Mikroskop elektronowy niskiego napięcia - Low-voltage electron microscope

Niskiego napięcia mikroskopu elektronowego (LVEM) jest mikroskopu elektronowego , które działa przy napięciu przyspieszania kilku kilogram elektronowolt lub mniej. Tradycyjne mikroskopy elektronowe wykorzystują napięcia przyspieszające w zakresie 10-1000 keV.

Obrazowanie niskonapięciowe w transmitowanych elektronach jest możliwe w wielu nowych skaningowych detektorach elektronów.

Tanią alternatywą jest dedykowany niskonapięciowy transmisyjny mikroskop elektronowy na biurko. Chociaż jego architektura jest bardzo podobna do konwencjonalnego transmisyjnego mikroskopu elektronowego , ma kilka kluczowych zmian, które pozwalają mu wykorzystać źródło elektronów o energii 5 keV, ale tracąc wiele zalet operacji z wyższym napięciem, w tym wyższą rozdzielczość, możliwość X- mikroanaliza promieniowa i EELS, itp. Ostatnio wprowadzono nowy transmisyjny mikroskop elektronowy, który działa przy zmiennych zakresach napięcia od 6 do 25 kV.

Zalety

Większy kontrast

Znaczny spadek energii elektronów pozwala na znaczną poprawę kontrastu elementów świetlnych. Poniższe obrazy porównawcze pokazują, że zmniejszenie napięcia przyspieszającego z 80 kV do 5 kV znacznie poprawia kontrast badanych próbek. Poprawiony kontrast jest bezpośrednim wynikiem zwiększonego rozpraszania elektronów związanego ze zmniejszonym napięciem przyspieszającym.

LVEM zapewnia wzmocnienie kontrastu obrazowania prawie dwudziestokrotnie wyższe niż dla 100 kV. Jest to bardzo obiecujące w przypadku próbek biologicznych, które składają się z lekkich elementów i nie wykazują wystarczającego kontrastu w klasycznych TEM.

Co więcej, stosunkowo niska średnia droga swobodna (15 nm) dla próbek organicznych przy 5 kV oznacza, że ​​dla próbek o stałej grubości wysoki kontrast będzie uzyskany z małych zmian gęstości. Na przykład, dla kontrastu 5% w obrazie jasnego pola LVEM, będziemy potrzebować jedynie różnicy gęstości między fazami wynoszącej 0,07 g/cm 3 . Oznacza to, że zwykła potrzeba barwienia polimerów w celu zwiększenia kontrastu w TEM (zazwyczaj wykonywana za pomocą tetratlenku osmu lub rutenu ) może nie być konieczna w technice niskonapięciowej mikroskopii elektronowej.

Porównanie – obrazy TEM niewybarwionego cienkiego odcinka serca szczura
  • Niezabarwiony cienki odcinek serca szczura (5 kV)

    Obraz niskiego napięcia (5 kV) o wyższym kontraście

  • Niezabarwiony cienki odcinek serca szczura (80 kV)

    Konwencjonalny obraz TEM (80 kV)

Plama nie jest wymagana

Poprawiony kontrast pozwala na znaczne zmniejszenie lub wyeliminowanie etapu barwienia ujemnie metali ciężkich w obrazowaniu TEM elementów lekkich (H, C, N, O, S, P). Podczas gdy barwienie jest korzystne w eksperymentach mających na celu określenie struktury w wysokiej rozdzielczości, jest wysoce niepożądane w przypadku niektórych preparatów próbek białka, ponieważ może destabilizować próbkę białka ze względu na kwaśne pH i stosunkowo wysokie stężenie metali ciężkich. Dodanie barwnika do wyciętych próbek, takich jak materiały biologiczne lub polimery, może również powodować artefakty obrazowania.

Eksperymenty LVEM przeprowadzone na wyekstrahowanej próbce białka błonowego, którą analizowano zi bez procedury barwienia, wykazały znaczną poprawę wyglądu próbki po pominięciu standardowego barwienia. Wyniki pokazują, że LVEM może być nawet bardziej użyteczny niż konwencjonalna EM w tym konkretnym zastosowaniu, ponieważ pozwala uniknąć potencjalnie zakłócającego etapu barwienia, zapewniając w ten sposób niezakłócony obraz stanu agregacji białka.

Ponadto możliwość wyeliminowania etapu barwienia może pomóc w poprawie bezpieczeństwa w laboratorium, ponieważ powszechne plamy metali ciężkich, takich jak octan uranylu , wiążą się z ryzykiem dla zdrowia.

Rezolucja

Pierwsze niskonapięciowe mikroskopy elektronowe były zdolne do rozdzielczości przestrzennej około 2,5 nm w TEM, 2,0 nm w STEM i 3,0 nm w trybach SEM. Rozdzielczość SEM została poprawiona do ~ 1,2 nm przy 800 eV do 2010 roku, podczas gdy rozdzielczość 0,14 nm TEM przy 15 keV została zgłoszona w 2016 roku.

Ograniczenia

Obecnie dostępne mikroskopy niskonapięciowe są w stanie uzyskać rozdzielczość jedynie 1,0–3 nanometrów. Chociaż jest to znacznie poza rozdzielczościami możliwymi z mikroskopów optycznych (świetlnych), nie są one jeszcze w stanie konkurować z rozdzielczością atomową uzyskiwaną z konwencjonalnych (o wyższym napięciu) mikroskopów elektronowych.

Niskie napięcie ogranicza maksymalną grubość próbek, które można badać w trybie TEM lub STEM. Podczas gdy wynosi około 50-90 nm w konwencjonalnym TEM, spada do około 20-65 nanometrów dla LVEM @ 5 kV. Jednak, aby osiągnąć maksymalną rozdzielczość w trybach TEM i STEM 5 kV, wymagane są grubości rzędu 20 nm lub mniej. Grubość ta jest czasami osiągalna przy użyciu ultramikrotomu .

w 2015 roku ograniczenia te zostały przezwyciężone za pomocą niskonapięciowego mikroskopu elektronowego 25 kV, który może dawać wysokiej jakości wyniki przy próbkach o cienkich przekrojach do około 100 nm+.

Zobacz też

Obszary zastosowań

LVEM jest szczególnie wydajny w następujących zastosowaniach.

Bibliografia

Linki zewnętrzne