¿Cuál es el rango de observación del microscopio óptico y el microscopio electrónico?
La estructura del microscopio óptico El microscopio óptico se compone generalmente de una platina, un sistema de iluminación de condensador, una lente objetivo, un ocular y un mecanismo de enfoque. El escenario se utiliza para sostener el objeto a observar. El mecanismo de enfoque puede ser accionado por la perilla de enfoque para hacer que la platina se mueva hacia arriba y hacia abajo para un ajuste aproximado y un ajuste fino, de modo que el objeto observado se pueda enfocar y visualizar con claridad.
Su capa superior se puede mover y girar con precisión en el plano horizontal, y la parte observada generalmente se ajusta al centro del campo de visión. El sistema de iluminación de focos está compuesto por una fuente de luz y una lente condensadora. La función de la lente condensadora es concentrar más energía luminosa en la parte observada. Las características espectrales del iluminador deben adaptarse a la banda de trabajo del receptor del microscopio.
La lente del objetivo se encuentra cerca del objeto observado y es la lente que realiza el aumento de primer nivel. Se instalan varias lentes de objetivo con diferentes aumentos en el convertidor de lentes de objetivo al mismo tiempo, y la lente de objetivo con diferentes aumentos puede ingresar a la trayectoria óptica de trabajo girando el convertidor. El aumento de la lente del objetivo suele ser de 5 a 100 veces. La lente objetivo es un elemento óptico que juega un papel decisivo en la calidad de la imagen en el microscopio.
Objetivos acromáticos de uso común que pueden corregir la aberración cromática para dos colores de luz; objetivos apocromáticos de mayor calidad que pueden corregir la aberración cromática para tres colores de luz; puede garantizar que todo el plano de la imagen de la lente del objetivo sea un plano, para mejorar el campo de visión Objetivos de campo plano con una calidad de imagen marginal. Los objetivos de inmersión en líquido se utilizan a menudo en lentes de objetivo de alta potencia, es decir, el índice de refracción de 1 se llena entre la superficie inferior de la lente del objetivo y la superficie superior de la hoja de muestra.
5 más o menos, puede mejorar significativamente la resolución de la observación microscópica. El ocular es una lente ubicada cerca del ojo humano para lograr un aumento de segundo nivel, y el aumento del espejo suele ser de 5 a 20 veces. De acuerdo con el tamaño del campo de visión que se puede ver, los oculares se pueden dividir en oculares normales con un campo de visión más pequeño y oculares de campo grande (u oculares de gran angular) con un campo de visión más grande.
Tanto la platina como la lente del objetivo deben poder moverse en relación con el eje óptico de la lente del objetivo para lograr el ajuste del enfoque y obtener una imagen clara. Cuando se trabaja con una lente de objetivo de gran aumento, el rango de enfoque permitido suele ser menor que una micra, por lo que el microscopio debe tener un mecanismo de microenfoque extremadamente preciso. El límite de aumento del microscopio es el aumento efectivo, y la resolución del microscopio se refiere a la distancia mínima entre dos puntos del objeto que el microscopio puede distinguir claramente.
La resolución y la ampliación son dos conceptos distintos pero relacionados. Cuando la apertura numérica de la lente objetivo seleccionada no es lo suficientemente grande, es decir, la resolución no es lo suficientemente alta, el microscopio no puede distinguir la estructura fina del objeto. En este momento, incluso si se aumenta excesivamente la ampliación, solo se puede obtener una imagen con un contorno grande pero con detalles poco claros. , llamado aumento ineficaz.
Por otro lado, si la resolución ha cumplido con los requisitos y el aumento es insuficiente, el microscopio tiene la capacidad de resolver, pero la imagen es demasiado pequeña para que el ojo humano la vea con claridad. Por lo tanto, para aprovechar al máximo el poder de resolución del microscopio, la apertura numérica debe coincidir razonablemente con el aumento total del microscopio. El sistema de iluminación condensada tiene una gran influencia en el rendimiento de imagen del microscopio, pero también es un vínculo que los usuarios pasan por alto fácilmente.
Su función es proporcionar una iluminación suficiente y uniforme de la superficie del objeto. El haz del condensador debe poder llenar el ángulo de apertura de la lente del objetivo; de lo contrario, la resolución más alta que puede alcanzar la lente del objetivo no se puede utilizar por completo. Para este propósito, el condensador está provisto de un diafragma de apertura variable similar al del objetivo fotográfico, y el tamaño de la apertura se puede ajustar para ajustar la apertura del haz de iluminación para que coincida con el ángulo de apertura del objetivo.
