Kính Hiển Vi Điện Tử

- KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ1.
- Giới thiệu chung: Kính hiển vi điện tử là một thiết bị nghiên cứu quan trọng trong nghiên cứu vềkhoa học sự sống và vật liệu (công nghệ nano).
- Trong công nghệ nano, kínhhiển vi điện tử cho phép quan sát cấu trúc, đo các đặc tính, kích thước và hình dạngcủa vật liệu cấu trúc nano với độ phân giải lớn hơn đáng kể so với kính hiển viquang học.
- Giống như kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử cho hình ảnh của vậtliệu trong không gian trực tiếp.
- Trong khi độ phân giải của kính hiển vi quang họcthông thường là hàng trăm nanomet thì việc sử dụng kính hiển vi điện tử với hìnhảnh của các vật liệu nano là rất phù hợp.
- Độ phân giải của kính hiển vi được giớihạn trong khoảng bước sóng của bức xạ sử dụng để thu hình ảnh.
- (Độ phân giảikhông gian thường được lấy là 0,61.λ / NA.
- trong đó NA là khẩu độ số của hệthống quang học), như vậy ngay cả đối với ánh sáng UV, kính hiển vi quang họccó độ phân giải được giới hạn trong khoảng ~ 200 nm.
- Kính hiển vi điện tử sử dụngnăng lượng của electron.
- khoảng ~ 3600 eV, gấp hơn một ngàn lần sovới năng lượng của một photon của ánh sáng thấy~ 2-3 eV có độ phân giải theo lýthuyết được tính là 0,02 nm.
- Tuy nhiên, vì sự quang sai của một ống kính điện tử,độ phân giải thực tế đạt được là ít hơn đáng kể.
- Độ phân giải khoarng 0,1 nm có thểthu được với một kính hiển vi điện tử.
- Lịch sử phát triển: Trong những năm 20 của thế kỷ XX, có 2 trong số các thành tựu khoa học đãtạo tiền để cho sự ra đời của kính hiển vi điện tử:- Bằng thực nghiệm đã chứng minh sự đúng đắn của thuyết De Broglie (1924) vềtính chất sóng của hạt chuyển động.- Năm 1926, H.Busch đã chứng minh có thể dùng điện từ trường để điều khiểnchùm tia điện tử đang chuyển động.
- Tác dụng điều khiển của điện từ trường đối vớichùm điện tử đang chuyển động giống tác dụng của thấu kính thuỷ tinh với ánhsáng khả kiến.
- Năm H.Busch và E.Ruska đã đề suất nghiên cứu thấu kính điện từ(tiếng anh: electromagnetic lense) bao gồm nguyên lý hoạt động, thiết kế chế tạo.
- Năm 1932 công bố phác thảo kính hiển vi điện tử đầu tiên.
- [1] Năm 1938, E.Ruska và Van Borries đã thiết kế và chế tạo thành công mộtkính hiển vi điện tử cho hãng Siemens&Halske.
- Độc lập với nhóm nghiên cứu trên, năm 1939, dưới sự lãnh đạo của các chuyêngia như E.F.Burton, A.Prebus và J.Hillier, tại trường Toronto (Canada) đã cho rađời kính hiển vi điện tử với các thấu kính điện từ.
- Thờibấy giờ kính hiển vi tốt nhất chỉ đạt độ phân giải 150 nm.
- Sau khi R.Heidenreich bằng phương pháp gia công đã tạo được những lá nhômđủ mỏng (~1000nm) để chùm điện tử với điện thế gia tốc 100kV có thể xuyên quađược đã mở ra hướng mới sử dụng kính hiển vi điện tử để nghiên cứu vật liệu.
- Năm 1950: Latta và Hartman chế tạo ra máy cắt siêu mỏng (Ultramicrotome)dùng lưỡi dao thủy tinh để cắt mẫu vật thành những lát mỏng cỡ vài chục nanometđã giúp cho phương pháp hiển vi điện tử trở lên hoàn thiện cả về phương diện thiếtbị và kỹ thuật chuẩn bị mẫu.
