กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของซีเมนส์รุ่นปี 1973 ใน Musée des Arts et Métiers, กรุงปารีส

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (อังกฤษ: Electron microscope) เป็นกล้องจุลทรรศน์แบบหนึ่งที่ใช้อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็วเป็นแหล่งที่มาของการส่องสว่าง เนื่องจากอิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่าโฟตอนของแสงที่มนุษย์มองเห็นได้ถึง 100,000 เท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงมีกำลังขยายสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและสามารถเปิดเผยให้เห็นโครงสร้างของวัตถุที่มีขนาดเล็กมากๆได้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านสามารถให้รายละเอียดได้สูงถึง 50 picometre[1] และมีกำลังการขยายได้ถึงประมาณ 10,000,000 เท่า ขณะที่ส่วนใหญ่ของกล้องจุลทรรศน์แบบแสงจะถูกจำกัดโดยการเลี้ยวเบนของแสงที่ให้ความละเอียดประมาณ 200 นาโนเมตรและกำลังขยายที่ใชการได้ต่ำกว่า 2000 เท่า

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านใช้เลนส์ไฟฟ้าสถิตและแม่เหล็กไฟฟ้า (อังกฤษ: electrostatic and electromagnetic lenses) ในการควบคุมลำแสงอิเล็กตรอนและโฟกัสมันเพื่อสร้างเป้นภาพ เลนส์แสงอิเล็กตรอนเหล่านี้เปรียบเทียบได้กับเลนส์แก้วของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงออปติคอล

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกนำไปใช้ในการตรวจสอบโครงสร้างขนาดเล็กมากๆของตัวอย่างทางชีวภาพและอนินทรีที่หลากหลายรวมทั้งจุลินทรีย์ เซลล์ชีวะ โมเลกุลขนาดใหญ่ ตัวอย่างชิ้นเนื้อ โลหะ และคริสตัล ด้านอุตสาหกรรมกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมักจะใช้สำหรับการควบคุมคุณภาพและการวิเคราะห์ความล้มเหลว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ทันสมัยสามารถผลิตภาพถ่ายขนาดจิ๋วแบบอิเล็กตรอน (อังกฤษ: electron micrograph) โดยใช้กล้องดิจิตอลแบบพิเศษหรือ frame grabber (อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกที่ใช้จับภาพนิ่งจากสัญญาณวิดีโอแอนะลอกหรือดิจิตอล) ในการจับภาพ

ประวัติ[แก้]

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสร้างโดย Ernst Ruska ในปี 1933
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนรุ่นตั้งโต๊ะ RCA Model EMT3 ปี 1950

เลนส์แม่เหล็กไฟฟ้าตัวแรกได้รับการพัฒนาในปี 1926 โดยนักฟิสิกซ์ Hans Busch[2]

อ้างถึง Dennis Gabor ในปี 1928 นักฟิสิกส์ Leó Szilárd ได้พยายามที่จะโน้มน้าวให้ Busch ทำการสร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนตัวหนึ่งที่เขาจะได้ยื่นจดสิทธิบัตร[3]

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Ernst Ruska และวิศวกรไฟฟ้า Max Knoll ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนต้นแบบในปี 1931 มีกำลังการขยายสี่ร้อยเท่า อุปกรณ์นี้ได้สาธิตหลักการของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นครั้งแรก[4] อีกสองปีต่อมาในปี 1933 Ruska ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีความคมชัดเกินกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบแสงสามารถทำได้[4] นอกจากนี้ Reinhold Rudenberg ผู้อำนวยการทางวิทยาศาสตร์ของ Siemens-Schuckertwerke ได้รับสิทธิบัตรสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในเดือนพฤษภาคม 1931

ในปี 1932 Ernst Lubcke แห่ง Siemens & Halske ได้สร้างภาพออกมาได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนต้นแบบ เป็นการประยุกต์ใช้แนวคิดที่ได้อธิบายเอาไว้ในการยื่นขอจดสิทธิบัตรของ Rudenberg[5] ห้าปีต่อมา (1937) บริษัทได้ให้ทุนกับงานของ Ernst Ruska และ Bodo von Borries และว่าจ้าง Helmut Ruska (น้องชายเอิร์นส์) ในการพัฒนาแอปพลิเคชันสำหรับกล้องจุลทรรศน์โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับตัวอย่างทางชีวภาพ[4][6] เช่นกันในปี 1937 Manfred von Ardenne ได้บุกเบิกกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (อังกฤษ: scanning electron microscope (SEM))[7] กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน"ในทางปฏิบัติ"ตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1938 ที่มหาวิทยาลัยโตรอนโตโดย Eli Franklin Burton และนักเรียน Cecil Hall James Hillier และ Albert Prebus จากนั้นซีเมนส์ได้ผลิตกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) เชิงพาณิชย์ตัวแรกในปี 1939[8] แม้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนร่วมสมัยมีกำลังการขยายถึงสองล้านเท่าก็ตาม ในฐานะที่เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ พวกมันยังคงขึ้นอยู่กับต้นแบบของ Ruska

ประเภท[แก้]

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านที่ทันสมัย

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM)[แก้]

