I Từ kính hiển vi quang học đến kính hiển vi điện tử • 167 TCN - Người Trung Quốc sử dụng kính hiển vi đơn giản làm ống kính ống đầy nước để hình dung khơng nhìn thấy [1] • Thế kỷ 17, Antonie van Leeuwenhoek [2] – nhà khoa học Hà Lan, có đóng góp quan trọng việc phát triển kính hiển vi để tìm tế bào hồng cầu tinh trùng • Ơng có bước đột phá, ghép hai thấu kính lại thành kính hiển vi đầu tiên, giúp khám phá vi trùng Nguồn: [2] • • [1] History & Culture: History of microscopes, ThoughtCo, Mary Bellis - May 31, 2017 [2] A.v.Leeuwenhoek: How Antoni van Leeuwenhoek discovered the sperm cell and a rare hiccuping disease, Telegraph Reporters, 8-2016 Edit Master text styles A replica of van Leeuwenhoek's microscope Nguồn: [2] • [2] A.v.Leeuwenhoek: How Antoni van Leeuwenhoek discovered the sperm cell and a rare hiccuping disease, Telegraph Reporters, 8-2016 Kính hiển vi quang học: • Kính hiển vi quang học: sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát hình ảnh vật thể nhỏ phóng đại nhờ hệ thống thấu kính thủy tinh (dựa hện tượng khúc xạ ánh sáng) • Độ phân giải: • Độ phân giải: kính hiển vi quang học bị giới hạn bước sóng ánh sáng khả kiến số độ ( ngồi ra, bị ảnh hưởng tượng nhiễu xạ ánh sáng ) • [3] Microscopes: E.encyclopedia Science, FACT MONSTER, 2007 https://www.factmonster.com/dk/encyclopedia/science/microscopes Nguồn: [3] Optical path in a typical microscope Nguồn: [4] • [4] Projection Microscope: Demonstration Equipment, Marschal A Fazio, 2007 https://sites.google.com/site/sed695b4/projects/demonstration-equipment/demonstration-marschal-a-fazio • Sau gần 100 năm cải tiến, kính hiển vi quang học trước phóng đại 100 lần lên 1000 lần, theo lí thuyết phóng đại tới mức 200 nm ( kính hiển vi dùng ánh sáng bước sóng λ khơng thể thấy chi tiết nhỏ λ/2, kính hiển vi quang học cho ảnh chiều ) • Để đạt độ phân giải cao hơn, cần đổi kính hiển vi: phóng đại theo kiểu mới, tạo ảnh theo kiểu mới, xử lí ảnh theo kiểu • Từ đó, dẫn đến đời kính hiển vi điện tử (electron microscopes), gồm loại phổ biến:  Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)  Kính hiển vi điện tử quét (SEM)  Kính hiển vi điện tử tunel (STM)  Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) II/ Kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscopy - TEM) Nguồn: [5] • [5] Louis de Broglie: Nobel Lectures, Physics 1922-1941, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1965 https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-bio.html •• Năm 1924 luận án tiến sĩ mình, Louis De Broglie [6] đưa giả thuyết: Các hạt vi mơ điều  có tính chất sóng, hạt có động lượng: P=mv; ứng với sóng có bước sóng: λ=h/p=h/mv • Năm 1927, thí nghiệm nhiễu xạ điện tử cho thấy điện tử (electron) có tính chất sóng,và bước sóng giống cơng thức de Broglie • Với • Mà • Suy ra: [6] • Tính tốn ra, dùng điện trường tăng tốc điện tử U=50kV bước sóng điện tử λ=0,005nm, U=100kV bước sóng điện tử λ=0,0037nm • Vậy thay cho ánh sáng, dùng tia điện tử để làm kính hiển vi, suất phân giải khơng bị hạn chế bước sóng dài kính hiển vi quang học • Năm 1926, H.Busch chứng minh dùng điện từ trường để điều khiển chùm tia điện tử chuyển động Tác dụng điều khiển điện từ trường chùm điện tử chuyển động giống tác dụng thấu kính thuỷ tinh với ánh sáng khả kiến • Dựa vào sở trên, năm 1931, lần Ernst August Friedrich Ruska với kỹ sư điện Max Knoll lần dựng nên mơ hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai, sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh sóng điện tử Thiết bị thực xây dựng vào năm 1938 Albert Presbus James Hillier (1915-2007) Đại học Toronto (Canada) thiết bị hoàn chỉnh thực Cấu tạo nguyên lý làm việc kính hiển vi điện tử truyền qua • Khác với kính hiển vi quang học, tia điện tử cần điện cao để tăng tốc, đường điện tử có phân tử khơng khí điện tử va chạm bị tán xạ mạnh Do đó, kính hiển vi điện tử truyền qua, từ nơi điện tử phát ra, qua thấu kính, nơi tạo ảnh -5 cuối cùng, điều phải bảo đảm chân khơng cao, cỡ 10 torr • Khi làm việc, thân máy phải hút chân không nhờ hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn ) • Năng suất phân giải kính hiển vi điện tử truyền qua với loại trung bình có suất phân giải 1nm, loại tốt suất phân giải 0,1nm Nguồn: [6] • [6] Transmission Electron Microscopy: Phòng thí nghiệm Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM TECNAI G2-20, Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội, Wikipedia, 2015 https://vi.m.wikipedia.org/wiki/K%C3%ADnh_hi%E1%BB%83n_vi_%C4%91i%E1%BB%87n_t%E1%BB%AD_truy%E1%BB%81n_qua Nguồn: [7] • [7] Electron microscope constructed by Ernst Ruska in 1933: Electron Microscope Deutsches Museum, J Brew, 2008 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ernst_Ruska_Electron_Microscope_-_Deutsches_Museum_-_Munich.jpg • [8] Electron microscope : JEOL 2100Plus - 200kV Transmission Electron Microscope – EMBL, EMBL, 2016 https://www.embl.de/services/core_facilities/em/equipment/jeol2100_/ Nguồn: [8] Thấu kính lăng kính từ • Kính hiển vi điện tử có hệ thống ống kính quang điện tử tương tự kính hiển vi ánh sáng kính hiển vi quang học • Thay cho vật kính thị kính thuỷ tinh, vật kính thị kính điều thấu kính điện từ Đó cuộn dây điện có lỗi rỗng sắt non, hình dạng đặc biệt Dòng điện chạy cuộn dây lớn hay nhỏ làm cho lỗi sắt non bị từ hố nhiều hay chùm tia điện tử hội tụ gần hay xa nói cách khác, tiêu cự thấu kính điện từ thay đổi cách thay đổi dòng điện qua thấu kính Nguồn: [6] Súng phóng điện tử • Trong TEM, điện tử (electron) phát từ súng phóng điện tử Có hai cách để tạo chùm điện tử: Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử phát từ catốt đốt nóng Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission Gun- FEG TEM): Điện tử phát từ catốt nhờ điện lớn đặt vào nguồn phát điện tử có tuổi thọ cao, cường độ chùm điện tử lớn độ đơn sắc cao Nguồn: [6] Sự tạo ảnh TEM • Ảnh TEM tạo theo chế quang học, tính chất ảnh tùy thuộc vào chế độ ghi ảnh Điểm khác TEM độ tương phản • Nếu ảnh kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu đem lại hiệu ứng hấp thụ ánh sáng độ tương phản ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả tán xạ điện tử Các chế độ tương phản TEM: Tương phản biên độ Tương phản pha Tương phản nhiễu xạ • Bộ phận ghi nhận quan sát ảnh: Màn huỳnh quang phim quang học Camera điện tử Ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao chụp lớp phân cách Si/SiO2, thấy lớp nguyên tử Si Nguồn: [6] • Ưu điểm, hạn chế ứng dụng Ưu điểm: o Tạo ảnh với độ tương phản, độ phân giải cao o Có thể thực phương pháp nhiễu xạ điện tử, với chùm electron chùm sóng đơn sắc mẫu tinh thể cách tử khơng gian chiều, từ kết hợp với ảnh hiển vi cho biết nhiều thông tin cấu trúc vật chất • Hạn chế o Yêu cầu khắt khe trình hoạt động bảo dưỡng, trình độ vận hành cao o Chi phí cao o Đòi hỏi xử lý mẫu vật phức tạp (cần phải phá hủy mẫu), mẫu nghiên cứu TEM có độ dày nhỏ (cỡ hàng chục nm) o Còn khiếm khuyết việc cho thông tin độ sâu ảnh • Ứng dụng:  Tạo nên bước tiến vượt bậc, thấy cấu trúc chi tiết tế bào, nhà sinh vật loại siêu vi trùng gây dịch bệnh, nhà khoa học vật liệu thấy loại sai hỏng cách xếp nguyên tử tạo thành tinh thể  Với kính hiển vi điện tử dễ dàng thực phương pháp nhiễu xạ điện tử,vì chùm tia điện tử chùm sóng đơn sắc mẫu tinh thể cách tử không gian chiều cho biết nhiều thông tin cấu trúc vật chất ... hiển vi điện tử truyền qua (TEM)  Kính hiển vi điện tử quét (SEM)  Kính hiển vi điện tử tunel (STM)  Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) II/ Kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron... kính hiển vi điện tử truyền qua • Khác với kính hiển vi quang học, tia điện tử cần điện cao để tăng tốc, đường điện tử có phân tử khơng khí điện tử va chạm bị tán xạ mạnh Do đó, kính hiển vi điện. .. https://www.embl.de/services/core_facilities/em/equipment/jeol2100_/ Nguồn: [8] Thấu kính lăng kính từ • Kính hiển vi điện tử có hệ thống ống kính quang điện tử tương tự kính hiển vi ánh sáng kính hiển vi quang