- Năm 1994, 2 hãng điện tử Japan Electron Optical Laboratory (JEOL) và Hitachiđã nghiên cứu chế tạo kính hiển vi điện tử JEM-ARM 1250[1] (ARM: AtomicResolution Microscope) có điện thế gia tốc 1250kv, đạt độ phân giải 0,105nm.
- Hiện nay có hai loại kính hiển vi điện tử chủ yếu đó là kính hiển vi điện tửtruyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM), ngoài ra còn có loại kết hợptính năng của hai loại kính trên là hiển vi điện tử quét truyền qua (STEM).
- Kính hiển vi điện tử truyền qua- Transmission Electron Microscope(TEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị dùng để nghiên cứu vi cấu trúcvật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắnmỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàngtriệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghinhận bằng các máy chụp kỹ thuật số[2].
- Sơ đồ cấu tạo được trình bàytrong hình 1.- Một súng bắn điện tử để phát rachùm electron đơn sắc.- Ống kính tụ điện để tập trung cácelectron thành một chùm nhỏ.- Một bình ngưng khẩu độ để hạnchế các tia bằng cách loại bỏ cácgóc cao electron.- Một giá đỡ mẫu để đặt mẫu.
- Một vật kính để tập trung cácchùm tia truyền.- Nút tùy kích thước khẩu độ kimloại để tăng độ phân giải bằng cáchchặn góc cao nhiễu xạ, cũng như đểcó được electron bức xạ.- Vật trung gian và máy chiếu đểphóng to hình ảnh, cho phép ghi lạihình ảnh đem lại bởi sự truyền cácchùm electron.
- Hình 1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua Cột kính có chân không cao, áp suất Torr đối với TEM thông thườngvà cỡ Torr đối với HR-TEM).
- Đặc trưng cho TEM là các thông số: hệ sốphóng đại M, độ phân giải d và điện áp gia tốc U.
- Nguồn phát xạ điện tử trên đỉnh của Kính hiển vi điện tử truyền (súng điện tử)để phát ra chùm điện tử.
- Chùm này được tăng tốc trong môi trường chân khôngcao, sau khi đi qua tụ kính để tập trung thành một chùm rất mỏng, chùm điện tử tácđộng lên mẫu mỏng.
- Mật độ điện tử truyền qua ngay dưới mặt mẫu phản ảnhlại tình trạng của mẫu, hình ảnh được phóng đại qua một loạt các thấu kính trunggian và cuối cùng thu được trên màn huỳnh quang.
- Do vậy, ảnh hiển vi điện tửtruyền qua là hình ảnh bề mặt dưới của mẫu (ảnh đen trắng) thu được bởi chùmđiện tử truyền qua mẫu [2].
- Nếu như ảnh trong KHV có độ tương phản chủ yếuđem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tương phản của ảnh TEM lại chủ yếuxuất phát từ khả năng tán xạ điện tử[3].
- Với độ phân giải cao cỡ 2A°, độ phóng đại từ x50 tới x1.500.000, TEM đóngvai trò quan trọng trong nghiên cứu siêu cấu trúc sinh vật, vi sinh vật và các vật liệunano.
- Với những kính hiển vi điện tử độ phân giải cao (HR-TEM) để quan sát cấutrúc mạng của vật liệu nano thì điện thế gia tốc thường yêu cầu khoảng 150 kV trởlên.
- Ở Việt Nam vẫn chưa có kính hiển vi điện tử nào hoạt động đạt độ phân giảicao như HR-TEM tính đến thời điểm hiện tại.
- a.Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của một virus cúm Tây Ban Nha năm 1918 được tái tạo lại.
- Dù được phát triển từ rất lâu, nhưng đến thời điểm hiện tại, TEM vẫn là mộtcông cụ nghiên cứu mạnh và hiện đại trong nghiên cứu về cấu trúc vật rắn, được sửdụng rộng rãi trong vật lý chất rắn, khoa học vật liệu, công nghệ nano, hóahọc, sinh học, y học.
- Có thể tạo ra ảnh cấu trúc vật rắn với độ tương phản, độ phân giải (kể cảkhông gian và thời gian) rất cao đồng thời dễ dàng thông dịch các thông tin về cấutrúc.
