PDA

View Full Version : Giới thiệu loạt bài viết về kính hiển vi



admin
29-06-2007, 10:34
Ước vọng nhìn thấy những vật nhỏ li ti mà mắt thường không nhìn thấy được đã có từ lâu .Với niềm đam mê đó con người đã không ngừng tìm kiếm các phương pháp tiếp cận quan sát thế giới vi mô, thành công rực rỡ đầu tiên của họ đó là sự ra đời của kính hiển vi quang học.Bằng cách ghép hai thấu kính lại với nhau kính hiển vi quang học đã tạo nên bước đột phá lớn,vi khuẩn đã được nhìn thấy. Con người đã từng bước khám phá sự kỳ diệu của thế giới vi mô. Không dừng lại ở đó ,trứơc sự giới hạn của kính hiển vi quang học,con người vẫn tiếp tục tìm kiếm những phương pháp khác tinh vi hơn nữa để thấy rõ thế giới vi mô giúp chúng ta thỏa mãn ước vọng nhìn thấy được những viên gạch nhỏ bé thế giới tự nhiên. Trong quá trình đó họ đã đạt được những thành tựu rực rỡ

Ngày nay, khi khoa học công nghệ ngày phát triển, các công cụ quan sát vi mô cũng rất đa dạng và phong phú, bao gồm rất nhiều chủng loại phục vụ cho nhiều ngành khoa học cơ bản khác nhau. Trong đó ngành kỹ thuật y sinh cũng không ngoại lệ, có thể nói việc tiếp cận vơi thế giới vi mô là công việc chủ yếu của các chuyên gia vế lĩnh vực kỹ thuật y sinh, do đó việc tìm hiểu và tiếp cận với các công cụ quan sát thế giới vi mô là việc làm cần thiết đối với sinh viên và những người quan tâm đến kỹ thuật y sinh.

Loat bài viết sau đây mình xin giới thiệu với các bạn nguyên tắc vật lý cơ bản của các loại kính hiển vi được sử dụng trong nghiên cứu khoa học hiện nay. Mình sẽ tìm hiểu và giải thích thật đơn giản, nếu có gì sai xót rất mong các bạn bỏ qua và cho minh ý kiến đóng góp. Xin cám ơn!

admin
29-06-2007, 11:16
kính hiển vi quang học

1. Lịch sử : Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) người Hà Lan là con của một nhà buôn vải,ông rất say mê mài thủy tinh chế tạo thấu kính. Ông được xem là cha đẻ của ngành vi trùng học bởi chính ông là người đầu tiên chế tạo ra kính hiển vi, đơn giản chỉ việc ghép hai thấu kính với nhau .Trong suốt cuộc đời của mình Leeuwenhoek đã mài được trên 500 thấu kính quang hoc,chế tạo khoảng 400 kính hiển vi khác nhau ,9 trong số đó còn tồn tại cho tới hôm nay.Ông đã dành phần lớn thời gian của mình để cải tiến chất lượng của những kính hiển vi này ,và học tất cả mọi thứ mà ông nhìn thấy được .Ông cũng ghi chép cẩn thận những quan sát. Ông đã sớm phát triển thành công kính hiển vi tốt nhất thời bấy giờ với độ phóng đại khoảng 500 lần.Và cho đến ngày hôm nay một số phương pháp chế tạo kính hiển vi của ông vẫn còn la điều bí ẩn

