Kính hiển vi điện tử (Electron microscopy)

Nguyên lý hoạt động

Kính hiển vi điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa chùm điện tử và vật mẫu. Một nguồn phát electron tạo ra chùm điện tử, sau đó chùm điện tử này được hội tụ bằng các thấu kính từ. Khi chùm điện tử tương tác với mẫu, một số điện tử bị tán xạ, một số bị hấp thụ, và một số xuyên qua mẫu. Các điện tử được truyền qua hoặc tán xạ sau đó được thu thập và sử dụng để tạo hình ảnh. Tùy thuộc vào loại kính hiển vi điện tử, tín hiệu thu thập có thể là điện tử tán xạ (trong kính hiển vi điện tử quét – SEM) hoặc điện tử truyền qua (trong kính hiển vi điện tử truyền qua – TEM). Sự tương tác giữa chùm điện tử và mẫu cung cấp thông tin về hình thái, thành phần và cấu trúc tinh thể của mẫu. Ví dụ, trong TEM, sự tán xạ của điện tử phụ thuộc vào mật độ của vật chất, cho phép hình dung sự khác biệt về mật độ trong mẫu.

Độ phân giải

Độ phân giải của kính hiển vi điện tử được xác định bởi bước sóng de Broglie của điện tử. Bước sóng này được tính bằng công thức:

$ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv} $

Trong đó:

• $ \lambda $ là bước sóng de Broglie.
• $ h $ là hằng số Planck.
• $ p $ là động lượng của điện tử.
• $ m $ là khối lượng của điện tử.
• $ v $ là vận tốc của điện tử.

Vì vận tốc của điện tử trong kính hiển vi điện tử rất lớn, nên bước sóng de Broglie rất nhỏ, cho phép đạt được độ phân giải cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học. Điện tử được gia tốc dưới điện áp cao, thường là từ vài kilovolt đến vài trăm kilovolt, dẫn đến bước sóng de Broglie rất ngắn, cỡ picomet, nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến (hàng trăm nanomet). Điều này giải thích tại sao EM có thể đạt được độ phân giải cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học.

Các loại kính hiển vi điện tử

Có hai loại kính hiển vi điện tử chính:

• Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy – TEM): Trong TEM, chùm điện tử xuyên qua mẫu mỏng. Hình ảnh được tạo ra từ sự tương tác của điện tử với mẫu khi chúng truyền qua. TEM cung cấp thông tin về cấu trúc bên trong của mẫu, chẳng hạn như hình thái, tinh thể học và thành phần nguyên tố. Độ dày của mẫu TEM thường phải nhỏ hơn 100 nanomet để cho phép điện tử xuyên qua.
• Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy – SEM): Trong SEM, chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu. Hình ảnh được tạo ra từ các điện tử thứ cấp phát ra từ bề mặt mẫu khi tương tác với chùm điện tử. SEM cung cấp thông tin về hình thái bề mặt và thành phần của mẫu. SEM có thể được sử dụng để quan sát các mẫu có kích thước lớn hơn và không cần chuẩn bị mẫu mỏng như TEM.

Ưu điểm của kính hiển vi điện tử

• Độ phân giải cao, cho phép quan sát các cấu trúc nhỏ đến mức nanomet, thậm chí là Angstrom.
• Độ phóng đại lớn, có thể lên đến hàng triệu lần.
• Cung cấp thông tin về cấu trúc bên trong (TEM) và bề mặt (SEM) của mẫu.
• Đa dạng kỹ thuật phân tích: EM có thể được kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác như phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) để cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố của mẫu.