บทความหลัก: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) เป็นรูปแบบเดิมของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน มันใช้ลำแสงอิเล็กตรอนไฟฟ้าแรงสูงในการสร้างภาพ ลำแสงอิเล็กตรอนถูกผลิตโดยปืนอิเล็กตรอนที่ทั่วไปแล้วได้ติดตั้งแคโทดที่มีไส้หลอดเป็นทังสเตนเพื่อเป็นแหล่งที่มาของอิเล็กตรอน ลำแสงอิเล็กตรอนถูกเร่งความเร็วโดยขั้วบวกปกติที่ 100 กิโลอิเล็กตรอนโวลท์ (kev) (40-400 kev) เมื่อเทียบกับแคโทด จากนั้นลำแสงจะถูกโฟกัสโดยเลนส์ไฟฟ้าสถิตและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและส่องผ่านชิ้นงานที่มีบางส่วนที่โปร่งใสกับอิเล็กตรอนและบางส่วนกระจายลำแสงออกไป เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนผ่านพ้นออกมาจากชิ้นงานมันจะเก็บข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของชิ้นงานออกมาด้วยซึ่งจะมีการขยายโดยระบบเลนส์วัตถุประสงค์ (อังกฤษ: objective lens) ของกล้องจุลทรรศน์นั้น การเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ในข้อมูลนี้ ("ภาพ") อาจสามารถดูได้โดยการฉายภาพอิเล็กตรอนที่ถูกขยายแล้วนี้ลงบนหน้าจอดูเรืองแสงที่เคลือบด้วยวัสดุสารเรืองแสงหรือ scintillator เช่นสังกะสีซัลไฟด์ หรืออีกทางเลือกหนึ่งภาพสามารถถูกบันทึกได้แบบการถ่ายรูปโดยการฉายแสงอิเล็กตรอนโดยตรงลงบนแผ่นฟิล์มถ่ายรูป หรือสารเรืองแสงความละเอียดสูงอาจต่อเข้ากับตัวรับแสงของกล้องถ่ายรูปที่ใช้ CCD (อุปกรณ์ถ่ายเทประจุ) ด้วยระบบเลนส์ออปติคอลหรือตัวนำแสงแบบใยแก้ว ภาพที่จับได้โดย CCD อาจจะแสดงบนหน้าจอคอมพิวเตอร์

ความละเอียดของ TEM ถูกจำกัดเป็นส่วนใหญ่โดยความผิดปกติแบบทรงกลม (อังกฤษ: spherical aberration) (การหักเหของแสงตามขอบเลนส์) แต่รุ่นใหม่ของตัวแก้ความผิดปกติสามารถเอาชนะการผิดปกติแบบทรงกลมเหล่านั้นได้เพื่อเพิ่มความละเอียด การแก้ไขด้วยฮาร์ดแวร์ของความผิดปกติแบบทรงกลมสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงแบบส่องผ่าน (อังกฤษ: high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM)) สามารถผลิตภาพที่มีความละเอียดต่ำกว่า 0.5 อังสตรอม (50 picometres)[1] และกำลังขยายสูงกว่า 50 ล้านเท่า[9] ความสามารถในการกำหนดตำแหน่งของอะตอมภายในวัสดุได้ทำให้ HRTEM เป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการวิจัยและการพัฒนาด้านนาโนเทคโนโลยี[10]

โหมดที่สำคัญของการใช้ TEM คือการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน (อังกฤษ: electron diffraction) ข้อดีของการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่เหนือกว่าเทคนิคของผลึกวิทยา (อังกฤษ: X-ray crystallography) อยู่ที่ชิ้นงานไม่จำเป็นต้องเป็นผลึกเดี่ยวหรือแม้กระทั่งเป็นผงผลึก (อังกฤษ: polycrystalline powder) และนอกจากนี้การฟื้นฟูโครงสร้างด้วยการแปลงแบบฟูริเยร์ (อังกฤษ: Fourier transform reconstruction) ของโครงสร้างที่ถูกขยายแล้วของวัตถุจะเกิดขึ้นทางกายภาพ จึงหลีกเลี่ยงความจำเป็นสำหรับการแก้ปัญหาแบบเฟส (อังกฤษ: phase problem) ที่ต้องเผชิญกับ X-ray crystallographers หลังจากได้รับรูปแบบ X-ray diffraction ของผลึกเดี่ยวหรือผงผลึกของพวกมัน ข้อเสียที่สำคัญของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านคือความจำเป็นสำหรับตัวอย่างที่ต้องใช้ส่วนที่บางมากโดยทั่วไปประมาณ 100 นาโนเมตร ตัวอย่างทางชีวภาพโดยทั่วไปจะต้องคงที่ทางเคมี แห้งและถูกฝังตัวอยู่ในเรซินลิเมอร์เพื่อรักษาเสถียรภาพของพวกมันให้พอที่จะยอมให้ตัดเซ็กชั่นอย่างบางเฉียบได้ เซ็กชั่นของตัวอย่างทางชีวภาพ โพลิเมอร์อินทรีย์และวัสดุที่คล้ายกันอาจจะต้องการการดูแลเป็นพิเศษด้วยป้ายชื่ออะตอมหนักเพื่อให้ได้ความคมชัดของภาพตามที่ต้องการ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM)[แก้]

บทความหลัก: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

ภาพของมดในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

ไม่เหมือนกับแบบ TEM ที่อิเล็กตรอนของลำแสงไฟฟ้าแรงสูงจะเก็บภาพของชิ้นงาน, ลำแสงอิเล็กตรอนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM)[11] ไม่ได้เก็บภาพที่สมบูรณ์ของชิ้นงานได้ตลอดเวลา SEM จะผลิตภาพโดยตรวจสอบชิ้นงานโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสให้กราด(สแกน)ไปทั่วพื้นที่สี่เหลี่ยมของชิ้นงาน (เหมือนการสแกนจอภาพ CRT (อังกฤษ: raster scan)) เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับชิ้นงาน มันจะสูญเสียพลังงานตามความหลากหลายของกลไก พลังงานที่หายไปจะถูกแปลงเป็นรูปแบบทางเลือกอื่นเช่นความร้อน การปล่อยอิเล็กตรอนทุติยภูมิพลังงานต่ำและอิเล็กตรอนสะท้อนกลับพลังงานสูง การปล่อยแสง (cathodoluminescence) หรือการเปล่งรังสีเอกซ์ พลังงานทั้งหมดเหล่านี้เป็นสัญญาณของข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของพื้นผิวของชิ้นงาน เช่นรูปร่างและองค์ประกอบของมัน ภาพที่แสดงโดย SEM จะแปลความเข้มที่แตกต่างใดๆของสัญญาณเหล่านี้ให้เป็นภาพที่อยู่ในตำแหน่งที่สอดคล้องกับตำแหน่งของลำแสงบนชิ้นงานตอนที่สัญญาณถูกสร้างขึ้น ในภาพ SEM ของมดที่แสดงทางด้านขวา ภาพถูกสร้างขึ้นมาจากสัญญาณที่ผลิตโดยเครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนทุติยภูมิซึ่งเป็นโหมดการสร้างภาพปกติหรือทั่วไปใน SEMs ส่วนใหญ่

โดยทั่วไปความละเอียดของภาพจาก SEM มีความคมชัดด้อยกว่าของ TEM อย่างไรก็ตามเนื่องจากภาพ SEM เป็นกระบวนการที่เกิดบนพื้นผิวมากกว่าการส่องผ่าน มันจึงสามารถที่จะสร้างภาพตัวอย่างที่เป็นกลุ่มได้ในขนาดหลายเซนติเมตรขึ้นไปและ (ขึ้นอยู่กับการออกแบบและการตั้งค่าของเครื่องมือ) มีความลึกของสนามที่สูง ดังนั้นมันจึงสามารถผลิตภาพที่มีการแสดงที่ดีของรูปทรงสามมิติของกลุ่มตัวอย่าง ประโยชน์ของ SEM อีกประการหนึ่งคือความหลากหลายของมันที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสิ่งแวดล้อม (อังกฤษ: environmental scanning electron microscope (Esem)) ที่สามารถผลิตภาพที่มีคุณภาพและความละเอียดเพียงพอสำหรับกลุ่มตัวอย่างที่เปียกหรือถูกเก็บอยู่ในสูญญากาศหรือก๊าซต่ำ อุปกรณ์นี้จะช่วยอำนวยความสะดวกในการถ่ายภาพตัวอย่างทางชีวภาพที่มีความไม่แน่นอนในสูญญากาศสูงของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเดิม

สี[แก้]

ในคอนฟิกูเลชั่นที่พบมากที่สุดของพวกมันกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนผลิตภาพที่มีค่าความสว่างเดียวต่อพิกเซลโดยผลลัพธ์ที่ได้แสดงผลมักจะอยู่ในระดับสีเทา[12] อย่างไรก็ตามบ่อยครั้งที่ภาพเหล่านี้จะทำเป็นสีโดยใช้ซอฟแวร์ที่มีการตรวจสอบคุณลักษณะหรือง่ายๆเพียงแค่ใช้มือด้วยโปรแกรมแก้ไขภาพกราฟิก วิธีนี้มักจะทำเพื่อความสวยงามหรือสำหรับการอธิบายโครงสร้างและโดยทั่วไปก็ไม่ได้เพิ่มข้อมูลใดๆเกี่ยวกับตัวอย่าง[13]

ในบางคอนฟิกูเลชั่นข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของชิ้นงานถูกรวบรวมต่อพิกเซล ปกติโดยการใช้เครื่องตรวจจับหลายชั้น[14] ใน SEM คุณลักษณะของรูปร่างและความคมชัดแบบวัสดุสามารถสร้างภาพได้โดยใช้เครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนสะท้อนกลับหนึ่งคู่และคุณลักษณะดังกล่าวสามารถซ้อนทับในภาพสีภาพเดียวโดยการกำหนดสีหลักที่แตกต่างกันไปแต่ละคุณลักษณะ[15] ในทำนองเดียวกันการรวมกันของสัญญาณอิเล็กตรอนสะท้อนกลับและทุติยภูมิสามารถกำหนดให้มีสีที่แตกต่างกันและซ้อนทับกันบน Micrograph สีเดียวที่แสดงคุณสมบัติของชิ้นงานพร้อมกัน[16]

ในวิธีการที่คล้ายกัน อิเล็กตรอนทุติยภูมิและเครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนสะท้อนกลับมีการซ้อนทับกันและสีหนึ่งได้ถูกกำหนดให้ในแต่ละภาพที่จับได้โดยแต่ละเครื่องตรวจจับ ทำให้ได้ผลในตอนท้ายเป็นภาพสีผสมที่สีทั้งหลายมีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของส่วนประกอบต่างๆ วิธีการนี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็น SEM แบบมีสีที่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น (อังกฤษ: Density-dependent colour SEM (DDC-SEM)) ภาพ micrograph ที่ผลิตโดย DDC-SEM จะเก็บข้อมูลรูปร่าง(ซึ่งถูกจับได้ดีกว่าที่จับได้โดยต้วตรวจจับอิเล็กตรอนทุติยภูมิและผสมเข้าด้วยกันกับข้อมูลเกี่ยวกับความหนาแน่น)ที่ได้รับจากเครื่องตรวจจับอิเล็กตรอนสะท้อนกลับ[17]

ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบมีสีที่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น (DDC-SEM) ของแคลเซียมในหลอดเลือดหัวใจที่แสดงในสีส้มเป็นอนุภาคทรงกลมของแคลเซียมฟอสเฟต (วัสดุทึบแสงกว่า) และในสีเขียวแสดงเป็น extracellular matrix (วัสดุหนาแน่นน้อยกว่า)[17]

บางชนิดของตัวตรวจจับที่ใช้ใน SEM มีความสามารถในการวิเคราะห์และสามารถให้ข้อมูลหลายรายการในแต่ละพิกเซล ตัวอย่างเช่นตัวตรวจจับในเครื่องเอกซ์เรย์สเปกโตรสโคปีแบบพลังงานกระจาย (อังกฤษ: Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS)) ที่ใช้ในการวิเคราะห์ธาตุและระบบกล้องจุลทรรศน์แบบเปล่งแสงด้วยคาโทด (อังกฤษ: Cathodoluminescence microscope (CL)) ที่วิเคราะห์ความเข้มข้นและสเปกตรัมของการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นจากอิเล็กตรอน (อังกฤษ: electron-induced luminescence) ใน (ตัวอย่างเช่น) ชิ้นตัวอย่างทางธรณีวิทยา ในระบบ SEM การใช้ตัวตรวจจับเหล่านี้มันเป็นเรื่องธรรมดาที่จะให้รหัสสีกับสัญญาณทั้ได้และซ้อนทับพวกมันออกกมาเป็นนภาพสีภาพเดียวเพื่อที่ว่าความแตกต่างทั้งหลายในการกระจายของส่วนประกอบต่างๆของชิ้นงานสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนและสามารถเทียบกันได้ เพื่อเป็นทางเลือก ภาพอิเล็กตรอนทุติยภูมิมาตรฐานสามารถถูกรวมเข้ากับช่องทางแบบองค์ประกอบ (อังกฤษ: compositional channel) หนึ่งช่องทางหรือมากกว่าเพื่อให้โครงสร้างของชิ้นงานและองค์ประกอบสามารถนำมาเปรียบเทียบกันได้ ภาพดังกล่าวสามารถถูกทำขึ้นในขณะที่มีการรักษาความสมบูรณ์เต็มรูปแบบของสัญญาณเดิมซึ่งไม่ได้ถูกแก้ไขในทางใดทางหนึ่ง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสะท้อน (REM)[แก้]

ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสะท้อน (อังกฤษ: Reflection electron microscope (REM)) เช่นเดียวกับใน TEM ลำแสงอิเล็กตรอนตกลงบนพื้นผิว แต่แทนที่จะใช้การส่องผ่าน (ใน TEM) หรืออิเล็กตรอนทุติยภูมิ (ใน SEM) ลำแสงที่สะท้อนของอิเล็กตรอนที่กระจายอย่างยืดหยุ่นจะถูกตรวจพบ เทคนิคนี้จะมักจะเชื่อมต่อเข้ากับการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานสูงสะท้อน (อังกฤษ: reflection high energy electron diffraction (RHEED)) และเครื่องสเปกโทรสโกปีแบบสะท้อนการสูญเสียพลังงานสูง (อังกฤษ: reflection high-energy loss spectroscopy (RHELS)) การแปรเปลี่ยนอีกประการหนึ่งคือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนพลังงานต่ำแบบขั้วหมุน (อังกฤษ: spin-polarized low-energy electron microscopy (SPLEEM)) ซึ่งจะใช้สำหรับการมองหาจุลภาคของโดเมนแม่เหล็ก[18]

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและส่องกราด (อังกฤษ: Scanning transmission electron microscopy (STEM))[แก้]

บทความหลัก: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและส่องกราด เครื่อง STEM นี้จะสแกนลำแสงที่โฟกัสแล้วให้ตกกระทบทั่วชิ้นงาน (เช่นเดียวกับ TEM) ชิ้นงานจะถูกทำให้บางเพื่ออำนวยความสะดวกในการตรวจจับอิเล็กตรอนที่กระจาย"ผ่าน"ชิ้นงาน ความละเอียดสูงของ TEM จึงสามารถเป็นไปได้ใน STEM การดำเนินการ (และความผิดปรกติ) จากการโฟกัสจะเกิดขึ้นก่อนที่อิเล็กตรอนจะกระทบชิ้นงานใน STEM แต่ใน TEM จะเกิดทีหลัง STEM จะใช้การสแกนลำแสงเหมือนกับ SEM เพื่อลดความยุ่งยากในการถ่ายภาพเป็นรูปวงแหวนสนามมืด (อังกฤษ: annular dark-field imaging) (ซึ่งเป็นเทคนิคการวิเคราะห์อีกอันหนึ่ง) แต่ยังหมายถึงว่าข้อมูลภาพจำเป็นต้องอยู่ในรูปอนุกรมมากกว่าอยู่ในรูปขนาน บ่อยครั้งที่ TEM สามารถถูกติดตั้งด้วยตัวเลือกการสแกน มันจึงสามารถทำงานได้ทั้งแบบ TEM และ STEM

การเตรียมชิ้นงาน[แก้]

แมลงถูกเคลือบด้วยทองสำหรับการดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

วัสดุที่จะดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอาจจำเป็นต้องผ่านกระบวนการเพื่อผลิตเป็นตัวอย่างชิ้นงานที่เหมาะสม เทคนิคที่จำเป็นจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชิ้นงานและการวิเคราะห์ที่จำเป็น ได้แก่:

  • "fixation ทางเคมี" (fixation เป็นขั้นตอนที่สำคัญในวิทยาการด้านเนื้อเยื่อ ด้านพยาธิวิทยา และด้านชีววิทยาในการเตรียมเซ็กชั่นของเนื้อเยื่อไม่ให้เน่าสลาย) - สำหรับตัวอย่างทางชีวภาพที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างความมั่นคงของโครงสร้างจุลโมเลกุลเคลื่อนที่ของตัวอย่างชิ้นงานโดยการเชื่อมขวางทางเคมีของโปรตีนที่มีอัลดีไฮด์เช่นฟอร์มาลดีไฮด์และ glutaraldehyde และไขมันที่มีออสเมียม tetroxide
  • "การย้อมสีเชิงลบ" - สารแขวนลอยที่มีอนุภาคนาโนหรือวัสดุชีวภาพที่ละเอียด (เช่นไวรัสและแบคทีเรีย) จะถูกผสมในเวลาสั้นๆเข้ากับสารละลายเจือจางของสารละลายทึบอิเล็กตรอน (อังกฤษ: electron-opaque solution) เช่น ammonium molybdate หรือ uranyl acetate (หรือ formate) หรือ phosphotungstic acid ส่วนผสมนี้จะถูกนำไปใช้กับกริดของ EM ที่เคลือบอย่างเหมาะสมจากนั้นจะถูกย้อมสีแล้วปล่อยให้แห้ง TEM จะถูกใช้เพื่อดูการเตรียมความพร้อมโดยไม่ชักช้าเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด วิธีการมีความสำคัญในทางจุลชีววิทยาเพื่อชี้ชัดเกี่ยวกับโครงสร้างของสัตว์และพืชได้อย่างรวดเร็วแต่คร่าวๆ แต่ยังสามารถนำมาใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการฟื้นฟู 3 มิติความละเอียดสูงโดยใช้วิธีการสร้างภาพด้วย EM อีกด้วยเมื่อฟิล์มคาร์บอนถูกใช้สำหรับการสนับสนุน นอกจากนี้การย้อมสีเชิงลบยังใช้สำหรับการสังเกตอนุภาคนาโนอีกด้วย
  • "fixation ด้วยความเย็นยิ่งยวด" (อังกฤษ: Cryofixation) - การแช่แข็งตัวอย่างชิ้นงานอย่างรวดเร็วมากๆในอีเทนเหลวและรักษาสภาวะที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลวหรือแม้แต่ฮีเลียมเหลวเพื่อให้น้ำก่อรูปเป็นน้ำแข็ง(ไม่ใช่ผลึก)แบบใสเหมือนแก้ว วิธีนี้จะเก็บรักษาชิ้นงานในช่วงเวลาสั้นๆของสภาวะสารละลายของมัน สาขาในภาพรวมทั้งหมดที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเย็นยิ่งยวด (อังกฤษ: cryo-electron microscopy) ได้แยกสาขาออกจากเทคนิคนี้ ด้วยการพัฒนาของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเย็นยิ่งยวดของเซ็กชั่นที่ใสเหมือนแก้ว (อังกฤษ: cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS)) ตอนนี้มันเป็นไปได้ที่จะสังเกตเห็นตัวอย่างชิ้นงานได้จากตัวอย่างทางชีวภาพใดๆที่ใกล้เคียงกับสภาวะแรกเริ่ม[ต้องการอ้างอิง]
  • "การขจัดน้ำออก" (อังกฤษ: Dehydration) - การอบแห้งแช่แข็งหรือการแทนที่น้ำด้วยตัวทำละลายอินทรีย์เช่นเอทานอลหรืออะซิโตน ตามด้วยการอบแห้งที่จุดวิกฤตหรือการแทรกซึมด้วยการฝังเรซิ่น
  • "การฝัง-ตัวอย่างทางชีวภาพ" - หลังจากการขจัดน้ำออก เนื้อเยื่อที่จะส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจะถูกฝังเพื่อที่จะสามารถแบ่งเป็นหลายๆเซ็กชั่นให้พร้อมสำหรับการส่องดู ในการทำเช่นนี้เนื้อเยื่อจะถูกส่งผ่าน 'ตัวทำละลายถ่ายโอน' เช่นโพรพิลีนออกไซด์ (epoxypropane) จากนั้นก็แทรกซึมด้วยอีพอกซีเรซินเช่น Araldite, Epon หรือ Durcupan[19]; เนื้อเยื่อก็อาจจะถูกฝังโดยตรงในน้ำอะคริลิกเรซินที่ผสมกับน้ำได้ หลังจากเรซินกลายเป็นโพลิเมอร์ (แข็งตัว) ชิ้นตัวอย่างจะถูกตัดแบ่งให้เป็นชิ้นบางๆ (เซ็กชั่นที่บางเฉียบ) และย้อมสี - มันจะพร้อมสำหรับการส่องดู
  • "การฝัง-วัสดุ" - หลังจากที่ฝังไว้ในเรซิน ชิ้นตัวอย่างมักจะถูกเจียและขัดผิวให้มันเหมือนกระจกโดยใช้วัสดุขัดแบบละเอียด กระบวนการขัดจะต้องดำเนินการอย่างระมัดระวังเพื่อลดรอยขีดข่วนและสิ่งแปลกปลอมอื่นๆที่จะลดคุณภาพของภาพ
  • "การบังเงาด้วยโลหะ" (อังกฤษ: Metal shadowing) - โลหะ (เช่นทองคำขาว) จะถูกทำให้ระเหยจากอิเล็กโทรดเหนือหัวและจ่ายให้กับผิวหน้าของตัวอย่างชิ้นงานทางชีวภาพที่มุมมุมหนึ่ง ตามด้วยการสลายตัวของวัสดุชีวภาพในอ่างกรดเหลือไว้แต่เพียงพื้นผิวโลหะจำลองที่เหมือนเดิม จากนั้นแบบจำลองพื้นผิวโลหะนี้จะถูกตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน การแปรเปลี่ยนความหนาและมุมของพื้นผิวโลหะที่ช่วยให้ภาพเกิดขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนที่ตกกระทบจะกระจายไปในทิศทางที่แตกต่างกันมากกว่าที่จะผ่านตัวมัน