2. Quá trình phát triển :
Ngay từ khi mới ra đời kính hiển vi quang học với độ phóng đại dưới 100 lần đã thấy được nhiều điều kỳ thú.Chính Leeuwenhoek đã say xưa vẽ lại những gì ông quang sát được,xuất bản quyển sách có tên là “những điều Leeuwenhoek quang sát được dưới kính hiển vi”.
Thế giới nhỏ bé đã thu hút biết bao nhà khoa học, khi đã thấy được những vật nhỏ lại muốn thấy những vật nhỏ hơn. Bằng cách mài thấu kính tỉ mỉ hơn,ghép nối các thấu kính hoàn chỉnh hơn,có thể ghép nhiều hơn hai thấu kính,sẽ làm tăng hơn nữa độ phóng đại của kính hiển vi. Quá trình cải tiến đã làm cho kính hiển vi ngày càng tinh xảo
Độ phóng đại cao nhưng hình ảnh quan sát phải phân biệt rõ,người ta đưa ra một tiêu chuẩn để đánh giá chất lượng đó là độ phân giải : là khoảng cách bé nhất giữa hai điểm qua kính hiển vi mà mắt người có thể phân biệt được
Trên cơ sở lý thuyết nhiễu xạ ánh sáng, một kỹ sư người Đức đã tính toán và đưa ra một giới hạn của lý thuyết : kính hiển vi sử dụng ánh sáng có bước sóng l không thể có độ phân giải nhỏ hơn l/2
Ánh sáng mắt ta trông thấy được vào cỡ 0,6microm vậy độ phân giải kính hiển vi quang học không thể nhỏ hơn 0,3microm
Người ta vẫn liên tục cải tiến kính hiển vi quang học,một vật kính thực ra phải ghép từ nhiều thấu kính,mài rất công phu ,phức tạp giảm thiểu sắc sai,cầu sai… để tăng độ phân giải của kính

3. Cấu tạo:
[Only registered and activated users can see links]

[Only registered and activated users can see links]

4. Các loại Kính hiển vi quang học
a)Kính hiển vi quang học đơn giản :
- Là kính hiển vi có cấu tạo như trình bày ở trên,làm việc theo nguyên tắc ghép thấu kính, ảnh chỉ rõ nét trên mặt phẳng và mẫu phải phẳng,ảnh nhìn thấy được là ảnh hai chiều

b) Kính hiển vi nổi:
- Kính hiển vi được chế tạo đặc biệt có thể quan sát được ảnh ba chiều vật mẫu, bằng cách sử dung hai thị kính (đôi khi có thể là hai kính hiển vi hoàn toàn) để tạo ra góc nhìn khác nhau giữa mắt trái và mắt phải cho ta hình ảnh ba chiều
[Only registered and activated users can see links]
- Kính hiển vi quang học nổi thường được sử dụng để nghiên cứu bề mặt chất rắn, trong phẩu thuật, quan sát hoặc kiểm tra các board mạch điện v.v…

c) Một số loại kính hiển vi khác:
- Kính hiển vi đảo ngược (inverted): với nguồn sáng đặt phía trên hướng xuống dưới,quan sát ánh sáng phản xạ từ vật mẫu,khác với ánh sáng truyền qua của kính hiển vi thông thường .Kính hiển vi này thường được dùng để quan sát các tế bào sống,các chất hữu cơ trong các mẫu chứa lớn ,không thể quan sát như một mặt kính trong suốt .
- Kính hiển vi dành cho sinh viên :được chế tạo rẻ , bền và dể dàng sử dụng
- Kính hiển vi dùng trong nghiên cứu : chế tạo đắt tiền với nhiều cải tiến
- Kính hiển vi thạch học (petrographic): được chế tạo đặt biệt dùng cho nghiên cứu khoáng vật hoặc các vật liệu trong suốt

5. Nhận xét :Kính hiển vi quang học có nhiều ưu điểm: gọn nhẹ, làm việc trong không khí ,mẫu có thể khô hay ướt. Nhưng kính hiển vi quang học làm việc theo nguyên tắc ghép thấu kính ,ảnh chỉ rõ nét trên mặt phẳng và mẫu phải phẳng. Về cơ bản kính hiển vi quang học là kính hiển vi hai chiều

