آشنایی با میکروسکوپ الکترونی (روبشی و انتقالی)

   میکروسکوپ الکترونی:

میکروسکوپ الکترونی قادر است که اجزاء بسیار کوچک را در یک تصویر که میکرو گراف الکترونی نامیده می‌شود، چاپ کند. عیب اصلی روش این است که لازم است نمونه‌هایی که باید دیده شوند در یک قفل هوایی قرار گیرند تا شرایط خلأ داخلی حفظ شود. این بدان معنا است که هیچ ماده‌ی زنده‌ای نمی‌تواند مورد بررسی قرار گیرد. همچنین نمونه‌ها لازم است برای ارائه جزئیات کامل به‌صورت خاصی مانند منجمد شدن، تثبیت شدن و یا بدون آب آماده شود که ممکن است منجر به تولید محصولات مصنوعی گردد. این مسئله مشکل تشخیص محصولات مصنوعی از ماده موردنظر را به‌خصوص در نمونه‌های زیستی بالا می‌برد.

دو نوع اصلی میکروسکوپ الکترونی میکروسکوپ پویش الکترونی(SEM) و میکروسکوپ عبور الکترونی(TEM) هستند.

1.    میکروسکوپ پویش الکترونی

Scanning Electron Microscopy

اصول:

 به‌طور خلاصه میکروسکوپ پویش الکترونی(SEM) الکترون‌هایی که از نمونه منعکس می‌شوند را تصویربرداری می‌کند. این تصاویر برای مطالعه ریخت‌شناسی سطحی و یا اندازه‌گیری ذرات مفید می‌باشد. SEM تصاویر را به وسیله تشخیص الکترون‌های ثانویه که از سطح به واسطه تهیج توسط پرتو الکترون اولیه منتشر می‌شود ایجاد می‌کند. به‌طورکلی دقت SEM حدود یک‌مرتبه کم‌تر از دقت TEM است، اما چون تصویر SEM متکی به فرایندهای سطحی است تا انتقال، می‌تواند برای تصویربرداری نمونه‌های توده بکار رود و نیز عمق دید خیلی بیشتری دارد و بنابراین، می‌تواند تصاویری ایجاد کند که نشانه مناسبی از ساختار سه‌بعدی نمونه باشد.

 SEM دو مزیت مهم نسبت‌به میکروسکوپ معمولی دارد:

·       بزرگ‌نمایی بیشتر

·       عمق بزرگ‌تر میدان که سبب می‌شود تا آزمایش نمونه ساده‌تر صورت گیرد.

منبع:

یک تفنگ الکترونی، پرتویی از الکترون را رها می‌کند که به وسیله تحمیل یک ولتاژ بالا یک رشته تنگستن داغ تولید می‌شود و الکترون‌های منتشر شده به واسطه میدان الکتریکی بالا 10-50 کیلو ولت شتاب می‌گیرند. سپس پرتو الکترون با عدسی‌های میدان مغناطیسی به سوی لکه صد نانومتری یا کم‌تر بر روی نمونه متمرکز می‌شود ستون میکروسکوپ تحت خلأ بالا است.

نمونه:

هنگام استفاده از یک SEM، معمولاً نمونه‌های زیستی ابتدا با یک فلز مثل طلا که به‌آسانی الکترون‌ها را منعکس می‌کند، پوشیده می‌شود. این پوشش دادن همچنین یک سطح هادی را برای الکترون‌ها به‌منظور جلوگیری از بار کردن نمونه فراهم می کند. SEM یک منتشرکننده الکترون با ولتاژ بالا دارد که پرتویی از الکترون‌ها را به سمت پایین ستون که در خلأ خیلی بالا می‌باشد، بر روی نمونه برای تشکیل تصویر پرت می‌کند. بنابراین نظاره‌گر، عکس سطح نمونه را بدون هیچ اطلاعات داخلی می‌بیند. نمونه پس‌از آماده شدن، بر روی یک سکوی مشبک نمونه سوار می‌گردد.

تمایز گر:

پرتوی الکترونی در امتداد نمونه از طریق سیم‌پیچ‌های پویشی با افزایش خطی ولتاژ بر روی صفحات انحراف x  و yکه پرتوی الکترون ها از آن‌ها عبور می‌کند، نیز می‌گذرد. محورx  مسیر پرتو الکترونی است.

آشکارسازها:

نمونه می‌تواند به وسیله توزیع معکوس الکترون‌ها، الکترون‌های ثانویه و یا حتی پرتوهایx  منتشر شده توسط نمونه نیز دیده شود. هر نوع تشخیص می‌تواند اطلاعات مختلفی را درباره نمونه بدست دهد.

برون‌داد:

کامپیوتر، سیم‌پیچ‌های پویشی را کنترل می‌کند و داده‌های دریافت شده به وسیله آشکارسازها را عمل‌آوری کرده و نشان می‌دهد.

