Отличие светового микроскопа от электронного в устройстве и применении

Время чтения: 15 минут

Световой или оптический микроскоп (ОМС) — это научный инструмент, который использует видимый свет для увеличения и последующего изучения различных структур и объектов. Принцип работы такого микроскопа (МС) основан на использовании стеклянных линз, фокусировки света и создания увеличенного изображения на окуляре. Этот тип устройств наиболее распространён и широко используется в образовательных учреждениях, научных исследованиях, а также медицинских лабораториях.

Электронный микроскоп — это мощный инструмент для получения увеличенных изображений образцов с помощью потока электронов. Принцип работы электронного микроскопа (ЭМС) основан на взаимодействии субатомных частиц с образцом и формировании изображения с помощью детекторов, которые регистрируют эти взаимодействия. Такой МС обеспечивает гораздо более высокое разрешение и увеличение по сравнению с оптическими МС, что позволяет исследовать структуры на молекулярном, а также атомном уровне.

Оптические типы МС играют ключевую роль в науке, а также промышленности благодаря своей способности увеличивать мельчайшие предметы. Вот некоторые из областей, где широко их используют:

• Биология. Здесь МС используются для анализа микроорганизмов, клеток, а также биологических тканей.
• Медицина. В медицинских исследованиях и диагностике эти МС используются для анализа биоптатов, исследования тканей, выявления патологий, а также определения диагнозов.
• Материаловедение и инженерия. Здесь они помогают в анализе структуры материалов, определении их свойств, а также отличительных качеств.
• Геология и география. В геологических исследованиях ОМС применяются для идентификации состава, а также происхождения минералов.
• Палеонтология. Здесь их используют для изучения, а также анализа останков древних организмов.
• Изучение растительного мира. Ботаники используют ОМС для изучения строения, а также функционирования растений.
• Образование. В образовательных учреждениях их используют для демонстрации ученикам и студентам микроструктур объектов, а также некоторых физических явлений.
• Криминалистика. Здесь они необходимы для анализа улик, полученных на месте преступления.
• Качество продукции. В промышленности МС применяются для контроля качества выпускаемых товаров.
• Электроника. В электронике ОМС необходимы для контроля качества производства печатных плат, а также выявления дефектов пайки микрокомпонентов.

ЭМС играют важную роль о множестве научных, а также промышленных областей. Они позволяют исследовать объекты в нанометровом диапазоне. Это даёт возможность обнаруживать объекты, недоступные для оптических методов исследования. Далее представлены некоторые области их применения:

• Нанотехнологии и наноматериалы. МС позволяют исследовать наночастицы, наноструктуры, а также наноматериалы при разработке новых материалов.
• Биология и медицина. В биологических исследованиях они используются для изучения микроструктуры клеток, бактерий, вирусов, а также детального анализа тканей и органов.
• Материаловедение и инженерия. Здесь МС позволяют проанализировать микроструктуру и состав разрабатываемых материалов на атомарном уровне.
• Электроника и микроэлектроника. В электронике они используются для изучения микроэлектронных компонентов, интегральных схем, микрокомпонентов, а также различных наноструктур.
• Геология и петрология. Анализ минералов, пород и горных образований также не обходится без этих МС. Они используются для анализа структуры, а также состава геологических образцов.
• Фармацевтика. В этой области МС помогают оценить структуру, а также форму лекарственных препаратов, а также анализ их взаимодействия с клетками и тканями
• Микромеханика и нанотехнологии. Здесь они применяются в исследованиях микромеханических, а также наномеханических систем, таких как микроэлектромеханические системы (MEMS) и наноэлектромеханические системы (NEMS).

Оптические модели используют видимый свет для освещения образца. В качестве источников света выступают: светодиодные, галогеновые или дугоразрядные лампы.

ЭМС для «освещения» образца использует поток электронов, генерируемый в электронной пушке.

Разрешающая способность светового микроскопа составляет порядка нескольких сотен нанометров, а их увеличение не превышает 1000-2000 крат.

В то же время ЭМС способны достигать увеличений вплоть до нескольких миллионов крат. Это даёт более высокую разрешающую способностью, до нескольких ангстрем.

Толщина важна для обоих типов МС. Для оптических моделей её нужно учитывать при использовании микроскопии в проходящем свете, однако всё зависит от оптических свойств исследуемого материала. Например, толщина шлифов должна составлять 20-30 мкм, а гистологических срезов – от 3 до 10 мкм.

Однако проницаемость электронов заметно хуже фотонов. В первую очередь на неё влияет плотность материала. Поэтому толщина образцов при использовании просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопии (TEM) значительно меньше от 20 до 200 нм.

Световые модели позволяют исследовать образцы в их естественной форме или после минимальной подготовки. В то время как для ЭМС требуется более сложная подготовка образцов, включая создание тонких срезов или покрытие образца тонким слоем металла для улучшения проводимости.

ОМС обычно используются для изучения биологических образцов, тканей, а также организмов. ЭМС же нацелены на исследования нематериальных структур, таких как клетки, атомы, молекулы, кристаллы, поверхности материалов, а также других микроскопических деталей.

ЭМС обычно более дорогие в приобретении и эксплуатации, а также требуют специализированной подготовки и профессионального обслуживания. Оптические МС более дёшевы, а также просты в использовании.

Конструкция ОМС включает несколько ключевых компонентов:

• Осветительная система. Она может быть верхнего расположения, нижнего или комбинированная. Источником чаще всего выступает галогеновая или светодиодная лампа. Свет от неё проходит через образец или отражается от его поверхности и падает на объектив, где начинается первичное увеличение.
• Объективы. Лабораторные модели, то они могут быть оборудованы набором из 3-6 объективов. Каждый объектив имеет определённую кратность, фокусное расстояние и разрешение. Объективы дают максимальный вклад в общее увеличение, поэтому к качеству их изготовления относятся более тщательно.
• Окуляры. Окуляры – это микроскопические линзы. Они служат для финального увеличения изображения, созданного объективами. Через окуляры оператор наблюдает за образцом.
• Окулярная головка или тубус. Они предназначены для объединения объективов и окуляров, а при наличии конструктивных возможностей осуществляют разделение светового потока на два или три окуляра.
• Система фокусировки. Этот механизм необходим для точной настройки фокуса. Это может быть грубая или микрометрическая регулировка, позволяющая расстояние между объективом и препаратом для получения чёткого изображения.
• Столик и держатель образца. Образец помещается на специальной платформе, называемой предметным столиком. На столике располагается держатель, фиксирующий предметное стекло неподвижно. Некоторые конструкции держателей имеют систему перемещения, позволяющую изменять положение препарата микрометрическими винтами.
• Диафрагма и фильтры. Диафрагма используется для регулировки количества света, достигающего образца. Фактически она регулирует яркость передаваемого в окуляр изображения. Специальные фильтры предназначены для изменения характеристик света, а также улучшения общего контраста.
• Корпус и основание. Корпус обычно выполнен из пластика или металла (алюминий или сталь). Его функция – удержание всех элементов: окулярной головки, системы освещения, предметного столика, диафрагмы, фильтров, а также системы фокусировки. Основание обеспечивает устойчивость всей конструкции, часто оно объединено с корпусом.

ЭМС включает следующие основные компоненты:

• Источник электронов. Электронная пушка генерирует поток субатомных частиц, направляемых на образец.
• Конденсорная система. Система магнитных и электрических линз используется для фокусировки сгенерированного луча частиц в узкий пучок. Она увеличивает интенсивность потока, что помогает улучшить качество картинки.
• Вакуумная камера. Вакуум необходим, чтобы предотвратить рассеивание потока частиц в воздухе, что может ухудшить качество картинки.
• Сканирующая система. В сканирующих моделях пучок частиц перемещается по поверхности образца построчно, сканирует его, а затем детектор принимает и обрабатывает отражённые от поверхности сигналы.
• Детекторы. Они предназначены для регистрации разнообразных взаимодействий потока частиц с образцом, таких как вторичные и отражённые электроны, рентгеновские лучи, а также другие.
• Контроллер и ПО. Для управления всем устройством используется компьютер со специальным программным обеспечением. Оператор может настраивать параметры сканирования, регулировать фокус, а также анализировать полученные снимки.

Для наглядности составим таблицу для сравнения светового и электронного микроскопа, с характеристиками, преимуществами, а также недостатками каждого типа: