی معمولی که نیاز به تثبیت، رنگ آمیزی و خشک کردن نمونه ها دارند، مدل Cryo اجازه می دهد نمونه ها در حالت طبیعی و هیدراته آنالیز شوند.
این امر با انجماد سریع نمونه با استفاده از اتان مایع یا نیتروژن و با حفظ ساختار و به حداقل رساندن آسیب های وارده به نمونه حاصل می شود.
پرتوی از الکترون ها از نمونه یخ زده عبور داده می شود و تصاویر حاصل بر روی یک آشکارساز ثبت می گردد. سپس تصاویر ترکیب و پردازش می شوند تا مدل سه بعدی مولکول مورد مطالعه بازسازی شود.
این تکنیک انقلابی در حوزه زیست شناسی ساختاری ایجاد کرده است، زیرا می تواند بینش دقیقی در مورد ساختار و عملکرد پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک و سایر ماکرومولکول ها ارائه دهد.
این تکنیک مزایای متعددی نسبت به سایر تکنیک های زیست شناسی ساختاری دارد و می توان از آن برای مطالعه ماکرومولکول های بزرگ و پیچیده ای که به سختی متبلور می شوند، استفاده کرد.
سخن پایانی
در این مقاله اجزای مختلف یک میکروسکوپ الکترونی را به صورت کلی شرح دادیم و به انواع آنها پرداختیم. امیدواریم که مفید بوده باشد.
توجه به این نکته مهم است که میکروسکوپ های الکترونی می توانند از نظر پیچیدگی متفاوت باشند و بسته به نوع خاص و کاربرد میکروسکوپ، ممکن است اجزای اضافی دیگری نیز وجود داشته باشند.
و در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات و مقالات دیگر بلورآزما دیدن نمایید. در صورت نیاز، کاتالوگ محصولات نیز به صورت رایگان در دسترس عموم قرار دارد.
