TE and SE microscope

IỚI THIỆU KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ SEM VÀ TEM ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA – BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC TIỂU LUẬN GIỚI THIỆU KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ SEM VÀ TEM GVHD SVTH MSSV NHÓM LỚP SH.

KHOA HÓA – BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NHÓM LỚP SH NHÓM HP

: TS Nguyễn Hoàng Minh : Phan Thị Thuỳ Dung

Đỗ Bảo Khanh

Lê Mỹ Lan Trần Hữu Quang Lộc Nguyễn Thị Huyền Nguyễn Thị Huỳnh Mây : 6

: 19SH1 : 19.48

Đà Nẵng, tháng 10 năm 2022

:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Phần đánh giá Ý thức thực hiện: ………

Nội dung thực hiện: ………

Hình thức trình bày: ………

Tổng hợp kết quả: ………

Điểm bằng số :………

Điểm bằng chữ : ………

Đà Nẵng, ngày … tháng 10 năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi họ và tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình học tập môn Công nghệ Sinh học tại trường chúng em đã được biết

về các loại kính hiển vi, chủ yếu được học tập và sử dụng kính hiển vi quang học Tuy nhiên, kính hiển vi điện tử cũng là một loại kính được sử dụng khá phổ biến trong việc nghiên cứu, quan sát tế bào virus, vi khuẩn,…

Chính vì tầm quan trọng đó, nhóm chúng em sẽ trình bày bài tiểu luận về kính hiển

vi điện tử Bao gồm hai loại là kính kính hiển vi điện tử quét (SEM scanning electron microscope ) và kính hiển vi điện tử truyền qua ( TEM Transmission Electron

Microscope) Ở mỗi loại kính nhóm sẽ trình bày về lịch sử, giới thiệu, nguyên lý hoạt động, cấu tạo, cách thức hoạt động, ứng dụng, ưu điểm, nhược điểm Ngoài ra, nhóm còn

so sánh những điểm giống nhau và khác nhau giữa hai loại để có một cái nhìn rõ nét nhất

về hai loại kính mà nhóm chúng em muốn giới thiệu

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II LỜI MỞ ĐẦU III MỤC LỤC IV DANH MỤC HÌNH ẢNH V

A KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ (EM) 1

1 Lịch sử phát triển 1

2 Phân loại 1

3 Nguyên tắc hoạt động chung 2

B KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM ) 2

1 Lịch sử 2

2 Giới thiệu chung 2

3 Nguyên lí 3

4 Cấu tạo của thiết bị 3

5 Hoạt động 5

6 Ứng dụng 7

7 Ưu điểm, nhược điểm 7

C KÍNH HIỂN VI TRUYỀN QUA (TEM) 8

1 Lịch sử 8

2 Giới thiệu chung 8

3 Nguyên lí 8

4 Cấu tạo của thiết bị 8

5 Hoạt động 12

6 Ứng dụng 13

7 Ưu điểm,nhược điểm 13

D SO SÁNH SEM VÀ TEM 14

1 Điểm tương đồng 14

2 Điểm khác nhau 14

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Kính hiểu vi SEM 2

Hình 1 2 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM 3

Hình 1 3 Các lọai nguồn electron 4

Hình 1 4 Cột để electron di chuyển 4

Hình 1 5 Cách thức hoạt động của kính hiển vi điện tử SEM 5

Hình 1 6 Hình ảnh hiển vi điện tử quét của phấn hoa từ các loài thực vật thông thường khác nhau[5] 6

Hình 1 7 Ảnh hiển vi điện tử quét ở nhiệt độ thấp của tuyến trùng nang đậu tương và trứng của nó 7

Hình 1 8 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua TEM[1] 9

Hình 1 9 Cấu tạo chi tiết của súng điện tử 10

Hình 1 10 Hình ảnh cho thấy mặt cắt ngang của một mao mạch có hồng cầu, được chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua[9] 13

A KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ (EM)