Al cambiar el método de iluminación, puede obtener diferentes métodos de observación, como puntos de objetos oscuros sobre un fondo brillante (llamado iluminación de campo brillante) o puntos de objetos brillantes sobre un fondo oscuro (llamado iluminación de campo oscuro), para descubrir mejor en diferentes situaciones y observar la microestructura. El microscopio electrónico es un instrumento que reemplaza el haz de luz y la lente óptica con un haz de electrones y una lente de electrones de acuerdo con el principio de la óptica electrónica, de modo que la estructura fina de la materia se puede visualizar con un aumento muy alto.
El poder de resolución de un microscopio electrónico se expresa por la distancia más pequeña entre dos puntos adyacentes que puede resolver. En la década de 1970, la resolución de los microscopios electrónicos de transmisión era de aproximadamente 0,3 nanómetros (el poder de resolución del ojo humano era de aproximadamente 0,1 mm). Ahora, el aumento máximo del microscopio electrónico es de más de 3 millones de veces, y el aumento máximo del microscopio óptico es de unas 2000 veces, por lo que los átomos de ciertos metales pesados y la red atómica ordenada en los cristales se pueden observar directamente a través del microscopio electrónico.
En 1931, Knorr-Bremse y Ruska en Alemania modificaron un osciloscopio de alto voltaje con una fuente de electrones de descarga de cátodo frío y tres lentes de electrones, y obtuvieron una imagen ampliada más de diez veces, lo que confirmó la posibilidad de ampliar la imagen mediante un microscopio electrónico. . . En 1932, después de la mejora de Ruska, el poder de resolución del microscopio electrónico alcanzó los 50 nanómetros, que era aproximadamente diez veces el poder de resolución del microscopio óptico en ese momento, por lo que el microscopio electrónico comenzó a atraer la atención de la gente.
En la década de 1940, Hill en los Estados Unidos usó un astigmatismo para compensar la asimetría rotacional de la lente electrónica, lo que supuso un nuevo avance en el poder de resolución del microscopio electrónico y gradualmente alcanzó el nivel moderno. En China, se desarrolló con éxito un microscopio electrónico de transmisión en 1958 con una resolución de 3 nanómetros, y en 1979 se fabricó con una resolución de 0.
Microscopio electrónico grande de 3 nm. Aunque el poder de resolución de los microscopios electrónicos es mucho mejor que el de los microscopios ópticos, es difícil observar organismos vivos porque los microscopios electrónicos necesitan trabajar en condiciones de vacío, y la irradiación de haces de electrones también causará daño por radiación a las muestras biológicas. Otros temas, como la mejora del brillo del cañón de electrones y la calidad de la lente de electrones, también deben estudiarse más a fondo.
El poder de resolución es un indicador importante de la microscopía electrónica, que está relacionado con el ángulo del cono incidente y la longitud de onda del haz de electrones que atraviesa la muestra. La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente 300 a 700 nanómetros, mientras que la longitud de onda del haz de electrones está relacionada con el voltaje de aceleración. Cuando el voltaje de aceleración es 50-100 kV, la longitud de onda del haz de electrones es aproximadamente 0.
0053 a 0,0037 nm. Dado que la longitud de onda del haz de electrones es mucho más pequeña que la longitud de onda de la luz visible, incluso si el ángulo del cono del haz de electrones es solo el 1 por ciento del de un microscopio óptico, el poder de resolución de un microscopio electrónico sigue siendo muy superior al de un microscopio óptico. de un microscopio óptico. El microscopio electrónico consta de tres partes: el tubo de la lente, el sistema de vacío y el gabinete de suministro de energía.
El cilindro de la lente incluye principalmente el cañón de electrones, la lente de electrones, el portamuestras, la pantalla fluorescente y el mecanismo de la cámara, que generalmente se ensamblan en un cilindro de arriba a abajo; el sistema de vacío está compuesto por una bomba de vacío mecánica, una bomba de difusión y una válvula de vacío, etc. La tubería de gas está conectada con el cilindro de la lente; el armario de alimentación está compuesto por un generador de alta tensión, un estabilizador de corriente de excitación y varias unidades de regulación y control.
La lente electrónica es la parte más importante del cilindro del microscopio electrónico. Utiliza un campo eléctrico espacial o un campo magnético que es simétrico al eje del cilindro de la lente para desviar la trayectoria del electrón hacia el eje para formar el enfoque. Su función es similar a la de la lente convexa de vidrio para enfocar el haz, por eso se le llama electrón. lente. La mayoría de los microscopios electrónicos modernos utilizan lentes electromagnéticos, que enfocan los electrones mediante un fuerte campo magnético generado por una corriente de excitación de CC muy estable a través de una bobina con una zapata polar.