Nhược điểm của kính hiển vi điện tử

• Chi phí cao: Cả việc mua sắm và vận hành EM đều tốn kém, đòi hỏi đầu tư đáng kể vào thiết bị và cơ sở hạ tầng.
• Yêu cầu chuẩn bị mẫu phức tạp: Chuẩn bị mẫu cho EM thường phức tạp và tốn thời gian, đòi hỏi kỹ năng chuyên môn và thiết bị đặc biệt. Một số kỹ thuật chuẩn bị mẫu có thể làm thay đổi cấu trúc của mẫu.
• Mẫu phải được đặt trong môi trường chân không: Điều này hạn chế khả năng quan sát các mẫu sống trong trạng thái tự nhiên của chúng.
• Không thể quan sát mẫu sống: Môi trường chân không và chùm điện tử năng lượng cao có thể gây hại hoặc phá hủy các mẫu sống.

Ứng dụng

Kính hiển vi điện tử được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Khoa học vật liệu: Nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật liệu, phân tích khuyết tật, xác định thành phần và nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu.
• Sinh học: Nghiên cứu cấu trúc tế bào và vi sinh vật, phân tích các quá trình sinh học ở cấp độ phân tử, nghiên cứu tương tác giữa các phân tử sinh học.
• Y học: Chẩn đoán bệnh, nghiên cứu tác động của thuốc, phát triển các liệu pháp điều trị mới.
• Nông nghiệp: Nghiên cứu cấu trúc thực vật, phân tích sự phát triển của cây trồng, nghiên cứu tác động của sâu bệnh.
• Công nghệ nano: Chế tạo và phân tích vật liệu nano, nghiên cứu các tính chất của vật liệu nano, phát triển các ứng dụng của công nghệ nano.
• Khoa học pháp y: Phân tích dấu vết, xác định vật liệu, hỗ trợ điều tra tội phạm.

Tóm tắt

Kính hiển vi điện tử là một công cụ mạnh mẽ cho phép quan sát và phân tích các cấu trúc ở mức độ nano. Sự phát triển của kính hiển vi điện tử đã đóng góp đáng kể cho sự tiến bộ của khoa học và công nghệ.

Chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị mẫu là một bước quan trọng trong kính hiển vi điện tử, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh. Các phương pháp chuẩn bị mẫu khác nhau tùy thuộc vào loại kính hiển vi điện tử và loại mẫu.

• TEM: Mẫu cho TEM phải rất mỏng, thường dày khoảng vài nanomet, để cho phép chùm điện tử xuyên qua. Các kỹ thuật chuẩn bị mẫu TEM bao gồm cắt mỏng, mài mòn, khắc ion và cắt đông lạnh (cryo-ultramicrotomy).
• SEM: Mẫu cho SEM thường được phủ một lớp mỏng kim loại dẫn điện, chẳng hạn như vàng hoặc bạch kim, để ngăn chặn sự tích tụ điện tích trên bề mặt mẫu. Quá trình phủ kim loại giúp tăng cường tín hiệu điện tử thứ cấp và cải thiện chất lượng hình ảnh.

Các kỹ thuật kính hiển vi điện tử tiên tiến

Ngoài TEM và SEM, còn có một số kỹ thuật kính hiển vi điện tử tiên tiến khác, bao gồm:

• Kính hiển vi điện tử quét truyền qua (Scanning Transmission Electron Microscopy – STEM): STEM kết hợp các nguyên lý của TEM và SEM. Trong STEM, chùm điện tử hội tụ được quét trên mẫu, và các điện tử truyền qua hoặc tán xạ được thu thập để tạo hình ảnh. STEM cho phép độ phân giải không gian cao hơn và khả năng phân tích thành phần nguyên tố. STEM thường được sử dụng kết hợp với phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) hoặc phổ mất năng lượng điện tử (EELS) để phân tích thành phần hóa học của mẫu ở độ phân giải cao.
• Kính hiển vi điện tử cryo (Cryo-electron microscopy – Cryo-EM): Cryo-EM là một kỹ thuật dùng để nghiên cứu các mẫu sinh học ở trạng thái đông lạnh. Mẫu được làm lạnh nhanh chóng đến nhiệt độ đông lạnh, giữ nguyên cấu trúc tự nhiên của nó. Cryo-EM đã trở thành một công cụ quan trọng trong sinh học cấu trúc, cho phép xác định cấu trúc ba chiều của các phân tử sinh học phức tạp. Cryo-EM đặc biệt hữu ích cho việc nghiên cứu các protein màng và các phức hợp protein lớn.
• Kính hiển vi điện tử trường ion (Field Emission Electron Microscopy – FE-EM): FE-EM sử dụng một trường điện mạnh để phát xạ điện tử từ một đầu kim nhọn. Kỹ thuật này cho phép độ phân giải rất cao, xuống đến mức nguyên tử. FE-SEM và FE-TEM cung cấp chùm điện tử sáng hơn và độ phân giải không gian tốt hơn so với SEM và TEM thông thường.