اطلاعات بدست آمده:

میکروسکوپ پویش الکترونی اطلاعات کیفی زیر را به دست می‌دهد:

·       مکان نگاری: خصوصیات سطحی شی و بافت آن

·       ریخت‌شناسی: شکل، اندازه و ترتیب ذرات تشکیل‌دهنده‌ی شیء که بر روی سطح نمونه قرار دارند

·       ترکیب: عناصر و ترکیبات سازنده نمونه با ضرایب نسبی آن‌ها؛ درصورتی‌که مجهز باشد.

 همه خصوصیات در ناحیه اندازه نانومتر می‌باشند. همچنین کسب اطلاعات بلورشناسی در SEM به‌عنوان مثال، ترتیب یا آرایش اتم‌ها در نمونه و میزان نظم آن‌ها نیز امکان‌پذیر می‌باشد. تنها درمورد ذرات بلوری منفرد بزرگ تر از ۲۰ میکرومتر مفید است.

پیشرفت‌ها و روش‌های ویژه:

نوآوری‌های اخیر در میکروسکوپ الکترونی SEM زیست‌محیطی است که امکان مطالعه نمونه‌ها در فشارها و رطوبت‌هایی که شرایط محیط را دارند به دست می‌دهد. برای رسیدن به این شرایط، چندین مرحله پمپ شدن تفاضلی بین تفنگ الکترونی و نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرند و خود نمونه در خلأ چند ۱۰۰ پاسکالی قرار می‌گیرد.

 SEM زیست‌محیطی می‌تواند مواد بسیاری را بدون آماده‌سازی قبلی برخلاف SEM مرسوم قدیمی نیز آزمایش کند، نمونه‌ها باید جامد، خشک و معمولاً هادی الکتریسیته باشند. اکنون این مسئله امکان مطالعات طبیعی، سطوح تازه‌ خالص و همچنین نمونه‌هایی از قبیل پلیمرها، بافت‌ها و سلول‌های زیستی، غذا و داروها و مواد قضایی را فراهم می‌سازد.

 یک آشکارساز جدید الکترونی ثانویه زیست‌محیطی (ESED) به‌وسیله‌ی هیتاچی برای دستگاه SEM این شرکت تولید شده‌است. این آشکارساز تقریباً از آشکارساز معمول الکترونی ثانویه برای دادن اطلاعات سطحی مناسب تقلید می‌کند. ESED جدید یون‌ها را مانند الکترون‌ها برداشته، اثر قوی با یون‌ها ایجاد می‌کند و تصویری با کیفیت بهتر را بدست می‌دهند.

 امروزه SEM ها اغلب به یک سیستم تجزیه پراکنده ساز انرژی اشعه x یا EDX برای تجزیه عنصری نمونه‌های خاص مجهز شده‌اند. برای مثال آزمایش آزمایشگاه جرم‌شناسی استاندارد، برای شناسایی باقی‌مانده گلوله بر مبنای به‌کارگیری یک میکروسکوپ الکترونی مجهز شده به تجزیه‌گر EDX استوار می‌باشد.

 کاربردها:
SEM برای تصویربرداری مولکول‌های DNA نشانه‌گذاری شده با نانوذرات طلایی مورد استفاده قرار گرفته است. این تکنیک امکان شمارش و بنابراین اندازه‌گیری کمی مولکول‌های موردنظر را می‌دهد. SEM با EDX نیز برای اندازه‌گیری ذرات معلق در هوای اتاق را به‌کارگرفته است. اندازه، مکان نمایی و ترکیب شیمیایی بیشتر از ۲ هزار ذره تعیین شده‌اند. SEM همچنین برای مطالعه مواد زمین‌شناسی الیاف و ساختار بلوری مفید می‌باشند.

2.    میکروسکوپ انتقال الکترونی

Transmission Electron Microscopy

 اصول:

 میکروسکوپ عبور الکترونی(TEM) الکترون‌هایی که از میان نمونه می‌گذرند را تصویربرداری می‌کند. از آن‌جایی‌که الکترون‌ها شدیداً با ماده برهم‌کنش می‌کنند، لذا موقعی که از میان یک ماده عبور می‌کنند، تضعیف می‌شوند؛ برای این مورد نیاز است که نمونه‌ها در بخش‌های بسیار نازک تهیه شوند. تصویر نمونه‌ها بر پرده ای درخشان که در زیر نمونه است، مشاهده می‌گردد و می‌تواند با فیلم عکاسی ثبت شود. به‌طورکلی قدرت تفکیک TEM 0.5 نانومتر است در حدود ۱۰ برابر بهتر از قدرت تفکیک SEM ۱۰ نانومتر است.

 منبع:

 مانند SEM یک تفنگ الکترونی پرتو الکترونی را آزاد کرده و ستون میکروسکوپ نیز تحت خلأ زیاد می‌باشد.

