Überblick über die Transmissionselektronenmikroskopie
Das Transmissionselektronenmikroskop (kurz TEM) kann feine Strukturen erkennen, die kleiner als 0,2 µm sind und unter optischen Mikroskopen nicht klar erkennbar sind. Diese Strukturen werden Submikrostrukturen oder Ultrastrukturen genannt. Um diese Strukturen klar zu erkennen, ist es notwendig, eine Lichtquelle mit einer kürzeren Wellenlänge zu wählen, um die Auflösung des Mikroskops zu verbessern.
Einführung
Das Abbildungsprinzip des Elektronenmikroskops und des optischen Mikroskops ist grundsätzlich dasselbe. Der Unterschied besteht darin, dass ersteres einen Elektronenstrahl als Lichtquelle und ein elektromagnetisches Feld als Linse verwendet. Da die Durchdringungskraft des Elektronenstrahls außerdem sehr gering ist, muss die für das Elektronenmikroskop verwendete Probe in einem ultradünnen Abschnitt mit einer Dicke von etwa 50 nm hergestellt werden. Dieser Schnitt muss mit einem Ultramikrotom angefertigt werden. Die Vergrößerung des Elektronenmikroskops kann bis zu fast einer Million Mal betragen. Es besteht aus fünf Teilen: Beleuchtungssystem, Bildgebungssystem, Vakuumsystem, Aufzeichnungssystem und Stromversorgungssystem. Wenn es unterteilt ist: Der Hauptteil ist das elektronische Objektiv und das Bildaufzeichnungssystem. Elektronenkanonen, Kondensorspiegel, Probenkammern, Objektive, Beugungsspiegel, Zwischenspiegel, Projektionsspiegel, Leuchtschirme und Kameras im Vakuum.
Ein Elektronenmikroskop ist ein Mikroskop, das Elektronen verwendet, um das Innere oder die Oberfläche eines Objekts freizulegen. Die Wellenlänge von Hochgeschwindigkeitselektronen ist kürzer als die von sichtbarem Licht (Welle-Teilchen-Dualität) und die Auflösung des Mikroskops ist durch die verwendete Wellenlänge begrenzt. Daher ist die theoretische Auflösung des Elektronenmikroskops (ca. 0,1 Nanometer) viel höher als die des optischen Mikroskops. Geschwindigkeit (ca. 200 nm).
Das Transmissionselektronenmikroskop (kurz TEM), auch Transmissionselektronenmikroskop genannt [1], projiziert den beschleunigten und konzentrierten Elektronenstrahl auf eine sehr dünne Probe, wobei die Elektronen mit den Atomen in der Probe kollidieren und dadurch die Richtung ändern Erzeugen von Raumwinkelstreuung. . Die Größe des Streuwinkels hängt von der Dichte und Dicke der Probe ab, sodass Bilder mit unterschiedlicher Helligkeit und Dunkelheit erzeugt werden können und die Bilder auf bildgebenden Geräten (wie Leuchtschirmen, Filmen und lichtempfindlichen Kopplungskomponenten) angezeigt werden. nach dem Vergrößern und Fokussieren.
Aufgrund der sehr kurzen De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons ist die Auflösung des Transmissionselektronenmikroskops viel höher als die des Lichtmikroskops, das 0.1-0.2 nm erreichen kann, und die Vergrößerung beträgt Zehntausende bis Millionen Mal. Daher kann der Einsatz der Transmissionselektronenmikroskopie genutzt werden, um die Feinstruktur von Proben zu beobachten, sogar die Struktur nur einer einzelnen Atomsäule, die zehntausende Male kleiner ist als die kleinste Struktur, die mit optischer Mikroskopie beobachtet werden kann. TEM ist eine wichtige Analysemethode in vielen wissenschaftlichen Bereichen mit Bezug zur Physik und Biologie, wie z. B. Krebsforschung, Virologie, Materialwissenschaften, aber auch Nanotechnologie, Halbleiterforschung usw.
Bei geringen Vergrößerungen ist der Kontrast in der TEM-Bildgebung hauptsächlich auf die unterschiedliche Absorption von Elektronen aufgrund der unterschiedlichen Dicke und Zusammensetzung des Materials zurückzuführen. Bei einem hohen Vergrößerungsfaktor führen komplexe Schwankungen zu Unterschieden in der Helligkeit des Bildes. Für die Analyse des erhaltenen Bildes sind daher Fachkenntnisse erforderlich. Durch die Verwendung der verschiedenen TEM-Modi ist es möglich, eine Probe anhand ihrer chemischen Eigenschaften, ihrer kristallografischen Ausrichtung, ihrer elektronischen Struktur, ihrer elektronischen Phasenverschiebung durch die Probe und allgemein anhand der Absorption von Elektronen abzubilden.
Das erste TEM wurde 1931 von Max Knorr und Ernst Ruska entwickelt. Diese Forschungsgruppe entwickelte 1933 das erste TEM mit einer Auflösung jenseits des sichtbaren Lichts und 1939 das erste kommerzielle TEM mit Erfolg.
Großes TEM
Große Transmissionselektronenmikroskope (konventionelle TEM) verwenden im Allgemeinen eine Elektronenstrahlbeschleunigungsspannung von 80-300kV. Verschiedene Modelle entsprechen unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen des Elektronenstrahls. Die Auflösung hängt von der Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls ab, die 0.2-0.1 nm erreichen kann. High-End-Modelle können eine Unterscheidung auf atomarer Ebene erreichen.
Niederspannungs-TEM
Die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls (5 kV), die im kleinen Niederspannungs-TEM (Low-Voltage Electron Microscope, LVEM) verwendet wird, ist viel niedriger als die des großen TEM. Eine niedrigere Beschleunigungsspannung erhöht die Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der Probe und verbessert dadurch den Bildkontrast und Kontrast, besonders geeignet für Proben wie Polymere und Biologie; Gleichzeitig verursacht das Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop weniger Schäden an der Probe.
Die Auflösung ist geringer als die des großen Elektronenmikroskops, 1-2nm. Aufgrund der Niederspannung können TEM, SEM und STEM in einem Gerät kombiniert werden
Kryo-EM
Die Kryomikroskopie ist in der Regel mit Probengefriergeräten am gewöhnlichen Transmissionselektronenmikroskop ausgestattet, um die Probe auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) abzukühlen, der zur Beobachtung temperaturempfindlicher Proben wie Proteine und biologischer Schnitte verwendet wird. Durch das Einfrieren der Probe kann die Beschädigung der Probe durch den Elektronenstrahl verringert, die Verformung der Probe verringert und eine realistischere Probenform erhalten werden.
