¿Cuál es el rango de observación del microscopio óptico y el microscopio electrónico?
La composición y estructura de un microscopio óptico Un microscopio óptico generalmente consta de una platina, un sistema de iluminación de foco, 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 impulsado por la perilla de enfoque para hacer que el escenario se mueva hacia arriba y hacia abajo para un ajuste aproximado y un ajuste fino, de modo que el objeto observado pueda enfocarse y visualizarse claramente.
Su capa superior puede moverse y girar con precisión en el plano horizontal y, en general, ajustar la parte observada al centro del campo de visión. El sistema de iluminación puntual está compuesto por una fuente de luz y un condensador. La función del condensador es concentrar más energía luminosa en la parte observada. Las características espectrales de la lámpara de iluminación deben ser compatibles con la banda de trabajo del receptor del microscopio.
La lente del objetivo se encuentra cerca del objeto a observar, y es la lente que realiza el primer nivel de aumento. Se instalan varias lentes de objetivo con diferentes aumentos en el convertidor de lentes de objetivo al mismo tiempo, y las lentes de objetivo con diferentes aumentos pueden entrar en 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 el elemento óptico que juega un papel decisivo en la calidad de la imagen en el microscopio.
Los lentes de objetivo acromáticos que se usan comúnmente pueden corregir la aberración cromática para dos colores de luz; lentes de objetivo apocromáticos de mayor calidad que pueden corregir la aberración cromática para tres tipos de luz de color; puede garantizar que todo el plano de la imagen de la lente del objetivo sea plano para mejorar el campo de visión Objetivos de campo plano con calidad de imagen marginal. Los objetivos de inmersión en líquido se utilizan a menudo en objetivos de gran aumento, es decir, el índice de refracción es 1 entre la superficie inferior de la lente del objetivo y la superficie superior de la hoja de muestra.
5 líquido, puede mejorar significativamente la resolución de la observación microscópica. El ocular es una lente ubicada cerca del ojo humano para lograr el segundo nivel de aumento, y el aumento de la lente 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 dos tipos: oculares ordinarios 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 entre sí a lo largo del 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 permisible suele ser más pequeño que las micras, por lo que el microscopio debe tener un mecanismo de microenfoque muy preciso. El límite del 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 diferentes 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, la imagen obtenida solo puede ser una imagen con un contorno grande pero detalles poco claros. , llamado magnificación no válida.
Por el contrario, si la resolución cumple con los requisitos pero el aumento es insuficiente, el microscopio tiene la capacidad de resolver, pero la imagen sigue siendo demasiado pequeña para que los ojos humanos la vean claramente. 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 del foco tiene un gran impacto en el rendimiento de imagen del microscopio, pero 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 de luz enviado por el condensador debe garantizar que llene 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 equipado con un diafragma de apertura variable similar al de la lente del objetivo fotográfico, que puede ajustar el tamaño de la apertura y se utiliza para ajustar la apertura del haz de iluminación para que coincida con el ángulo de apertura del objetivo. lente.
Al cambiar el método de iluminación, se pueden 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 y observar mejor el microestructura Un microscopio electrónico es un instrumento que utiliza haces de electrones y lentes de electrones en lugar de haces de luz y lentes ópticos para obtener imágenes de las estructuras finas de las sustancias a muy grandes aumentos según el principio de la óptica electrónica.
El poder de resolución de un microscopio electrónico está representado por la distancia mínima entre dos puntos adyacentes que puede resolver. En la década de 1970, la resolución del microscopio electrónico 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 supera los 3 millones de veces, mientras que el aumento máximo del microscopio óptico es de unas 2000 veces, por lo que los átomos de algunos metales pesados y las redes atómicas ordenadas en el cristal se pueden observar directamente a través del microscopio electrónico. .
En 1931, Knorr-Bremse y Ruska de Alemania reacondicionaron 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 imágenes ampliadas con microscopio electrónico. En 1932, después de la mejora de Ruska, el poder de resolución del microscopio electrónico alcanzó los 50 nanómetros, aproximadamente diez veces el poder de resolución del microscopio óptico en ese momento, por lo que el microscopio electrónico comenzó a llamar la atención de la gente.
En la década de 1940, Hill en los Estados Unidos usó un astigmatizador 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, en 1958 se desarrolló con éxito un microscopio electrónico de transmisión con una resolución de 3 nanómetros, y en 1979 se fabricó con una resolución de 0.
Microscopio electrónico grande de 3nm. Aunque el poder de resolución del microscopio electrónico es mucho mejor que el del microscopio óptico, es difícil observar organismos vivos porque el microscopio electrónico necesita trabajar en condiciones de vacío, y la irradiación del haz de electrones también hará que las muestras biológicas ser dañado por la radiación. 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 pasa a través de la muestra. La longitud de onda de la luz visible es de aproximadamente {{0}} nanómetros, mientras que la longitud de onda de los haces 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 del microscopio óptico, el poder de resolución del microscopio electrónico sigue siendo muy superior al del microscopio óptico. del microscopio óptico. El microscopio electrónico consta de tres partes: el cilindro de la lente, el sistema de vacío y el gabinete de la fuente de alimentación.
El cilindro de la lente incluye principalmente cañones de electrones, lentes de electrones, portamuestras, pantallas fluorescentes y mecanismos de cámara. Estos componentes generalmente se ensamblan en una columna de arriba a abajo; el sistema de vacío está compuesto por bombas de vacío mecánicas, bombas de difusión y válvulas de vacío. El gasoducto está conectado con el cilindro de la lente; el armario de potencia está compuesto por un generador de alta tensión, un estabilizador de corriente de excitación y varias unidades de control de ajuste.
La lente electrónica es la parte más importante del cuerpo de la lente del microscopio electrónico. Utiliza un campo eléctrico espacial o un campo magnético simétrico al eje del cilindro de la lente para doblar la pista de electrones hacia el eje para formar un foco. Su función es similar a la de una 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 a través de un fuerte campo magnético generado por una corriente de excitación de CC muy estable que pasa a través de una bobina con zapatas polares.
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 una velocidad uniforme, por lo que se requiere que la estabilidad del voltaje de aceleración no sea inferior a una diezmilésima. 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 sus estructuras y usos.
Los microscopios electrónicos de transmisión se utilizan a menudo para observar las estructuras de materiales finos que no se pueden resolver con 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 de electrones para formar microsondas electrónicas para el análisis de composición de materiales; Microscopía electrónica de emisión para el estudio de superficies de electrones autoemisores.
El microscopio electrónico de transmisión se llama así porque el haz de electrones penetra en la muestra y luego aumenta la imagen con la lente de electrones. Su trayectoria óptica es similar a la de un microscopio óptico. En este tipo de microscopio electrónico, el contraste en el detalle de la imagen es creado por la dispersión del haz de electrones por los átomos de la muestra. La parte más delgada o de menor densidad de la muestra tiene menos dispersión del haz de electrones, por lo que pasan más electrones a través del diafragma del objetivo y 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 cilindro de la lente del microscopio electrónico de transmisión es un cañón de electrones. Los electrones son emitidos por el cátodo caliente de tungsteno y los haces de electrones son enfocados por los condensadores primero y segundo.
Después de pasar a través de la muestra, el haz de electrones se refleja en el espejo intermedio por la lente del objetivo, y luego se amplía paso a paso a través del espejo intermedio y el espejo de proyección, y luego se refleja en la pantalla fluorescente o la placa fotocoherente. El aumento del espejo intermedio se puede cambiar continuamente desde decenas de veces hasta cientos de miles de veces, principalmente mediante el ajuste de la corriente de excitación; al cambiar la distancia focal del espejo intermedio, se pueden obtener imágenes microscópicas de electrones e imágenes de difracción de electrones en las partes diminutas de la misma muestra.
Para estudiar muestras de cortes metálicos más gruesos, el laboratorio francés de óptica electrónica Dulos desarrolló un microscopio electrónico de voltaje ultra alto con un voltaje de aceleración de 3500 kV. El haz de electrones del microscopio electrónico de barrido no atraviesa la muestra, sino que solo escanea y excita los electrones secundarios en la superficie de la muestra. El cristal de centelleo colocado junto a la muestra recibe estos electrones secundarios, amplifica y modula la intensidad del haz de electrones del tubo de imagen, cambiando así el brillo en la pantalla del tubo de imagen.
La bobina de desviación del tubo de imagen mantiene un escaneo sincrónico 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 un televisor 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 una muestra muy delgada; la imagen tiene un fuerte efecto tridimensional; puede usar información como electrones secundarios, electrones absorbidos y rayos X generados por la interacción entre el haz de electrones y la sustancia para analizar la composición de la sustancia.
El cañón de electrones y la lente condensadora de un microscopio electrónico de barrido son aproximadamente los mismos que los de un microscopio electrónico de transmisión, pero para hacer que el haz de electrones sea más delgado, se agregan una lente objetivo y un astigmatizador debajo de la lente condensadora, y dos juegos de los haces de exploración perpendiculares entre sí están instalados dentro de la lente del objetivo. bobina. La cámara de muestra debajo de la lente del objetivo está equipada con una plataforma de muestra que se puede mover, rotar e inclinar.