 نمونه:

 TEM یک تصویر ایجاد می‌کند که طرحی از تمام شیء شامل سطح و ساختارهای داخلی آن است. پرتوی الکترونی ورودی دراین‌میان در تمام ضخامت نمونه عبور می‌کند و با آن اندرکنش می‌دهد( شبیه پرتوافکن اسلایدی). ستون TEM مانند SEM تحت خلأ زیاد است. اشیاء با ساختارهای درونی متفاوت می‌توانند از هم متمایز شوند، زیرا طرح‌های متفاوتی بدست می‌دهند. به‌هرحال تصویر ۲ بعدی است و اطلاعات عمقی در ساختارها از دست می‌رود. افزون ‌بر این لازم است که نمونه‌ها کوچک‌تر یا مساوی ۱ میکرومتر باشند و یا آن‌ها مقدار خیلی زیادی از پرتو الکترونی را جذب خواهند کرد. نمونه آماده شده بر روی سکوی مشبک نمونه سوار می‌شود.

 تمایز گر:

 یک کنترل‌کننده برای پویش در امتداد نمونه مورداستفاده قرار می‌گیرد.

 آشکارساز :

تصویر به صفحه درخشان برخورد کرده و باعث ایجاد نور می‌شود و امکان دیدن تصویر را به کاربر می‌دهد. اطلاعات پراشی نیز بر روی پایگاه‌های جداگانه تصویربرداری می‌شوند. میکروسکوپ‌های TEM می‌توانند از اتم‌های جداگانه و محل قرارگیری نسبی آن‌ها تصویربرداری کنند و اطلاعات ترکیبی روی ناحیه مورد نظر را به دست بدهند.

برون‌داد:

 کامپیوتر سیم‌پیچ‌های پویشی را کنترل می‌کند و نیز اطلاعات رسیده از آشکارساز را عمل‌آوری می‌کند.

 اطلاعات به‌دست‌آمده:

 TEM اطلاعات کیفی ذیل را می‌دهد:

·       ریخت‌شناسی یا اطلاعات ساختاری: اندازه، شکل و ترتیب ذرات یا فازهایی که شخص/ نمونه را می‌سازند.

·       اطلاعات بلور نگاری: ترتیب اتم ها در نمونه، درجه نظم آن‌ها و هرگونه نقایص

·       چنانچه مجهز شده باشد، اطلاعات ترکیبی: عناصر و ترکیباتی که نمونه از آن‌ها تشکیل شده‌اند و ضرایب نسبی آن‌ها

·       همه این خصوصیات در حدود اندازه کم‌تر از نانومتر می‌باشد

 پیشرفت‌ها و روش‌های تخصصی:

اکنون امکان تهیه میکروسکوپ‌های پویشی انتقال الکترونی STEMsوجود دارد. با یک STEMالکترون‌ها در امتداد نمونه می‌گذرند، اما مانندSEM، چشم‌های الکترونی پرتو را درون لکه باریک که بر روی نمونه در محل تصویر پویش می‌شود، متمرکز می‌کنند. این موارد سبب می‌شود که میکروسکوپ‌ها برای روش‌های تجزیه‌ای مانند نقشه‌برداری اسپکتروسکوپی اشعه ایکس پراکنده ساز انرژی (EDX) در بین انواع دیگر نیز مناسب باشند. همچنین قدرت تفکیک در جدیدترین دستگاه‌های STEM کم‌تر از یک آنگسترم است.

یک روش میکروسکوپی دمای برودتی عبور الکترونی (Cryo-TEM) توسط زیست‌شناسان برای چند سال به‌کارگرفته شده‌است، اما امروزه نیز به وسیله شیمیدان‌ها برای آزمایش در محدوده وسیعی از نمونه‌ها بکار می‌رود. Cryo-TEM مستلزم سرد شدن سریع فیلم باریکی از نمونه مایع و انتقال آن به داخل TEM است که در دمای برودتی نگه داری می‌شود، نیز می‌باشد. این روش می‌تواند برای دیدن پلیمرها، لیپیدها، مواد فعال سطحی و سوسپانسیون های C-60 بکار رود.

کاربردها:

 ازآن‌جاکه پرتو الکترونی درطول نمونه سیر می‌کند، TEM درون گونه/ نمونه را آشکار می‌سازد. این تکنیک اغلب برای مطالعه نمونه‌های فیزیکی چون کانی‌ها و سنگ‌ها در زمین‌شناسی، و مواد جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد، همچنین برای انواع بسیاری از نمونه‌های زیست‌شناسی، شیمیایی و زیست‌محیطی مناسب است.

اما محدودیت اصلی آن در توانایی تهیه بخش‌های به اندازه کافی باریک است که بتواند پرتوی الکترونی در طول آن بگذرد. یک مطالعه زیست‌محیطی TEMرا برای شناسایی و اندازه‌گیری کمی ذرات معدنی در محدوده اندازه کلوئیدی با کاربرد یک روش آسان آماده‌سازی نمونه (سانتریفیوژ مستقیم نمونه در شبکه‌های میکروسکوپ انتقال الکترونی) در ترکیب تجزیه ذره‌ای با استفاده از TEMوEDX بکار برده است. در مطالعه زیست‌محیطی دیگر ذرات خاکستر خیلی نرم کوچک‌تر از ۱۰۰ نانو متر در سه خاکستر بادی زغالی مورد آزمون قرار گرفتند. فازهای کریستال تا حد اندازه ۱۰ نانومتر، مورد شناسایی قرار گرفتند.