  • "การตัด section" - เป็นการสร้างชิ้นบางๆของชิ้นงาน กึ่งโปร่งใสให้กับอิเล็กตรอน โดยสามารถตัดบนเครื่องตัดชิ้นเนื้อขนาดจิ๋ว (อังกฤษ: ultramicrotome) ด้วยมีดทำด้วยเพชรเพื่อผลิตชิ้นบางเฉียบหนาประมาณ 60-90 นาโนเมตร มีดทำด้วยแก้วใช้แล้วทิ้งยังสามารถนำมาใช้ได้เช่นกันเพราะพวกมันสามารถทำขึ้นในห้องปฏิบัติการและถูกกว่ามาก
  • "การย้อมสี" - ใช้โลหะหนักเช่นตะกั่วหรือยูเรเนียมหรือทังสเตนเพื่อกระจายอิเล็กตรอนที่ใช้สร้าง จึงได้ความสว่างที่ตัดกันระหว่างโครงสร้างที่แตกต่างกันอันเนื่องมาจากวัสดุหลายอย่าง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางชีวภาพ) เกือบจะ "โปร่งใส" ต่ออิเล็กตรอน (วัตถุที่มีเฟสอ่อนแอ) ในทางชีววิทยาตัวอย่างหลายชิ้นงานสามารถนำมาย้อมสี "พร้อมกัน" ก่อนที่จะฝังและทำหลังจากการตัด section ก้ได้ โดยปกติ section ที่บางจะถูกย้อมเป็นเวลาหลายนาทีด้วยสารละลายที่ประกอบด้วยน้ำหรือแอลกอฮอล์ของอะซิเตท uranyl ตามด้วยซิเตรตตะกั่วที่ประกอบด้วยน้ำ
  • "เศษแตกหักแช่แข็งหรือรอยเจาะแช่แข็ง" - วิธีการเตรียมอย่างหนึ่งที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งเฉพาะสำหรับการตรวจสอบเยื่อไขมันและส่วนที่เป็นโปรตีนของมันในมุมมอง "ด้านหน้า" เนื้อเยื่อสดหรือเซลล์แขวนลอยจะถูกแช่แข็งอย่างรวดเร็ว (ด้วยความเย็นยิ่งยวด) จากนั้นทำให้แตกเป็นชิ้นเล็กๆโดยเพียงแค่เคาะให้แตกหรือโดยการใช้เครื่องตัดชิ้นเนื้อในขณะที่มีการคงระดับที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว จากนั้นพื้นผิวที่แตกร้าวและเย็น (บางครั้ง "ถูกเจาะ" โดยการเพิ่มอุณหภูมิไปที่ประมาณ -100 องศาเซลเซียสเป็นเวลาหลายนาทีเพื่อรอให้น้ำแข็งบางส่วนระเหิด) จะถูกบังเงาด้วยไอระเหยของทองคำขาวหรือทองที่มุมเฉลี่ย 45° ในเครื่องสร้างไอระเหยสูญญากาศสูง ชั้นเคลือบที่สองของคาร์บอนที่ระเหยตั้งฉากกับระนาบพื้นผิวเฉลี่ยมักจะดำเนินการเพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของสารเคลือบผิวจำลอง ตัวอย่างชิ้นงานจะถูกทำกลับไปที่อุณหภูมิและความดันห้อง จากนั้นแบบจำลองโลหะที่ถูก "บังเงาล่วงหน้า" ที่เปราะบางมากของพื้นผิวที่แตกหักจะถูกปล่อยออกมาจากวัสดุชีวภาพต้นแบบโดยการย่อยทางเคมีอย่างระมัดระวังด้วยกรดหรือสารละลายไฮโปคลอไรต์หรือผงซักฟอก Sodium dodecyl sulfate (SDS) แบบจำลองที่ยังคงลอยอยู่จะถูกล้างให้สะอาดให้ปราศจากสารเคมีตกค้างแล้วเกี่ยวอย่างระมัดระวังบนกริดละเอียด ทำให้แห้งแล้วส่องดูใน TEM
  • "การสีลำแสงไอออน" (อังกฤษ: ion beam milling) - ชิ้นตัวอย่างจะถูกทำให้บางจนกระทั่งพวกมันจะโปร่งใสกับอิเล็กตรอนโดยการยิงไอออน (ปกติเป็นอาร์กอน) ไปที่ผิวจากมุมมุมหนึ่งและด้วยการพ่นวัสดุจากพื้นผิว ชั้นระดับรองนี้คือการสีแบบลำแสงไอออนที่เน้นเฉพาะจุด (อังกฤษ: focused ion beam milling) ที่ไอออนของแกลเลียมจะถูกใช้ในการผลิตเยื่อที่โปร่งใสต่ออิเล็กตรอนในพื้นที่เฉพาะเจาะจงของชิ้นตัวอย่าง เช่นผ่านอุปกรณ์ภายในไมโครโปรเซสเซอร์ การสีลำแสงไอออนยังอาจนำไปใช้สำหรับการขัดภาคตัดขวางก่อนการที่จะมีการวิเคราะห์ด้วย SEM ของวัสดุที่ยากต่อการเตรียมความพร้อมโดยการใช้เครื่องขัดด้วยกลไกทั่วไป
  • "การเคลือบให้เป็นตัวนำ" (อังกฤษ: Conductive coating) - การเคลือบอย่างบางเฉียบด้วยวัสดุที่นำไฟฟ้า โดยให้ติดแน่นโดยการระเหยแบบสูญญากาศสูงหรือโดยการเคลือบแบบพ่นในสูญญากาศต่ำของชิ้นตัวอย่าง การทำแบบนี้ก็เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการสะสมของสนามไฟฟ้าสถิตย์บนตัวอย่างอันเนื่องมาจากการฉายรังสีอิเล็กตรอนที่จำเป็นในระหว่างการถ่ายภาพ วัสดุที่ใช้เคลือบได้แก่ทองหรือทอง/แพลเลเดียมหรือแพลทินัมหรือทังสเตนหรือกราไฟท์ ฯลฯ
  • "การต่อสายดิน" - เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมประจุไฟฟ้าบนตัวอย่างที่เคลือบด้วยสารตัวนำ มักจะเป็นการเชื่อมต่อแบบไฟฟ้ากับผู้ถือตัวอย่างที่เป็นโลหะ บ่อยครั้งที่กาวที่นำไฟฟ้าได้จะถูกนำมาใช้เพื่อการนี้