- Khác với dòng KHV quét đầu dò, TEM cho ảnh thật của cấu trúc bên trongvật rắn nên đem lại nhiều thông tin hơn, đồng thời rất dễ dàng tạo ra các hình ảnhnày ở độ phân giải tới cấp độ nguyên tử.
- Đi kèm với các hình ảnh chất lượng cao là nhiều phép phân tích rất hữu íchđem lại nhiều thông tin cho nghiên cứu vật liệu.
- Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron microscope ( SEM ) Cấu tạo chính của SEM gồm cột kính (súng điện tử, tụ kính, vật kính), buồngmẫu và đầu dò tín hiệu điện tử.
- Cột kính có chân không cao, áp suất Torrđối với SEM thông thường và 10-8-10-9 Torr đối với SEM có độ phân giải cao (FE-SEM.
- Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị có khả năng quan sát bề mặt của mẫu vật,bao gồm: súng điện tử, tụ kính, buồng tiêu bản, hệ thống đầu dò điện tử, hệ thốngkhuếch đại - máy tính và màn hình để quan sát ảnh.
- Chùm điện tử xuất phát từ súngđiện tử đi qua tụ kính, rồi vật kính, sau đó chùm tia hội tụ và quét trên toàn bộ bềmặt của mẫu, sự tương tác của chùm điện tử tới với bề mặt mẫu tạo ra các tia khácnhau (điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, tia huỳnh quang catot,tia X đặc trưng.
- Hình ảnh hiển vi điện tử quét được phản ảnh lại bởi các điện tửthứ cấp và điện tử tán xạ ngược thu được nhờ các đầu dò gắn bên sườn của kính.Tia X đặc trưng có khả năng phản ánh thành phần nguyên tố trong mẫu phân tíchnhờ bộ phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS – Energy Dispersive X- raySpectroscopy).
- Mặc dù không thể có độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền qua nhưngkính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh là phân tích mà không cần phá hủy mẫuvật và có thể hoạt động ở chân không thấp.
- Kính hiển vi điện tử quét - Scanning Electron microscope ( SEM ) Kính hiển vi điện tử quét truyền qua là loại kính hiển vi điện tử có khả năng kếthợp cả hai tính năng quét và truyền qua, tức là có khả năng vừa phản ánh cầu trúcbên trong của mẫu đồng thời cũng có thể phản ánh được bề mặt, thành phần củamẫu vật.
- Tuy nhiên, loại kính này thường dùng nguồn điện tử là nguồn phát xạtrường (field emission gun), chân không trong toàn bộ cột kính phải rất cao cỡ Torr.
- Loại kính này sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu vật liệu, ít sử dụngđối với các tiêu bản sinh vật.
- Kết Luận Ở nước ta, kính hiển vi điện tử hiện nay vẫn là thiết bị quí hiếm, đắt tiền, córất ít đơn vị được trang bị đồng bộ về kính hiển vi điện tử, thiết bị chuẩn bị mẫuvà những người có kỹ năng vận hành và khai thác tính năng của kính.
- Hiển vi điện tử là một phương pháp nghiên cứu tương đối phức tạp và có nhiềukỹ thuật khác nhau, tuỳ thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, các thiết bịphụ trợ và hoá chất cũng rất chuyên dụng.
- Vì vậy, người sử dụng kính hiển vi điệntử trong nghiên cứu y sinh không những phải am hiểu về siêu cấu trúc tế bào, sinhhoá, vi sinh, miễn dịch, kiến thức chuyên ngành mà còn cần phải hiểu về các kỹthuật chuẩn bị mẫu, khai thác thông tin từ hình ảnh và kiến thức nhất định về vật lý,hoá học.
- Mỗi người khi cần nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử thì phảibiết được điều kiện cần chuẩn bị mẫu, chế độ quan sát trên kính, và những thông tincần khai thác.
- Sau khi nhận được những hình ảnh hiển vi điện tử thì phải biết cáchxử lý để làm nổi bật được mục đích nghiên cứu của mình

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt