Vorteile der Elektronenmikroskopie gegenüber der optischen Mikroskopie
Ein Elektronenmikroskop ist ein Instrument, das basierend auf den Prinzipien der Elektronenoptik Elektronenstrahlen und Elektronenlinsen anstelle von Lichtstrahlen und optischen Linsen verwendet, um die Feinstruktur von Materie bei sehr hoher Vergrößerung abzubilden.
Das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops wird durch den kleinen Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten ausgedrückt, den es auflösen kann. In den 1970er Jahren betrug die Auflösung von Transmissionselektronenmikroskopen etwa 3,3 Nanometer (das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beträgt etwa 0,1 Millimeter). Heutzutage beträgt die maximale Vergrößerung von Elektronenmikroskopen mehr als das 3-Millionen-fache, während die maximale Vergrößerung von optischen Mikroskopen etwa das 2,7-fache beträgt. Daher können Atome bestimmter Schwermetalle und das sauber angeordnete Atomgitter in Kristallen direkt durch Elektronenmikroskope beobachtet werden.
Obwohl die Auflösung von Elektronenmikroskopen weitaus besser ist als die von optischen Mikroskopen, müssen Elektronenmikroskope unter Vakuumbedingungen arbeiten, sodass es schwierig ist, lebende Organismen zu beobachten. Zudem kann die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen Strahlenschäden an biologischen Proben verursachen. Auch andere Aspekte, wie die Verbesserung der Helligkeit der Elektronenkanone und der Qualität der Elektronenlinse, müssen weiter untersucht werden.
Das Auflösungsvermögen ist ein wichtiger Indikator eines Elektronenmikroskops und hängt mit dem Einfallskegelwinkel und der Wellenlänge des Elektronenstrahls zusammen, der durch die Probe hindurchgeht. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt etwa 300 bis 700 Nanometer, und die Wellenlänge des Elektronenstrahls hängt mit der Beschleunigungsspannung zusammen. Wenn die Beschleunigungsspannung 50 bis 100 Kilovolt beträgt, beträgt die Wellenlänge des Elektronenstrahls etwa 0,0053 bis 0,0037 Nanometer. Da die Wellenlänge des Elektronenstrahls viel kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, ist das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops dem des optischen Mikroskops immer noch weit überlegen, selbst wenn der Kegelwinkel des Elektronenstrahls nur 1 % des Winkels des optischen Mikroskops beträgt.
Das Elektronenmikroskop besteht aus drei Teilen: Linsenrohr, Vakuumsystem und Stromschrank. Der Linsentubus enthält hauptsächlich Komponenten wie eine Elektronenkanone, eine Elektronenlinse, einen Probenhalter, einen Leuchtschirm und einen Kameramechanismus. Diese Komponenten werden normalerweise von oben nach unten zu einem Zylinder zusammengebaut. Das Vakuumsystem besteht aus einer mechanischen Vakuumpumpe, einer Diffusionspumpe, einem Vakuumventil usw. und wird durch die Gasleitung gepumpt, die mit dem Linsenrohr verbunden ist. Der Stromschrank besteht aus einem Hochspannungsgenerator, einem Erregerstromstabilisator und verschiedenen Einstellsteuereinheiten.
Die Elektronenlinse ist ein wichtiger Bestandteil des Elektronenmikroskopzylinders. Sie verwendet ein räumliches elektrisches oder magnetisches Feld, das symmetrisch zur Zylinderachse ist, um die Elektronenbahn zur Achse hin zu lenken und einen Fokus zu bilden. Ihre Funktion ähnelt der einer konvexen Glaslinse zum Fokussieren des Strahls, daher wird sie als Elektronenlinse bezeichnet. Die meisten modernen Elektronenmikroskope verwenden elektromagnetische Linsen. Das starke Magnetfeld, das durch einen sehr stabilen Gleichstrom-Erregerstrom erzeugt wird, der durch eine Spule mit Polschuhen fließt, fokussiert die Elektronen.
Die Elektronenkanone ist eine Komponente, die aus einer Glühkathode aus Wolframfilament, einem Gitter und einer Kathode besteht. Sie kann Elektronenstrahlen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit emittieren und bilden, daher muss die Stabilität der Beschleunigungsspannung mindestens ein Zehntausendstel betragen.
Elektronenmikroskope können je nach Aufbau und Verwendung in Transmissionselektronenmikroskope, Rasterelektronenmikroskope, Reflexionselektronenmikroskope und Emissionselektronenmikroskope unterteilt werden. Transmissionselektronenmikroskope werden häufig verwendet, um winzige Materialstrukturen zu beobachten, die mit gewöhnlichen Mikroskopen nicht unterschieden werden können; Rasterelektronenmikroskope werden hauptsächlich verwendet, um die Morphologie fester Oberflächen zu beobachten, und können auch mit Röntgendiffraktometern oder Elektronenenergiespektrometern kombiniert werden, um Elektronenmikroskope zu bilden, die zur Analyse der Materialzusammensetzung verwendet werden; Emissionselektronenmikroskope werden zur Untersuchung selbstemittierender Elektronenoberflächen verwendet.