ข้อเสีย[แก้]

ภาพสีปลอมจากเครื่อง SEM ของเส้นขนกรองของตัวเคยในมหาสมุทรแอนตาร์กติก (ภาพดิบจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะให้ข้อมูลที่ไม่มีสี)
ภาพ: ภาพกรองระดับแรกของตัวเคยเป็นรูปตัว V ของตัวเคยระดับที่สองที่ชี้ไปทางด้านในของตะกร้าให้อาหาร ลูกบอลสีม่วงมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1 ไมโครเมตร

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีราคาแพงในการสร้างและบำรุงรักษา แต่เงินทุนและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานของกล้องจุลทรรศน์ระบบแสงจุดโฟกัสร่วมในเวลานี้จะคาบเกี่ยวกับบรรดาของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนพื้นฐาน กล้องจุลทรรศน์ที่ออกแบบเพื่อให้บรรลุความละเอียดสูงจะต้องติดตั้งอยู่ในอาคารที่มั่นคง (บางครั้งใต้ดิน) ที่มีบริการพิเศษเช่นระบบกำจัดสนามแม่เหล็ก

ชิ้นตัวอย่างส่วนใหญ่จะต้องมีการส่องดูในสูญญากาศเนื่องจากโมเลกุลที่ทำอากาศขึ้นจะกระจายอิเล็กตรอน ข้อยกเว้นเดียวสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสิ่งแวดล้อมซึ่งยอมให้ตัวอย่างที่ผ่านการชุ่มน้ำสามารถส่องดูได้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกแรงดันต่ำ (ไม่เกิน 20 Torr หรือ 2.7 ปาสคาล)

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่ทำงานในโหมดสูญญากาศสูงธรรมดามักจะสร้างภาพชิ้นงานที่เป็นตัวนำไฟฟ้า ดังนั้นวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าจึงต้องเคลือบด้วยสารตัวนำ (ทอง/โลหะผสมแพลเลเดียม คาร์บอน ออสเมียม ฯลฯ) โหมดแรงดันต่ำของกล้องจุลทรรศน์ที่ทันสมัยทำให้เป็นไปได้ในการการสังเกตชิ้นงานที่ไม่นำไฟฟ้าโดยไม่ต้องเคลือบ วัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าสามารถถ่ายภาพโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบความดันแปร (หรือแบบสิ่งแวดล้อม)

ชิ้นตัวอย่างขนาดเล็กและมีความเสถียรเช่นท่อคาร์บอนนาโน เปลือกไดอะตอม (อังกฤษ: diatom frustules) และผลึกแร่ขนาดเล็ก (เช่นแร่ใยหิน) ไม่จำเป็นต้องมีการดูแลเป็นพิเศษก่อนที่จะมีการตรวจสอบในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ตัวอย่างของวัสดุไฮเดรทรวมทั้งเกือบทั้งหมดของตัวอย่างทางชีวภาพจะต้องมีการจัดเตรียมในรูปแบบต่างๆเพื่อสร้างเสถียรภาพให้กับพวกมัน ลดความหนาของพวกมัน (ทำเซ็กชั่นให้บางเฉียบ) และเพิ่มความคมชัดด้านอิเล็กตรอนออปติคอล (ย้อมสี) กระบวนการเหล่านี้อาจส่งผลให้เกิด"สิ่งแปลกปลอม" แต่มักจะสามารถระบุได้โดยการเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้โดยใช้วิธีการเตรียมชิ้นงานหลายๆอย่างที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในสนามโดยทั่วไปเชื่อว่าผลลัพธ์จากเทคนิคการเตรียมการที่หลากหลายต่างๆจะถูกนำมาเปรียบเทียบและไม่มีเหตุผลที่พวกมันจะผลิตสิ่งแปลกปลอมที่คล้ายกันและมันมีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าคุณสมบัติกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสอดคล้องกับบรรดาคุณสมบัติของเซลล์ทั้งหลายที่มีชีวิต ตั้งแต่ปี 1980s การวิเคราะห์ของชิ้นตัวอย่างที่มีการเตรียมแบบเย็นยิ่งยวดจนกลายเป็นแก้วยังได้กลายเป็นที่ใช้มากขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ ยืนยันมากขึ้นถึงความถูกต้องของเทคนิคนี้[20][21][22]

การประยุกต์ใช้งาน[แก้]

Semiconductor and data storage

Biology and life sciences

Materials research
Industry

อ้างอิง[แก้]

  1. 1.0 1.1 Erni, Rolf; Rossell, MD; Kisielowski, C; Dahmen, U (2009). "Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe". Physical Review Letters 102 (9): 096101. Bibcode:2009PhRvL.102i6101E. doi:10.1103/PhysRevLett.102.096101. PMID 19392535. 
  2. Mathys, Daniel, Zentrum für Mikroskopie, University of Basel: Die Entwicklung der Elektronenmikroskopie vom Bild über die Analyse zum Nanolabor, p. 8
  3. Dannen, Gene (1998) Leo Szilard the Inventor: A Slideshow (1998, Budapest, conference talk). dannen.com
  4. 4.0 4.1 4.2 Ruska, Ernst (1986). "Ernst Ruska Autobiography". Nobel Foundation. สืบค้นเมื่อ 2010-01-31. 
  5. Rudenberg, H Gunther and Rudenberg, Paul G (2010). "Chapter 6 – Origin and Background of the Invention of the Electron Microscope: Commentary and Expanded Notes on Memoir of Reinhold Rüdenberg". Advances in Imaging and Electron Physics 160. Elsevier. doi:10.1016/S1076-5670(10)60006-7. ISBN 978-0-12-381017-5. 
  6. Kruger DH, Schneck P, Gelderblom HR (May 2000). "Helmut Ruska and the visualisation of viruses". Lancet 355 (9216): 1713–7. doi:10.1016/S0140-6736(00)02250-9. PMID 10905259. 
  7. von Ardenne, M and Beischer, D (1940). "Untersuchung von metalloxyd-rauchen mit dem universal-elektronenmikroskop". Zeitschrift Electrochemie (ใน German) 46: 270–277. doi:10.1002/bbpc.19400460406. 
  8. "James Hillier". Inventor of the Week: Archive. 2003-05-01. สืบค้นเมื่อ 2010-01-31. 
  9. "The Scale of Things". Office of Basic Energy Sciences, U.S. Department of Energy. 2006-05-26. สืบค้นเมื่อ 2010-01-31. 
  10. O'Keefe MA, Allard LF. Sub-Ångstrom Electron Microscopy for Sub-Ångstrom Nano-Metrology (pdf). Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information – Sponsored by OSTI. สืบค้นเมื่อ 2010-01-31. 
  11. McMullan D (1993). "Scanning Electron Microscopy, 1928–1965". 51st Annual Meeting of the Microscopy Society of America. Cincinnati, OH. สืบค้นเมื่อ 2010-01-31. 
  12. Burgess, Jeremy (1987). Under the Microscope: A Hidden World Revealed. CUP Archive. p. 11. ISBN 0521399408. 
  13. "Introduction to Electron Microscopy". FEI Company. p. 15. สืบค้นเมื่อ 12 December 2012. 
  14. Antonovsky, A. (1984). "The application of colour to sem imaging for increased definition". Micron and Microscopica Acta 15 (2): 77–84. doi:10.1016/0739-6260(84)90005-4. 
  15. Danilatos, G.D. (1986). "Colour micrographs for backscattered electron signals in the SEM". Scanning 9 (3): 8–18. doi:10.1111/j.1365-2818.1986.tb04287.x. 
  16. Danilatos, G.D. (1986). "Environmental scanning electron microscopy in colour". J. Microscopy 142: 317–325. doi:10.1002/sca.4950080104. 
  17. 17.0 17.1 PMID 23603848 (PubMed)
    Citation will be completed automatically in a few minutes. Jump the queue or expand by hand
  18. "SPLEEM". National Center for Electron Microscopy (NCEM). สืบค้นเมื่อ 2010-01-31. 
  19. Luft, J.H. (1961). "Improvements in epoxy resin embedding methods". The Journal of biophysical and biochemical cytology 9 (2). p. 409. PMC 2224998. PMID 13764136. 
  20. Adrian, Marc; Dubochet, Jacques; Lepault, Jean; McDowall, Alasdair W. (1984). "Cryo-electron microscopy of viruses". Nature 308 (5954): 32–36. Bibcode:1984Natur.308...32A. doi:10.1038/308032a0. PMID 6322001. 
  21. Sabanay, I.; Arad, T.; Weiner, S.; Geiger, B. (1991). "Study of vitrified, unstained frozen tissue sections by cryoimmunoelectron microscopy". Journal of Cell Science 100 (1): 227–236. PMID 1795028. 
  22. Kasas, S.; Dumas, G.; Dietler, G.; Catsicas, S.; Adrian, M. (2003). "Vitrification of cryoelectron microscopy specimens revealed by high-speed photographic imaging". Journal of Microscopy 211 (1): 48–53. doi:10.1046/j.1365-2818.2003.01193.x.