กล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์คืออะไร?

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นกล้องจุลทรรศน์ที่สังเกตตัวอย่างโดยการฉายรังสีด้วยลำอิเล็กตรอน เนื่องจากความยาวคลื่นของลำอิเล็กตรอนสั้นมาก จึงเป็นไปได้ที่จะเห็นภาพโครงสร้างที่ละเอียดมากซึ่งไม่สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง มีสองประเภท: ประเภทหนึ่งที่ส่งสัญญาณการส่งผ่านของลำอิเล็กตรอนออกมาเป็นภาพ และประเภทอื่นที่สร้างภาพสัญญาณที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำอิเล็กตรอนกับตัวอย่าง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีจำหน่ายทั่วไปจำนวนมากได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการดูวัสดุอุตสาหกรรมและตัวอย่างทางชีววิทยาตามลำดับ

องค์ประกอบหลักที่ประกอบเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ได้แก่ แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน เลนส์ และตัวตรวจจับ สิ่งเหล่านี้คล้ายกับองค์ประกอบของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง แต่หลักการทำงานของมันแตกต่างกันมาก ขั้นแรก ลำอิเล็กตรอนจะอ่อนลงและหายไปทันทีที่ชนกับโมเลกุลในอากาศ ดังนั้นการสร้างลำอิเล็กตรอนและการฉายรังสีจะต้องดำเนินการในสุญญากาศ ประการที่สอง เลนส์แก้วที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไปมีความโปร่งใสต่อลำอิเล็กตรอน ดังนั้น ในการหักเหลำแสงอิเล็กตรอน จึงใช้เลนส์แม่เหล็ก ซึ่งใช้สนามแม่เหล็กในการโฟกัสลำอิเล็กตรอน เลนส์แม่เหล็กมีลักษณะพิเศษคือมีความคลาดเคลื่อนทางแสงมาก และเพื่อปรับปรุงสิ่งนี้ จึงได้รับการออกแบบให้มีรูรับแสงตัวเลขขนาดเล็ก ซึ่งช่วยให้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีระยะโฟกัสที่ลึก ทำให้สามารถสังเกตการณ์เชิงลึกสามมิติได้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบ่งส่วนใหญ่ออกเป็นสองประเภทดังต่อไปนี้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM)
ใน TEM ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกส่งผ่านตัวอย่าง และได้รับความเปรียบต่างจากการลดทอน ด้วยเหตุนี้จึงต้องเตรียมตัวอย่างให้บางมาก แรงดันไฟฟ้าที่เร่งอิเล็กตรอนเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าเร่ง และที่แรงดันไฟฟ้าเร่ง 300 kV ความยาวคลื่นของอิเล็กตรอนคือ 0.00197 นาโนเมตร และความละเอียดถึง 0.1 นาโนเมตร ซึ่งแปลว่ามีกำลังขยายสูงสุด 800,000 เท่า ซึ่งหมายความว่ามีความละเอียดมากกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงถึง 800 เท่า TEM สังเกตอิเล็กตรอนที่ส่งผ่านภายในตัวอย่าง ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการสังเกตโครงสร้างผลึกภายในตัวอย่าง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM)
ใน SEM เมื่อตัวอย่างถูกฉายรังสีด้วยลำอิเล็กตรอนในสุญญากาศ อิเล็กตรอนทุติยภูมิ อิเล็กตรอนที่สะท้อนกลับ รังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะ ฯลฯ จะถูกปล่อยออกมา SEM สแกนลำแสงอิเล็กตรอนและตรวจจับอิเล็กตรอนทุติยภูมิและสัญญาณอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายกลับเพื่อสร้างภาพ เนื่องจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิถูกสร้างขึ้นใกล้กับพื้นผิวตัวอย่าง ภาพอิเล็กตรอนทุติยภูมิจึงเหมาะสำหรับการสังเกตความผิดปกติเล็กน้อยบนตัวอย่าง ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนที่สะท้อนคืออิเล็กตรอนที่ชนกับอะตอมในตัวอย่างและถูกเด้งกลับ และจำนวนของมันขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของตัวอย่าง ภาพอิเล็กตรอนแบบกระจายกลับเหมาะสำหรับการประเมินการกระจายตัวขององค์ประกอบบนพื้นผิวตัวอย่าง

เมื่อลำอิเล็กตรอนกระทบกับตัวอย่าง อะตอมบนพื้นผิวจะตื่นเต้นและปล่อยอิเล็กตรอนออกมา อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมานี้เรียกว่าอิเล็กตรอนทุติยภูมิ ใน SEM ภาพจะได้มาจากการสแกนจุดความเข้มของอิเล็กตรอนทุติยภูมิเหล่านี้

การใช้งานกล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์

ในเขตอุตสาหกรรม ใช้เพื่อตรวจสอบสาเหตุโดยการวิเคราะห์พื้นผิวการแตกหักของชิ้นส่วนโลหะที่เสียหาย และทำการตรวจสอบคุณภาพโดยสังเกตพื้นผิวที่กลึง นอกจากนี้ จากการสังเกตเครือข่ายของพอลิเมอร์ระดับโมเลกุลสูง เราจะสามารถตรวจสอบคุณสมบัติทางกลและประเมินการปนเปื้อนของสิ่งเจือปนได้ ในสาขาวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต เราจับคู่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทโดยการแสดงภาพโครงสร้างจุลภาคของอวัยวะขนาดเล็กภายในเซลล์และสังเกตเซลล์ประสาทที่พันกันอย่างประณีต นอกจากนี้ยังได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2560 เนื่องจากเป็นที่ชัดเจนว่าสามารถนำไปใช้กับการวิเคราะห์โครงสร้างของโปรตีนโดยการปรับสภาพอย่างง่ายบนตัวอย่าง

รวมข้อมูลเกี่ยวกับบริษัทการค้า