Kính hiển vi là một công nghệ hình ảnh mang tính cách mạng đối với các nhà khoahọc và kỹ sư trong hơn 80 năm qua, mở ra thế giới vật liệu kích thước nano và cho phép mô tả các đặc tính độc đáo của chúng Kính hiển vi điện tử đã trở thành một công nghệ quan trọng để xác định đặc tính của vật liệu trong nhiều ngành công nghiệp

Kính hiển vi điện tử: là một công cụ khoa học sử dụng một chùm các điện tử có năng lượng cao để xem xét các vật thể ở quy mô rất nhỏ

- SEM: Chùm điện tử được hội tụ đến một điểm và được quét tuần tự trên mẫu

vật Tại mỗi vị trí, tín hiệu được phát ra từ mẫu vật và được thu thập bởi các máy dò Tín hiệu máy dò được đồng bộ hóa với vị trí đã biết của chùm tia trên mẫu vật và cường độ tín hiệu được sử dụng để điều chế pixel hình ảnh tương ứng Các tín hiệu được thu thập theo chuỗi được kết hợp để tạo thành một hình ảnh có kích thước / sự phân bố pixel phụ thuộc vào kiểu quét được chọn Năng lượng electron điển hình là 1-30 keV

- TEM: Trong TEM, chùm tia điện tử tới một vùng xác định của mẫu vật Các

điện tử truyền qua mẫu vật được thấu kính hội tụ và được thu bởi một máy dò song song để Tạo thành ảnh Năng lượng electron trong TEM cao hơn nhiều so với SEM, thường là 80-300 keV, cho phép chúng xuyên qua vật chất

Ngoài ra, kính hiển vi SEM có thể được lắp với bộ dò để thu thập các điện tử truyền qua mẫu vật mỏng Phương pháp chế độ quét này với thu thập tín hiệu truyền qua được gọi là kính hiển điện tử truyền quét (STEM)

3 Nguyên tắc hoạt động chung

Hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng sóng điện tử được tăng tốc ở hiệu điện thế cao để quan sát

B KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM )

1 Lịch sử

- Kính hiển vi điện tử quét đầu tiên được Mafred von Ardenne chế tạo vào năm 1937[3] với mục đích vượt qua kính hiển vi điện tử truyền qua Ông sử dụng nguồn điện có độ phân giải cao để quét một đường quét nhỏ bằng cách sử dụng một chùm điện tử tập trung vào đường quét Ông cũng nhằm mục đích giảm thiểu các vấn đề của hình ảnh quang sai màu do Kính hiển vi điện tử truyền quatạo ra

- Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với

độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ra ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật

2. Giới thiệu chung[4]

- Kính hiển vi điện tử quét (SEM- scanning electron microscope), còn được côngnhận là kỹ thuật phân tích SEM, được coi là một phương pháp hiệu quả trong phân tích các vật liệu hữu cơ và vô cơ bao gồm hình thái bên ngoài (kết cấu), thành phần hóa học, cấu trúc tinh thể và định hướng của vật liệu tạo nên mẫu trên quy mô từ nanomet đến micromet

- Kính hiển vi điện tử quét sử dụng một chùm điện tử electron được hội tụ để quét trên bề mặt tạo ra một hình ảnh, các điện tử trong chùm tia tương tác với mẫu, sinh ra hàng loạt các tín hiệu và các tín hiệu đó có thể sử dụng để lấy thông tin về hình dạng và thành phần của bề mặt

- SEM hoạt động ở độ phóng đại cao lên tới 300.000 và thậm chí 1000000 để tạo ra hình ảnh rất chính xác trên nhiều loại vật liệu