So sánh giữa kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử

• Goldstein, J. I., Newbury, D. E., Michael, J. R., Ritchie, N. W. M., Scott, J. H. J., & Joy, D. C. (2017). Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. Springer.
• Williams, D. B., & Carter, C. B. (2009). Transmission electron microscopy: A textbook for materials science. Springer.
• Frank, J. (2006). Three-dimensional electron microscopy of macromolecular assemblies: Visualization of biological molecules in their native state. Oxford University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa thấu kính từ trong kính hiển vi điện tử và thấu kính thủy tinh trong kính hiển vi quang học là gì?

Trả lời: Thấu kính thủy tinh khúc xạ ánh sáng để hội tụ chùm tia, trong khi thấu kính từ sử dụng từ trường để làm lệch hướng và hội tụ chùm điện tử. Điện tử, mang điện tích, bị ảnh hưởng bởi từ trường, trong khi photon, không mang điện tích, thì không. Do đó, không thể sử dụng thấu kính thủy tinh để hội tụ chùm điện tử.

Tại sao mẫu cho TEM phải rất mỏng?

Trả lời: Mẫu cho TEM phải mỏng để cho phép chùm điện tử xuyên qua. Nếu mẫu quá dày, điện tử sẽ bị tán xạ quá nhiều và không thể tạo ra hình ảnh rõ nét. Độ dày lý tưởng của mẫu TEM thường nằm trong khoảng vài nanomet đến vài chục nanomet.

Bên cạnh độ phân giải cao, SEM còn có những ưu điểm nào khác so với TEM?

Trả lời: SEM có một số ưu điểm so với TEM, bao gồm:

• Chuẩn bị mẫu đơn giản hơn: Mẫu cho SEM không cần phải mỏng như TEM, việc chuẩn bị mẫu thường đơn giản hơn.
• Độ sâu trường ảnh lớn hơn: SEM cho phép quan sát bề mặt mẫu với độ sâu trường ảnh lớn hơn, tạo ra hình ảnh 3D rõ nét.
• Khả năng phân tích thành phần nguyên tố: Kết hợp với kỹ thuật phân tích tia X năng lượng phân tán (EDS), SEM có thể cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố của mẫu.

Cryo-EM có vai trò như thế nào trong việc nghiên cứu virus?

Trả lời: Cryo-EM đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu virus. Nó cho phép các nhà khoa học hình dung cấu trúc 3D của virus ở trạng thái gần với tự nhiên, giúp hiểu rõ hơn về cách thức virus xâm nhập và nhân lên trong tế bào, từ đó phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả hơn.

Giới hạn độ phân giải của kính hiển vi điện tử là gì và tại sao?

Trả lời: Mặc dù kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, nhưng nó vẫn có giới hạn. Giới hạn này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bước sóng của điện tử, chất lượng của thấu kính từ, và các hiện tượng nhiễu xạ và tán xạ trong mẫu. Hiện nay, độ phân giải cao nhất đạt được bằng kính hiển vi điện tử truyền qua hiệu chỉnh sắc sai (Corrected TEM) có thể đạt đến dưới 0.1 nm. Tuy nhiên, việc đạt được độ phân giải cao này đòi hỏi kỹ thuật phức tạp và chi phí cao. Các yếu tố như rung động, độ ổn định của nguồn điện tử, và chất lượng chuẩn bị mẫu cũng ảnh hưởng đến độ phân giải cuối cùng.