admin
01-07-2007, 21:00
Kính hiển vi điện tử

I. Lịch sử:
Năm 1924 nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đưa ra giả thuyết về tính chất sóng của vật chất ,các hạt vi mô có động lượng p=mv thì ứng với bước sóng l = h/p. Các thí nghiệm sau đó đã cho thấy quả thật đúng là điện tử có tính chất sóng. Vậy thay cho ánh sáng ,dùng tia điện tử để làm kính hiển vi. Đây là một bước đột phá lớn bởi vì dùng tia điện tử thì độ phân giải sẽ không bị hạn chế do bước sóng dài như ánh sáng, điện tử có bước sóng nhỏ hơn rất nhiều.Trên ý tưởng đó, năm 1932 kính hiển vi điện tử đầu tiên được chế tạo bởi nhà vật lý người Đức Emst Ruska với độ phóng đại khoảng 400 lần, năm 1986 ông được nhận giải Noben cho phát minh này .Mặc dù kính hiển vi điện tử ngày nay với độ phóng đại lên đến vài triệu lần nhưng về nguyên tắc cũng giống như của Emst Ruska. Nguồn sáng được thay thế bằng chùm điện tử, còn về thấu kính thì dùng từ trường để lái tia, tức là dùng thâu kính điện từ

II. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
[Only registered and activated users can see links]

1. Cấu tạo:

[Only registered and activated users can see links]

Qua mô hình chúng ta thấy kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi quang học tuy về cơ bản khác nhau nhưng có điểm tương đồng là khuếch đại bằng thấu kính. Thấu kính được cấu tạo từ cuộn dây điện có lõi sắt non, có hình dạng đặc biệt. Dòng điện chạy trong cuộn dây lớn hay sẽ làm cho cuộn dây nhiễm từ nhiều hay ít do đó làm thay đổi độ tụ của chùm tia điện tử.

Thay cho bóng đèn tạo ra nguồn sáng, kính hiển vi điện tử sử dụng nguồn phóng điện tử tạo ra tia điện tử và được tăng tốc với hiệu điện thế cao (50-100kV). Kính hiển vi điện tử truyền qua, từ nơi phát điện tử qua thấu kính,đến nơi tạo ảnh cuối cùng đều phải đảm bảo chân không cao để tránh sự tán xạ của tia điện tử

Năng suất phân giải của kính hiển vi điện tử truyền qua rất cao so với kính hiển vi quang học, loại trung bình khoảng 1nm, loại tốt khoảng 0,1nm

2. Nguyên lý

Chùm tia điện tử được tăng tốc bởi hiệu điện thế cao sau đó hội tụ lên vật mẫu bằng thấu kính từ. Chùm tia điện tử như là chùm sóng đơn sắc, còn mẫu như là cách tử không gian ba chiều, do hiện tượng nhiễu xạ điện tử, tia điện tử sau khi truyền qua vật mẫu mang theo những thông tin về cấu trúc, trật tự sắp xếp của các nguyên tử trong vật mẫu. Thông tin hay ảnh này được khuếch đại bởi những thấu kính đặc nối tiếp nhau cho đến khi nó được ghi nhận bằng màn huỳnh quang,kính ảnh hoặc bộ cảm biến quang học như CCD(charge -coupled device). Ảnh CCD có thể quang sát trực tiếp trên màn hình hiển thị hoăc lưu trữ vào máy tính

3. Nhược điểm

Mẫu nghiên cứu phải rất mỏng vào khoảng chục nanomet nếu không ảnh sẽ không trung thực ,bị giả tạo

Mẫu nghiên cứu phải khô và được đặc trong chân không cao

Vì đây là phương pháp tạo ảnh phóng đại bằng thấu kính nên ảnh tao ra là ảnh hai chiều, ảnh phóng đại rất tốt về chiều ngang, dọc nhưng không cho biết chính xác về chiều cao trên mẫu

Việt khó tăng độ phân giải không phải do bước sóng mà là do khó chế tạo hoàn chỉnh thấu kính điện từ

5. Nhận xét

[Only registered and activated users can see links]
Ngày nay kính hiển vi điện tử đươc cải tiến rất nhiều. Để khắc phuc sắc sai và cầu sai của thấu kính, người ta chế tạo ra bộ điều chỉnh quan sai để tăng độ phân giải cho kính hiển vi. Phần mềm hiệu chỉnh cho ta hình ảnh với độ phân giải rất lớn, khoảng vài chục triệu lần

III. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
[Only registered and activated users can see links]

1. Sự phát triển:

Kính hiển vi điện tử quét ra đời gần như cùng lúc với kính hiển vi điện tử truyền qua. Tuy nhiên kính hiển vi điện tử quét ra đời thời đó còn thô sơ, độ phân giải thấp, chỉ là một thiết bi chế thử trong phòng thí nghiệm cho đến những năm 60. Sau đó những chiết kính hiển vi loại tốt bắt đầu ra đời. Loại kính hiển vi này càng tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn kính hiển vi điện tử truyền qua. Nhờ kỹ thuật phát triển, kính hiển vi điện tử quét được chế tạo ngày càng chính xác hơn có nhiều ưu điểm hơn nên ngày nay kính hiền vi điện tử được sử dụng hầu hết trong các ngành khoa hoc như :y hoc, vật liệu học, địa chất học, khoa học hình sự v.v…

2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

[Only registered and activated users can see links]

Đầu tiên một súng phát ra điện tử và và điện tử được tăng tốc bằng hiệu điện thế 5- 30kV chiếu thẳng vào bề mặt mẫu. Trên đường đi người ta dùng thấu kính điện từ để tập trung chùm tia điện tử. Một bộ phận rất quang trọng đó là bộ phát quét,tạo ra những điện thế răng cưa dẫn đến các cuộn dây, điều khiển tia điện tử quét trên bề mặt mẫu. Bộ phát quét này đồng thời điều khiển tia điện tử ở đèn hình ống (CTR) quét trên màn hình để đảm bảo tính đồng bộ với việc quét trên mẫu

Để tạo ảnh phóng đại,người ta bố trí detector để thu tín hiệu ra từ mẫu. Điện tử thoát ra từ vật mẫu ít hay nhiều phụ thuộc vào bề mặt mẫu, chỗ lồi điện tử phát ra nhiều hơn chỗ lõm tương ứng với độ sáng tối trên màn hình
Độ phóng đại = D/d trong đó d là cạnh hình vuông của vật quét, D là cạnh của màn hình CRT

3. Ưu điểm
Độ phân giải cũng xấp xĩ với kính hiển vi điện tử truyền qua

Làm mẫu dễ dàng không phải dát mỏng

Tạo ảnh phóng đại bằng phương pháp quét, không dùng thấu kính nên ảnh có chiều sâu tốt

Nghiên cứu sâu về bề mặt vật rắn ta thấy khi chiếu chùm tia điện tử vào bề mặt vật rắn thì ta sẽ thu được các điện tử thứ cấp(các điện tử bị bức ra), điện tử tán xạ ngược, tia X tia hồng ngoại v.v.. Mỗi loại cho ta nhưng thông tin khác nhau về vật rắn. Bằng cách bố trí detector để thu các tín hiệu khác nhau ta được các kiểu chụp khác nhau về vật mẫu, mỗi kiểu ảnh cho biết một sô đặc điểm của mẫu

Tuy nhiên kính hiển vi điện tử quét cũng co nhược điểm như vật mẫu quang sát phải đưa vào môi trường chân không, ảnh tuy có độ sâu nhưng vẫn là ảnh hai chiều và đặc biệt chỉ quang sát được bề mặt

[Only registered and activated users can see links]

IV. Kết luận
Kính hiển vi điện tử ra đời đã phá bỏ giới hạn của kính hiển vi quang học. Với độ phân giải rất cao kính hiển điện tử đã cho ta thấy cấu trúc của thế giới nhỏ bé. Các nhà sinh vật đã thấy được cấu trúc chi tiết của tế bào, những loại siêu vi trùng gây ra dịch bệnh … Từ đó đã mở ra rất nhiều điều kỳ diệu, nhiều ngành khoa học mới ra đời. Tuy nhiên cho đến bấy giờ hình ảnh nguyên tử vẫn còn nằm trong sự suy đoán của các nhà khoa học và người ta vẫn tiếp tục chế tạo ra những kính hiển vi khác có độ phân giải ngày càng cao hơn