Hình 1 1 Kính hiểu vi SEM

3 Nguyên lí

- Kính hiển vi điện tử quét sử dụng các điện tử phát ra

- Kính hiển vi điện tử quét hoạt động dựa trên nguyên tắc ứng dụng động năng

để tạo ra tín hiệu về sự tương tác của các electron Các điện tử này là các điện

tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược và các điện tử tán xạ ngược bị nhiễu xạ được sử dụng để xem các nguyên tố và photon kết tinh Các điện tử thứ cấp và

bị tán xạ ngược được sử dụng để tạo ra một hình ảnh Các điện tử thứ cấp được phát ra từ mẫu vật đóng vai trò chính là phát hiện hình thái và địa hình của mẫuvật trong khi các điện tử tán xạ ngược thể hiện sự tương phản trong thành phần của các phần tử của mẫu vật

4. Cấu tạo của thiết bị[2]

Hình 1 2 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM

a Nguồn điện tử

- Nơi các điện tử được tạo ra dưới tác động nhiệt ở điện áp 1-40kV

- Các electron ngưng tụ thành một chùm tia được sử dụng để tạo ra hình ảnh và phân tích

- Có ba loại nguồn electron có thể được sử dụng: dây tóc vonfram, hexaboride

Lantan và súng phát xạ trường

Hình 1 3 Các lọai nguồn electron

b Cột để di chuyển các electron qua 2 hay nhiều thấu kính điện tử

e Máy dò điện tử thứ cấp và điện tử bị tán xạ ngược

Nó được tạo thành từ một số máy dò có thể phân biệt các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược và các điện tử tán xạ ngược bị nhiễu xạ Hoạt động của máy dò phụ thuộc nhiều vào tốc độ điện áp, mật độ của mẫu vật

f Buồng chứa mẫu

Hệ thống bơm chân không là thiết bị dùng để hút hết khí và hơi của các vật chấtkhác nhau ra khỏi thể tích (cột) chứa chùm điện tử Trong hầu hết các kính hiển

vi điện tử, đều sử dụng hai loại bơm là bơm cơ học (bơm quay dầu) và bơm khuếch tán

g Detector

Nó được tạo thành từ một số Detector có thể phân biệt các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược và các điện tử tán xạ ngược bị nhiễu xạ Hoạt động của Detector phụ thuộc nhiều vào tốc độ điện áp, mật độ của mẫu vật

h Hệ thống máy tính

5. Hoạt động[2]

Hình 1 5 Cách thức hoạt động của kính hiển vi điện tử SEM

Nguồn của các electron và thấu kính điện từ được đặt trên đỉnh cột và nó tương tự như nguồn của kính hiển vi điện tử truyền qua

Các electron được tỏa ra sau khi nhiệt năng tác dụng vào nguồn electron và chuyểnđộng thẳng nhanh dần đều đến anode mang điện tích dương

Chùm điện tử kích hoạt sự phát xạ các điện tử phân tán sơ cấp ở mức năng lượng cao và các điện tử thứ cấp ở mức năng lượng thấp từ bề mặt mẫu vật Chùm electron tương tác với mẫu vật để tạo ra các tín hiệu cung cấp thông tin về địa hình bề mặt và thành phần của mẫu vật.

Mẫu không cần xử lý đặc biệt, thậm chí có thể kiểm tra trực tiếp mẫu được làm khô trong không khí Tuy nhiên, các mẫu vi sinh vật cần được cố định, khử nước

và làm khô để duy trì các đặc điểm cấu trúc của tế bào và ngăn ngừa sự sụp đổ của tế bào khi tiếp xúc với chân không cao của kính hiển vi

Các mẫu được gắn và phủ một lớp mỏng các nguyên tố kim loại nặng để cho phép các điện tích phân tán theo không gian trên bề mặt của mẫu cho phép tạo ra hình ảnh tốt hơn, với độ rõ nét cao

Quá trình quét bằng kính hiển vi này đạt được bằng cách làm nhỏ chùm electron qua lại trên một phần mỏng của kính hiển vi Khi các điện tử tiếp cận mẫu vật, bềmặt giải phóng một đám nhỏ các điện tử được gọi là các điện tử thứ cấp, sau đó

bị giữ lại bởi một thiết bị máy dò đặc biệt

Khi các điện tử thứ cấp tiếp cận và đi vào máy dò, chúng đập vào chất tán quang (một vật liệu phát quang phát huỳnh quang khi bị hạt tích điện hoặc photon năng lượng cao đập vào) Điều này phát ra các tia sáng nhấp nháy được biến đổi thành dòng điện bởi bộ nhân quang, gửi tín hiệu đến ống tia âm cực Điều này tạo ra một hình ảnh giống như một bức tranh truyền hình có thể được xem và chụp ảnh

