میکروسکوپ الکترونی چیست؟ ساختار، طرز کار و انواع آن

میکروسکوپ الکترونی (Electron Microscope) ابزاری علمی است که به جای نور، از یک پرتو الکترونی متمرکز برای بزرگنمایی اجسام بسیار کوچک استفاده می کند.

چون طول موج الکترون ها بسیار کوتاه تر از طول موج نور مرئی است، میکروسکوپ الکترونی به وضوح و بزرگنمایی بسیار بالاتری از میکروسکوپ نوری می رسد. این وضوح بالا به پژوهشگران اجازه می دهد جزئیات بسیار ریز نمونه هایی مانند سلول ها، بافت ها، ویروس ها، باکتری ها و حتی آرایش اتم ها را مشاهده کنند.

به همین دلیل میکروسکوپ الکترونی در زیست شناسی، شیمی، علم مواد، فناوری نانو و صنعت نیمه رسانا کاربرد گسترده ای دارد. در این مقاله با ساختار، اصول کار و انواع میکروسکوپ الکترونی آشنا می شوید.

تاریخچه میکروسکوپ الکترونی

نخستین میکروسکوپ الکترونی در سال ۱۹۳۱ توسط ارنست روسکا، مهندس آلمانی، و ماکس نول ساخته شد. اصول کار میکروسکوپ های الکترونی امروزی همچنان بر پایه همان طراحی است. روسکا به خاطر این اختراع در سال ۱۹۸۶ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

تفاوت میکروسکوپ الکترونی و میکروسکوپ نوری

• منبع تصویربرداری: میکروسکوپ نوری از نور مرئی و میکروسکوپ الکترونی از پرتو الکترون استفاده می کند.

• عدسی ها: میکروسکوپ نوری عدسی های شیشه ای دارد، اما میکروسکوپ الکترونی از عدسی های مغناطیسی استفاده می کند.

• وضوح: وضوح میکروسکوپ نوری حدود ۲۰۰ نانومتر است، در حالی که میکروسکوپ الکترونی به وضوحی در حد ۰.۱ نانومتر و حتی کمتر می رسد. طول موج الکترون های شتاب دار می تواند حدود ۱۰۰ هزار برابر کوتاه تر از نور مرئی باشد.

• محیط: میکروسکوپ الکترونی در خلأ کار می کند، اما میکروسکوپ نوری در هوا.

• نمونه: در میکروسکوپ نوری می توان نمونه های زنده را دید، اما در بیشتر میکروسکوپ های الکترونی نمونه باید آماده سازی ویژه ای شود.

اجزای اصلی میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ الکترونی از یک ستون بلند تشکیل شده که اجزای آن به صورت عمودی و درون محفظه خلأ قرار گرفته اند.

تفنگ الکترونی

تفنگ الکترونی پرتو الکترون را تولید می کند. دو روش اصلی برای تولید الکترون وجود دارد:

• گسیل گرمایونی: یک رشته تنگستن یا بلور هگزابورید لانتانیوم (LaB6) گرم می شود تا الکترون گسیل کند.

• گسیل میدانی: یک میدان الکتریکی بسیار قوی، الکترون ها را از نوک بسیار تیز یک سیم خارج می کند. این روش پرتو روشن تر و باریک تری تولید می کند و وضوح بالاتری دارد.

الکترون های گسیل شده با یک ولتاژ شتاب دهنده بالا شتاب می گیرند و به سمت پایین ستون هدایت می شوند.

سیستم خلأ

ستون و محفظه نمونه در خلأ قرار دارند، چون مولکول های هوا الکترون ها را پراکنده می کنند و مانع تشکیل تصویر می شوند. خلأ همچنین از آسیب دیدن تفنگ الکترونی جلوگیری می کند.

عدسی های مغناطیسی

عدسی های مغناطیسی سیم پیچ هایی هستند که با ایجاد میدان مغناطیسی، پرتو الکترونی را متمرکز و کنترل می کنند. سه گروه اصلی از این عدسی ها وجود دارد:

• عدسی های چگالنده (کندانسور): پرتو الکترونی را به شکل یک باریکه نازک درآورده و روی نمونه متمرکز می کنند.