El cañón de electrones es un componente que consta de un cátodo caliente de filamento de tungsteno, una rejilla y un cátodo. Puede emitir y formar un haz de electrones con velocidad uniforme, por lo que la estabilidad del voltaje de aceleración no es inferior a 1/10,000. Los microscopios electrónicos se pueden dividir en microscopios electrónicos de transmisión, microscopios electrónicos de barrido, microscopios electrónicos de reflexión y microscopios electrónicos de emisión según su estructura y uso.
Los microscopios electrónicos de transmisión se utilizan a menudo para observar aquellas estructuras de materiales finos que no se pueden distinguir con los microscopios ordinarios; Los microscopios electrónicos de barrido se utilizan principalmente para observar la morfología de superficies sólidas y también se pueden combinar con difractómetros de rayos X o espectrómetros de energía electrónica para formar electrones. Microsondas para el análisis de la composición de materiales; Microscopía electrónica de emisión para el estudio de superficies de electrones autoemisores.
El microscopio electrónico de proyección lleva el nombre del haz de electrones que penetra en la muestra y luego usa la lente de electrones para obtener imágenes y ampliar. Su trayectoria óptica es similar a la de un microscopio óptico. En este microscopio electrónico, el contraste de los detalles de la imagen se crea mediante la dispersión del haz de electrones por parte de los átomos de la muestra. En partes más delgadas o menos densas de la muestra, el haz de electrones se dispersa menos, por lo que pasan más electrones a través de la apertura del objetivo, participan en la formación de imágenes y aparecen más brillantes en la imagen.
Por el contrario, las partes más gruesas o más densas de la muestra aparecen más oscuras en la imagen. Si la muestra es demasiado gruesa o demasiado densa, el contraste de la imagen se deteriorará o incluso se dañará o destruirá al absorber la energía del haz de electrones. La parte superior del tubo del microscopio electrónico de transmisión es un cañón de electrones. Los electrones son emitidos por el cátodo caliente del filamento de tungsteno y pasan a través del primer y segundo condensador para enfocar el haz de electrones.
Después de pasar a través de la muestra, la lente del objetivo refleja el haz de electrones en el espejo intermedio, y luego lo amplía paso a paso a través del espejo intermedio y el espejo de proyección, y luego refleja la imagen en la pantalla fluorescente o placa seca fotográfica. El espejo intermedio ajusta principalmente la corriente de excitación y la ampliación se puede cambiar continuamente de decenas a cientos de miles de veces; al cambiar la distancia focal del espejo intermedio, se pueden obtener imágenes de microscopio electrónico e imágenes de difracción de electrones en partes diminutas de la misma muestra. .
Para estudiar muestras de cortes metálicos más gruesos, el laboratorio francés de óptica electrónica Dulos ha desarrollado un microscopio electrónico de voltaje ultraalto con un voltaje de aceleración de 3500 kV. El haz de electrones de un microscopio electrónico de barrido no atraviesa la muestra, sino que solo escanea y excita los electrones secundarios en la superficie de la muestra. Un cristal de centelleo colocado junto a la muestra recibe estos electrones secundarios y modula la intensidad del haz de electrones del tubo de imagen después de la amplificación, cambiando así el brillo en la pantalla del tubo de imagen.
El yugo de desviación del tubo de imagen sigue escaneando sincrónicamente con el haz de electrones en la superficie de la muestra, de modo que la pantalla fluorescente del tubo de imagen muestra la imagen topográfica de la superficie de la muestra, que es similar al principio de funcionamiento de la televisión industrial. La resolución de un microscopio electrónico de barrido está determinada principalmente por el diámetro del haz de electrones en la superficie de la muestra.
El aumento es la relación entre la amplitud de exploración en el tubo de imagen y la amplitud de exploración en la muestra, que se puede cambiar continuamente desde decenas de veces hasta cientos de miles de veces. El microscopio electrónico de barrido no requiere muestras muy finas; la imagen tiene un fuerte efecto tridimensional; puede analizar la composición de la materia utilizando información como electrones secundarios, electrones absorbidos y rayos X generados por la interacción de haces de electrones con la materia.
El cañón de electrones y el condensador del microscopio electrónico de barrido son aproximadamente los mismos que los del microscopio electrónico de transmisión, pero para hacer que el haz de electrones sea más delgado, se agregan una lente objetivo y un astigmatismo debajo de la lente condensadora, y dos juegos de lentes mutuamente intercambiables. exploración perpendicular también se instalan dentro de la lente del objetivo. bobina. La cámara de muestra debajo de la lente del objetivo alberga la plataforma de muestra que se puede mover, girar e inclinar.