Số lượng các điện tử thứ cấp đi vào máy dò được xác định nhiều bởi bản chất của mẫu vật, tức là các bề mặt nhô lên để nhận số lượng điện tử cao, đi vào máy dò trong khi các bề mặt bị lõm có ít điện tử đến bề mặt hơn và do đó ít điện tử đi vào máy dò

Do đó, các bề mặt nhô lên sẽ xuất hiện sáng hơn trên màn hình trong khi các bề mặt bị lõm xuống có vẻ tối hơn

Hình 1 6 Hình ảnh hiển vi điện tử quét của phấn hoa từ các loài thực vật thông thường

khác nhau[5]

Hình 1 7 Ảnh hiển vi điện tử quét ở nhiệt độ thấp của tuyến trùng nang đậu tương và

trứng của nó

6 Ứng dụng

Sử dụng trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học nano, nghiên cứu y sinh, vi sinh

- Được sử dụng để phân tích hóa học điểm trong quang phổ tia X phân tán năng

lượng

- Được sử dụng trong phân tích các thành phần mỹ phẩm có kích thước rất nhỏ.

- Được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc sợi của vi sinh vật.

- Được sử dụng để nghiên cứu địa hình của các yếu tố được sử dụng trong các

ngành công nghiệp

- Y học: nha khoa, võng mạc, phôi ăn mòn mạch máu,…

7 Ưu điểm, nhược điểm

a Ưu điểm

- Chúng dễ vận hành và có giao diện thân thiện với người dùng.

- Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp để phân tích bề mặt của các vật thể rắn

- Một số SEM hiện đại có thể tạo ra dữ liệu kỹ thuật số có thể di động được

- Dễ dàng lấy dữ liệu từ SEM, trong khoảng thời gian ngắn khoảng 5 phút

b Nhược điểm

- Những va chạm như vậy dẫn đến sự tán xạ và làm mất nét của chùm điện tử, do

đó dẫn đến vị trí của chùm điện tử trên mẫu vật không chắc chắn Giá thành rất đắt

- Chúng cồng kềnh để mang theo

- Chúng phải được sử dụng trong các phòng không có rung động và không có các phần tử điện từ

- Chúng phải được duy trì với một điện áp phù hợp

C KÍNH HIỂN VI TRUYỀN QUA (TEM)

2 Giới thiệu chung

- Tên tiếng Anh là: Transmission Electron Microscopy, viết tắt: TEM

- Là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vi vật rắn (kể cả mẫu y sinh học), sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh

có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số

- TEM đã được chứng minh là có giá trị trong việc phân tích gần như mọi thành phần tế bào, bao gồm bộ xương tế bào, hệ thống màng, các bào quan và lông mao cũng như các cấu trúc chuyên biệt trong các tế bào đã biệt hóa[7].

- TEM là kỹ thuật được lựa chọn để phân tích vi cấu trúc bên trong của mẫu vật Các mẫu vật cấu trúc kích thước nano rất khó được phân giả bằng kính hiển vi ánh sáng thông thường.Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cung cấp một giải pháp thay thế mạnh mẽ để kiểm tra cấu truc mẫu vật mà kích thước đặc trưng của chúng nhỏ hơn 100nm Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) được ứng dụng rộng rãi tronng các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật sinh học và vật liệu Ngày nay nó được sử dụng nhiều hơn trong lĩnh vực phân tách màng để mô tả các tính năng vi mô và kích thước nano của màng (ví dụ: cấu trúc của màng thẩm thấu ngược (RO) hỗn hợp màng mỏng (TFC) hoặc của lớp chất bẩn màng)[8]

