Низковольтный электронный микроскоп - Википедия - Low-voltage electron microscope

Низковольтный электронный микроскоп (LVEM) является электронный микроскоп который работает при ускоряющем напряжении в несколько килограммовэлектронвольт или менее. В традиционных электронных микроскопах используются ускоряющие напряжения в диапазоне 10-1000 кэВ.

Низковольтное изображение в проходящих электронах возможно во многих новых сканирующих электронных детекторах.

Недорогой альтернативой является специальный трансмиссионный электронный микроскоп низкого напряжения.[1] Хотя его архитектура очень похожа на обычную просвечивающий электронный микроскоп, в нем есть несколько ключевых изменений, которые позволяют использовать источник электронов 5 кэВ, но при этом отказываются от многих преимуществ операций с более высоким напряжением, включая более высокое разрешение, возможность рентгеновского микроанализа и EELS и т. д. Недавно появился новый Представлен низковольтный просвечивающий электронный микроскоп, работающий в диапазоне переменного напряжения от 6 до 25 кВ.[2]

Преимущества

Более высокий контраст

Существенное снижение энергии электронов позволяет значительно улучшить контраст световых элементов. Приведенные ниже сравнительные изображения показывают, что уменьшение ускоряющего напряжения с 80 кВ до 5 кВ значительно увеличивает контраст тестовых образцов. Улучшенный контраст является прямым результатом повышенного рассеяния электронов, связанного с пониженным ускоряющим напряжением.

LVEM обеспечивает повышение контрастности изображения почти в двадцать раз выше, чем при 100 кВ. Это очень многообещающе для биологических образцов, которые состоят из легких элементов и не демонстрируют достаточного контраста в классических ПЭМ.[3]

Кроме того, относительно низкая средняя длина свободного пробега (15 нм) для органических образцов при 5 кВ означает, что для образцов с постоянной толщиной высокий контраст будет получен за счет небольших изменений плотности. Например, для 5% контраста на изображении в светлом поле LVEM нам потребуется только разница в плотности между фазами 0,07 г / см3. Это означает, что обычная необходимость окрашивания полимеров для увеличения контраста в ПЭМ (обычно выполняется с осмий или же тетраоксид рутения ) может не потребоваться при использовании низковольтной электронной микроскопии.[4]

Сравнение - ПЭМ-изображения неокрашенного тонкого среза сердца крысы
  • Неокрашенный тонкий срез сердца крысы (5 кВ)

    Изображение низкого напряжения (5 кВ) с более высокой контрастностью

  • Неокрашенный тонкий срез сердца крысы (80 кВ)

    Обычное изображение ПЭМ (80 кВ)

Пятно не требуется

Улучшенная контрастность позволяет значительно уменьшить или исключить тяжелый металл. отрицательное окрашивание шаг для ПЭМ-изображения световых элементов (H, C, N, O, S, P). Хотя окрашивание полезно для экспериментов, направленных на определение структуры с высоким разрешением, оно крайне нежелательно в некоторых препаратах образцов белка, поскольку оно может дестабилизировать образец белка из-за его кислого pH и относительно высокой концентрации тяжелых металлов. Добавление красителя к срезанным образцам, таким как биологические материалы или полимеры, также может вызвать артефакты визуализации.

Эксперименты LVEM, проведенные на образце экстрагированного мембранного белка, который был проанализирован с процедурой окрашивания и без нее, показывают заметное улучшение внешнего вида образца, когда стандартное окрашивание не используется. Результаты показывают, что LVEM может быть даже более полезным, чем обычная ЭМ для этого конкретного приложения, потому что он позволяет избежать этапа потенциально нарушающего окрашивания, обеспечивая тем самым невозмущенное изображение состояния агрегации белка.[5][6]

Кроме того, возможность устранения стадии окрашивания может помочь повысить безопасность в лаборатории, так как распространенные пятна тяжелых металлов, такие как уранилацетат связаны с риском для здоровья.

Разрешение

Первые низковольтные электронные микроскопы были способны обеспечивать пространственное разрешение около 2,5 нм в ПЭМ, 2,0 нм в STEM и 3,0 нм в режимах SEM.[4] К 2010 г. разрешение SEM было улучшено до ~ 1,2 нм при 800 эВ,[7] в то время как разрешение ПЭМ 0,14 нм при 15 кэВ было зарегистрировано в 2016 году.[8]

Ограничения

Доступные в настоящее время низковольтные микроскопы способны получать разрешение только 1,0–3 нм. Хотя это выходит далеко за пределы разрешающей способности оптических (световых) микроскопов, они пока не могут конкурировать с атомным разрешением, достигаемым с помощью обычных (более высоких напряжений) электронных микроскопов.

Низкое напряжение ограничивает максимальную толщину образцов, которые можно исследовать в режиме ПЭМ или СТЭМ. В то время как в обычном ПЭМ он составляет примерно 50-90 нм, он уменьшается примерно до 20–65 нм для LVEM при 5 кВ. Однако для достижения максимального разрешения в режимах ПЭМ и СТЭМ 5 кВ требуются толщины порядка 20 нм или меньше.[3][4] Иногда такую ​​толщину можно получить с помощью ультрамикротом.

В 2015 году эти ограничения были преодолены с помощью низковольтного электронного микроскопа на 25 кВ, который может давать высококачественные результаты с тонкими срезами образцов размером до 100 нм +.

Смотрите также

Области применения

LVEM особенно эффективен для следующих приложений.

Рекомендации

  1. ^ LVEM5 от Delong America
  2. ^ LVEM25 из Америки Делонг
  3. ^ а б Nebesářová1, Jana; Ванкова, Мари (2007). «Как наблюдать небольшие биологические объекты в низковольтном электронном микроскопе». Микроскопия и микроанализ. 13 (3): 248–249. Дои:10.1017 / S143192760708124X (неактивно 10.09.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2020 г. (связь)
  4. ^ а б c Драмми, Лоуренс, Ф .; Ян, Джуньян; Мартин, Дэвид С. (2004). «Низковольтная электронная микроскопия тонких пленок полимеров и органических молекул». Ультрамикроскопия. 99 (4): 247–256. Дои:10.1016 / j.ultramic.2004.01.011. PMID  15149719.
  5. ^ Asmar, G.A .; Hanson, M.A .; Ward, A.B .; Lasalde, J.A .; Stevens, R.C .; Potter, C .; Кун, П. М. (2004). «Низковольтная электронная микроскопия (LVEM) как зонд для определения состояний агрегации солюбилизированных мембранных белков». Микроскопия и микроанализ. 10 (2): 1492–1493. Bibcode:2004MiMic..10S1492A. Дои:10.1017 / S1431927604886069.
  6. ^ Лундстрем, Кеннет (2006). Структурная геномика мембранных белков. CRC Press. С. 271–274. ISBN  978-1-57444-526-8.
  7. ^ Van Aken, R.H .; Maas, D. J .; Hagen, C.W .; Barth, J. E .; Крут, П. (2010). «Дизайн низковольтного СЭМ с коррекцией аберрации». Ультрамикроскопия. 110 (11): 1411–9. Дои:10.1016 / j.ultramic.2010.07.012. PMID  20728276.
  8. ^ Моришита, Шигеюки; Мукаи, Масаки; Суэнага, Кадзу; Савада, Хидетака (2016). «Атомное разрешение изображения при сверхнизком ускоряющем напряжении с помощью монохроматического просвечивающего электронного микроскопа». Письма с физическими проверками. 117 (15): 153004. Bibcode:2016ПхРвЛ.117о3004М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.153004. PMID  27768334.

внешняя ссылка