• عدسی شیئی: قوی ترین عدسی میکروسکوپ است که پس از نمونه قرار دارد و تصویر اولیه بزرگنمایی شده را تشکیل می دهد.

• عدسی های تصویری (پروژکتور): تصویر را بیشتر بزرگ کرده و تصویر نهایی را روی آشکارساز می سازند.

نگهدارنده نمونه

نگهدارنده یا استیج، نمونه را نگه می دارد و معمولا در چند محور قابل حرکت و چرخش است تا نمونه با دقت بالا در موقعیت مناسب قرار گیرد.

آشکارسازها

در میکروسکوپ های الکترونی امروزی، آشکارسازهای مختلفی برای ثبت سیگنال های حاصل از برهمکنش الکترون با نمونه استفاده می شوند:

• آشکارساز الکترون ثانویه (SE): برای تصویربرداری با وضوح بالا از توپوگرافی سطح

• آشکارساز الکترون برگشتی (BSE): برای ایجاد کنتراست بر اساس عدد اتمی و تشخیص نواحی با ترکیب متفاوت

• آشکارساز الکترون عبوری: در میکروسکوپ های الکترونی عبوری

• آشکارساز پرتو ایکس (EDS): برای تعیین عناصر موجود در نمونه

سیستم کنترل، منبع تغذیه و نمایشگر

سیستم کنترل به اپراتور اجازه می دهد فوکوس، بزرگنمایی و کنتراست را تنظیم کند. منبع تغذیه بسیار پایدار، عملکرد دقیق تفنگ الکترونی و عدسی ها را تضمین می کند. تصویر نهایی نیز روی نمایشگر و در زمان واقعی نمایش داده می شود.

میکروسکوپ الکترونی چگونه کار می کند؟

۱. تولید و شتاب دادن الکترون ها

الکترون ها در تفنگ الکترونی تولید و با ولتاژ بالا شتاب داده می شوند. ولتاژ شتاب دهنده در میکروسکوپ های الکترونی عبوری معمولا بین ۸۰ تا ۳۰۰ کیلوولت و در میکروسکوپ های الکترونی روبشی معمولا بین ۱ تا ۳۰ کیلوولت است.

۲. متمرکز کردن پرتو

پرتو الکترونی از عدسی های چگالنده عبور کرده و به یک باریکه متمرکز تبدیل می شود.

۳. آماده سازی نمونه

نمونه ها باید به شکل مناسب آماده شوند:

• برای میکروسکوپ الکترونی عبوری: نمونه باید بسیار نازک باشد تا الکترون ها از آن عبور کنند؛ معمولا به ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر بریده می شود.

• برای میکروسکوپ الکترونی روبشی: نمونه های نارسانا با یک لایه بسیار نازک از ماده رسانا مانند طلا یا کربن پوشانده می شوند تا بار الکتریکی روی سطح آنها جمع نشود.

۴. برهمکنش پرتو الکترونی با نمونه

وقتی پرتو الکترونی به نمونه برخورد می کند، برهمکنش های مختلفی رخ می دهد:

• پراکندگی کشسان: الکترون ها بدون از دست دادن انرژی، تغییر جهت می دهند.

• پراکندگی غیرکشسان: الکترون ها بخشی از انرژی خود را به نمونه منتقل می کنند.

• گسیل الکترون ثانویه: الکترون های کم انرژی از سطح نمونه خارج می شوند.

• تولید پرتو ایکس و الکترون اوژه: که اطلاعاتی درباره عناصر نمونه ارائه می دهند و اساس روش هایی مانند طیف سنجی الکترونی هستند.

در میکروسکوپ الکترونی عبوری، نواحی ضخیم تر یا دارای اتم های سنگین تر، الکترون های بیشتری را پراکنده می کنند و در تصویر تیره تر دیده می شوند، چون الکترون های کمتری از آنها به آشکارساز می رسد. نواحی نازک تر یا سبک تر روشن تر به نظر می رسند.

۵. تشکیل تصویر

الکترون هایی که از نمونه عبور کرده یا از آن گسیل شده اند، توسط عدسی ها و آشکارسازها جمع آوری می شوند و تصویر بزرگنمایی شده نهایی روی نمایشگر تشکیل می شود.

انواع میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)

در میکروسکوپ الکترونی عبوری، پرتو الکترونی از یک نمونه بسیار نازک عبور می کند و تصویر از الکترون های عبوری تشکیل می شود. اصول کار آن از بسیاری جهات شبیه میکروسکوپ نوری عبوری است.

TEM می تواند اطلاعات بسیار دقیقی درباره ساختار داخلی مواد، از جمله ساختار بلوری، عیوب و حتی آرایش اتم ها ارائه دهد. در زیست شناسی نیز برای مشاهده ساختار درونی سلول ها در مقاطع نازک، ساختار پروتئین ها، ویروس ها و اسکلت سلولی (با روش رنگ آمیزی منفی) استفاده می شود. TEM را می توان با روش هایی مانند طیف سنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) برای آنالیز شیمیایی ترکیب کرد.

محدودیت اصلی TEM این است که نمونه ها باید بسیار نازک باشند و آماده سازی آنها پیچیده و زمان بر است.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

در میکروسکوپ الکترونی روبشی، یک پرتو الکترونی بسیار باریک، سطح نمونه را نقطه به نقطه اسکن می کند و با ثبت سیگنال های گسیل شده از هر نقطه، تصویر ساخته می شود. SEM پرکاربردترین نوع میکروسکوپ الکترونی است.

تصاویر SEM به دلیل عمق میدان زیاد، ظاهری سه بعدی دارند و برای بررسی ریخت شناسی سطح، اندازه گیری ذرات، بررسی شکست و عیوب سطحی و کنترل کیفیت بسیار مناسب اند.

SEM چند سیگنال مختلف را ثبت می کند:

• الکترون های ثانویه: الکترون های کم انرژی که از نزدیک سطح نمونه خارج می شوند و تصاویری با جزئیات بالا از توپوگرافی سطح ارائه می دهند.

• الکترون های برگشتی: الکترون های پرانرژی پرتو اولیه که پس از برهمکنش با هسته اتم ها به عقب برمی گردند. شدت آنها به عدد اتمی بستگی دارد و نواحی با ترکیب شیمیایی متفاوت را از هم متمایز می کند.

• پرتو ایکس مشخصه: با آشکارساز EDS ثبت می شود و امکان شناسایی و تعیین مقدار عناصر نمونه را فراهم می کند.

• کاتدولومینسانس: نور گسیل شده از برخی نمونه ها که اطلاعاتی درباره ساختار و خواص نوری آنها ارائه می دهد.

میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM)

STEM ویژگی های TEM و SEM را ترکیب می کند. در این روش، یک پرتو الکترونی بسیار متمرکز روی یک نمونه نازک اسکن می شود و الکترون های عبوری ثبت می شوند. STEM امکان تصویربرداری با وضوح بسیار بالا، حتی در حد اتمی، و همزمان آنالیز عنصری نقطه به نقطه را فراهم می کند و اطلاعاتی درباره ساختار داخلی و ترکیب شیمیایی نمونه ارائه می دهد.

میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (ESEM)

ESEM نوعی SEM است که در آن محفظه نمونه می تواند به جای خلأ کامل، مقداری گاز یا بخار آب با فشار کم داشته باشد، در حالی که ستون الکترونی همچنان در خلأ بالا قرار دارد. این ویژگی امکان تصویربرداری از نمونه های مرطوب، زیستی و نارسانا را بدون نیاز به خشک کردن یا پوشش رسانا فراهم می کند.

ESEM مجهز به یک آشکارساز گازی ویژه است که در حضور مولکول های گاز کار می کند. محفظه این میکروسکوپ ها معمولا می تواند نمونه هایی بزرگ تر از SEM معمولی را در خود جای دهد.