3 Nguyên lí

TEM hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản giống như kính hiển vi quang học nhưng sử dụng các điện tử thay vì ánh sáng

4. Cấu tạo của thiết bị[8]

Hình 1.8 cho thấy các thành phần chính của kính hiển vi TEM bao gồm súng điện

tử, thấu kính tĩnh điện để tập trung các điện tử trước và sau mẫu vật và một hệ thống phát hiện điện tử truyền qua

Hình 1 8 Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua TEM[1]

 Súng điện tử ( Electron scoure) tạo ra năng lượng cao, dòng điện tử lớn Súng

này thường được gắn với một cathode bằng dây tóc vonfram

Các electron được tạo ra bởi cathode là một dây tóc bằng vonfram có hình chữ V

và nó được đốt nóng bình thường Dây tóc vonfram được bao phủ bởi một lưới điều khiển được gọi là hình trụ Wehnelt được tạo thành từ một lỗ trung tâm nằm trên cột của ống Cực âm nằm trên hoặc dưới lỗ cột hình trụ Cực âm và lưới điều khiển được tích điện âm với một đầu của cực dương có dạng hình đĩa cũng có một

lỗ dọc trục

Khi các điện tử được truyền từ catốt, chúng đi qua khe cột (lỗ trống) đến anode ở điện áp cao với năng lượng không đổi, có hiệu quả trong việc lấy nét mẫu để tạo

ra hình ảnh xác định chính xác

Hình 1 9 Cấu tạo chi tiết của súng điện tửCấu tạo chi tiết của súng điện tử

Súng phóng điện tử trong TEM thường tăng tốc các electron thông qua điện áp giatốc 80-300kV để cung cấp cho chúng đủ năng lượng để đi qua một nm vật liệu Các điện tử 200-300 keV thường được sử dụng để chụp ảnh thông thường, với cácđiện tử năng lượng thấp hơn <100 keV được sử dụng để phân tích các nguyên tố nhẹ như Cacbon để giảm hơn mẫu vật[8]

Thiết bị đo đạc chuyên dụng có thể được trang bị một bộ đơn sắc, bộ lọc các điện

tử bằng năng lượng để tạo ra một chùm năng lượng gần như đơn lẻ Cần giảm sự lan truyền năng lượng của chùm tia điện tử để phân tích cải thiện cơ chế thất thoátnăng lượng bên trong vật liệu[8]

 Các hệ thống thấu kính hội tụ và tạo chùm tia song song ( Consider lens):

Đây là hệ thấu kính có tác dụng tập trung chùm điện tử vùa phát ra khỏi súng phóng và điều kiển kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia Hệ hội tụ C1 có vai trò điều khiển chùm tia vừa phát ra khỏi hệ phát điện tử được tập trung vào quỹ đạo của trục quang học Khi truyền đến hệ C2, chùm tia sẽ được điều khiển sao cho tạo thành chùm song song (cho các CTEM) hoặc thành chùm hội tụ hẹp (cho các STEM, hoặc nhiễu xạ điện tử chùm tia hội tụ) nhờ việc điều khiển dòng qua thấu kính hoặc điều khiển độ lớn của khẩu độ hội tụ C2

Kính hiển vi TEM có nhiều thấu kính điện từ hơn SEM, được sắp xếp theo thứ tự dọc theo hướng chùm điện tử như một cột điện tử trước khi mẫu lấy nét các electron thành một chùm có đường kính được kiểm soát và hội tụ

 Khẩu độ hội tụ: (Condenser Aperture)

Là hệ khẩu độ được dùng cùng với hệ thấu kính hội tụ, có tác dụng điều khiển sự hội tụ của chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia và góc hội tụ chùm tia

 Vật kính (Objective lens)

Là thấu kính ghi nhận chùm điện tử đầu tiên từ mẫu vật và luôn được điều khiển sao cho vật sẽ ở vị trí có khả năng lấy nét khi độ phóng đại của hệ thống được