Трансмиссионный электронный микроскоп (Просвечивающий электронный микроскоп, ТЭМ — TEM — англ. Transmission Electron Microscope) — вид электронного микроскопа который позволяет получать прямое изображение объекта с помощью электронного луча. Техника просвещение электронами (трансмиссии) тонких объектов позволяет получать разделение до 0,08 нм, а при использовании техники электронного корректировки аберрации — ТЕАМ (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope) получать разрешения и 0,05 нм.

Теоретические основы

По правилу Аббе предел разделения двух точек в оптическом микроскопе зависит от длины волны света, значение показателя преломления и половины угла открывания объектива:.

Трансмиссионный электронный микроскоп

где NA = n sin a.

По этому закону разрешение оптического микроскопа ограничена длиной волны видимого спектра света (400-700 нм.). Однако используя электроны как «источник света», и фиксируя картину на специальном экране возможно многократно увеличить разрешение. Длина волны электрона зависит от его скорости и созданной для его ускорения разности потенциалов (напряжения)

Трансмиссионный электронный микроскоп

где h, e, m 0, и E = m 0 c 2 = 511 кэВ являются соответственно постоянная Планка, заряд, масса и энергия покоя электрона. Итак по этой формуле можно найти длину волны электрона относительно рабочего напряжения:

U (кВ) v / c (пм)
100 0,548 3,70
3 часа 0,776 1,97
10 часов 0,941 0,87

Принцип работы

В трансмиссионном электронном микроскопе электроны проходят через объект, который для этого исследования должно быть достаточно тонким. Часто достаточна толщина от нескольких нанометров до микрометра, что зависит от порядкового номера атомов, входящих в состав объекта и величины напряжения для ускорения электронов. В камере микроскопа должен быть высокий вакуум (10 -7 мбар), для устранения взаимодействия электронов с молекулами воздуха. Для устранения примесей и создания высокого вакуума камеру дополнительно оборудуют сосудом охлажденной жидким азотом, как для конденсации примесей так и для охлаждения детектора анализа спектра рентгеновского излучения. Типичные напряжения составляют от 80 кВ до 400кВ, хотя напряжения ниже 200кВ используют для биологических объектов. Чем ниже напряжение и выше порядковое число атомов, тем тоньше должен быть объект. Пучок электронов выходит из источника катода — электронной пушки (как правило LaB 6) и ускоряется высоким напряжением, при этом для управления пучком используется система магнито-электрических конденсором-линз таким образом, чтобы он попадал параллельно на выбранный участок объекта.

При попадании на объект часть электронов рассеивается в зависимости от порядкового номера элемента или его окружение в кристаллические структуре. С помощью диафрагмы пропускаются НЕ рассеяны электроны и на экране (также на фотопленке или CCD сенсоре по определенной техникой) получается прямое изображение реальной структуры, которое можно использовать для интерпретации или расчетов.

Анализируя энергетический спектр эмиссии рентгеновского излучения (англ. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX), образующийся при взаимодействии электронного пучка и атомов объекта, дополнительно изучают также и его состав.

Изменяя фокусное плоскость объектива линз получают картину электронной дифракции участки кристаллического тела, что позволяет определять его кристаллическую структуру.

Трансмиссионный электронный микроскоп состоит из:

  • электронной пушки (источника электронов)
  • системы магнитных линз
  • системы детектирования электронов

Формирование изображения

Формирование изображения (контрастное изображение) в значительной степени зависит от режима работы тему. Комплекс методов визуализации, которые используют уникальную возможность смены изображения линзы или возможность отключения объектива, разрешена для многих режимов работы. Эти режимы могут быть использованы для получения информации, которая представляет особый интерес для исследователя.

Изображения в светлом поле

Самым распространенным режимом работы ТЭМ является светлый режим визуализации поля. В этом режиме особенностью является то, если их рассматривать классически, что изображение формируется непосредственно с закупорки и поглощения электронов в образце. Толще регионы образца, или регионы с большим атомным номером появятся темными, в то время как регионы, без образца в направлении прохождения луча появятся ярким (светлым) — отсюда и термин "светлом поле". Изображение, по сути считается простой двумерной проекцией образца к оптической оси, и в первом приближении может быть смоделирована с помощью закона Бэра, сложный анализ вимагаюе моделирования образца включая фазовую информацию.

Изображение в темном поле

Образцы могут проявлять дифракционный контраст, при котором пучок электронов испытывает Бреговская рассеяния, в случае кристаллического образца, рассеивает электроны на отдельные места в задней фокальной плоскости. Если разместить отверстия в задней фокальной плоскости, то есть апертура объекта, желательно Бреговская отображения может быть выбрано (или исключено), таким образом только та часть образца вызывающей рассеяния электронов на соответствующие изображения будет отображаться (проецировать изображение) на экран. Если изображение взятых не включают нерассеянных лучей (которые появятся в в фокусе объектива), то изображение будет выглядеть темным там где не происходит рассеяния на образце по отношению к выбранному пика. Это называется изображением в темном поле.

Биологические объекты

Для биологических объектов необходимо проводить специальную подготовку, которая зависит от поставленных задач:

  • Фиксирования объекта — используют ґлютаральдегид (CH 2 (CH 2 CHO) 2) для фиксирования и тетроксид осмия для тоже для фиксирования и окрашивания липидов
  • Криофиксация — шоковое замораживание объекта жидким этаном при -135 ° C, при этом вода не кристаллизуется, а образует стекловидный лед.
  • Дегидратации — замещение воды в объекте этанолом или ацетоном.
  • Фиксирования объекта в акриловых смол.
  • Секционирования — разделение на тонкие слои (разрезанием)
  • Использование тяжелых атомов для концентрации в определенных участках — увеличение таким образом контраста.
  • High-Pressure-Freezing (HPF) — замораживание при высоком давлении. Используют в электронной микроскопии иммунной системы.

Изображения по теме

  • Трансмиссионный электронный микроскоп
  • Трансмиссионный электронный микроскоп
  • Трансмиссионный электронный микроскоп