میکروسکوپ الکترونی بازتابی (REM)

در میکروسکوپ الکترونی بازتابی، پرتو الکترونی با زاویه بسیار کم (تقریبا مماس) به سطح نمونه تابانده می شود و الکترون های بازتابیده از سطح برای تشکیل تصویر استفاده می شوند. این روش در درجه اول برای مطالعه ساختار سطحی بلورها، مانند پله های اتمی و عیوب سطح، به کار می رود.

REM فقط اطلاعات سطح نمونه را ارائه می دهد و ساختار داخلی را نشان نمی دهد. همچنین معمولا به خلأ فوق العاده بالا و نمونه های بلوری با سطح بسیار تمیز نیاز دارد که آماده سازی آنها دشوار و زمان بر است.

میکروسکوپ الکترونی کرایو (Cryo-EM)

میکروسکوپ الکترونی کرایو امکان تصویربرداری از نمونه ها در دماهای بسیار پایین را فراهم می کند و برای مطالعه مولکول های زیستی و ساختارهای سلولی در حالت طبیعی آنها استفاده می شود.

برخلاف روش های معمولی که نیاز به تثبیت، رنگ آمیزی و خشک کردن نمونه دارند، در این روش نمونه با انجماد بسیار سریع در اتان مایع (که با نیتروژن مایع سرد شده) منجمد می شود. در این حالت آب به جای تشکیل بلورهای یخ، به یک لایه شیشه ای تبدیل می شود و ساختار طبیعی مولکول ها حفظ می شود.

سپس از هزاران تصویر مولکول ها در جهت های مختلف، با پردازش رایانه ای یک مدل سه بعدی از ساختار مولکول بازسازی می شود. این روش انقلابی در زیست شناسی ساختاری ایجاد کرده و امکان تعیین ساختار پروتئین ها و ماکرومولکول های بزرگ و پیچیده ای را فراهم کرده که به سختی متبلور می شوند. جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۷ به توسعه دهندگان این روش اهدا شد.

مقایسه SEM و TEM

سوالات متداول درباره میکروسکوپ الکترونی

چرا میکروسکوپ الکترونی وضوح بیشتری از میکروسکوپ نوری دارد؟

چون طول موج الکترون های شتاب دار بسیار کوتاه تر از طول موج نور مرئی است و وضوح میکروسکوپ به طول موج بستگی دارد.

تفاوت SEM و TEM چیست؟

SEM سطح نمونه را اسکن می کند و تصویر سه بعدی نما از سطح ارائه می دهد، اما در TEM الکترون ها از نمونه نازک عبور می کنند و ساختار داخلی آن دیده می شود.

چرا میکروسکوپ الکترونی در خلأ کار می کند؟

چون مولکول های هوا الکترون ها را پراکنده می کنند و مانع تشکیل تصویر می شوند.

آیا با میکروسکوپ الکترونی می توان نمونه زنده دید؟

در بیشتر میکروسکوپ های الکترونی خیر، چون نمونه در خلأ و تحت پرتو الکترونی قرار دارد. ESEM امکان مشاهده نمونه های مرطوب را فراهم می کند.

میکروسکوپ کرایو چه کاربردی دارد؟

برای تعیین ساختار سه بعدی پروتئین ها و مولکول های زیستی در حالت طبیعی آنها.

جمع بندی

میکروسکوپ الکترونی با استفاده از پرتو الکترونی و عدسی های مغناطیسی، تصاویری با وضوح بسیار بالاتر از میکروسکوپ نوری ارائه می دهد. اجزای اصلی آن شامل تفنگ الکترونی، سیستم خلأ، عدسی های مغناطیسی، نگهدارنده نمونه، آشکارسازها و سیستم نمایش است.

انواع مختلف میکروسکوپ الکترونی، شامل TEM، SEM، STEM، ESEM، REM و کرایو، هر کدام برای کاربرد خاصی طراحی شده اند و بسته به نوع و کاربرد، ممکن است اجزای اضافی دیگری نیز داشته باشند. برای آشنایی با محصولات و مقالات دیگر بلورآزما و دانلود رایگان کاتالوگ ها، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• Physical Principles of Electron Microscopy