hienhcmut
07-07-2007, 16:56
Kính hiển vi hiệu ứng đường hầm

1. Lịch sử:
Chế tạo kình hiển vi nâng cao độ phân giải để nhìn thấy nguyên tử gặp nhiều khó khăn đó là do hạn chế của kính hiển vi điện tử. Mãi đến năm 1982 vấn đề mới đươc giải quyết bằng một khám phá gây chấn động khoa học của G. Binig và H.Rohrer, hai nhà khoa học đã chế tạo đươc kính hiển vi cho phép thấy đươc từng nguyên tử trên bề mặt. Đó là kính hiển vi hiệu ứng đường hầm, thuộc thế hệ kính hiển vi quét đầu dò. Với công trình này Binig va Rohrer đã nhận được giải nobel vật lí năm 1986

2. Nguyên lý:
Kính hiển vi hiệu ứng đường hầm có thể được xem là kính hiển vi điện tử, tuy nhiên nó thuộc loại kính hiển vi quét đầu dò nghĩa là dùng một đầu dò kim nhọn để quét trên bề mặt mẫu
Kính hiển vi sử dụng một hiệu ứng quang trọng của cơ học lương tử đó là hiệu ứng đường hầm. Khi đầu dò kim loại và bề mặt vật mẫu được nối với một điện thế V cách nhau một khoảng d tức là bề dày của rào thế không lớn lắm thì có khả năng electron sẽ “đào hầm” để chui qua rào, tao thành dòng điện (dòng tunel)
Dòng điện xuyên hầm được tính theo công thức:
I = Vexp(-Cd)
V là điện thế giữa hai vật dẫn ,d là bề dày của lớp điện môi, C là một đại lượng phụ thuộc vào cấu trúc electron của hai vật dẫn
Bề mặt lồi lõm của vật mẫu sẽ làm thay đổi khoảng cách d và do đó thay đổi dòng điện xuyên hầm. Bằng cách đo dòng điện xuyên hầm ta sẽ đo được khoảng cách d .Công việc này giống như ta sờ lên vật để biết hình dạng của vật

[Only registered and activated users can see links]

Hai bộ phận quang trong trong cấu tạo của kính hiển vi dó là mũi nhọn và bộ quét
Tuy nhiên mũi kim làm cho thật nhọn cũng không khó khăn lắm vì có thể lấy một dây kim loại cứng như vonfram mài sơ bộ, rồi cho điện phân, hiệu ứng điện trường ở mũi nhọn sẽ mài theo kiểu đẩy từng nguyên tử ra ,mũi sẽ nhọn đến mức đầu mút là một nguyên tử
Khoảng cách giữa hai nguyên tử cở 0,3- 0,4nm. Vậy phải làm cách nào để dịch chuyển mũi nhọn chính xác hơn 0,1nm mới mong nhìn thấy được nguyên tử .Để giải quyết vấn đề đó hai nhà khoa học đã sử dụng hiện tượng áp điện tức là dựa vào sư biến dạng của tinh thể (thạch anh) khi có điện áp đặt vào nó .Vật liệu có hiệu ứng điện áp cao nhất hiện nay là gốm PZT, khi tác dụng điện thế thay đổi từng milivol, mũi nhon có thể dịch chuyển vài phần trăm nanomet thỏa mãn yêu cầu thí nghiệm

Bằng cách ghép các thanh điện áp vuông góc với nhau ta có thể điều khiển mũi nhọn dịch chuyển theo cả ba chiều không gian x,y,z
Như vậy cũng giống như kính hiển vi điện tử quét, cho mũi nhọn quét trên mẫu và dùng dòng xuyên hầm để điều chỉnh độ sáng tối trên màn ảnh ta dựng được hình ảnh của bề mặt vật mẫu, chổ có nguyên tử và chổ không có nguyên tử ở bề mặt trên cùng

[Only registered and activated users can see links]

3. Kết luận:
Kính hiển vi hiệu ứng đường hầm không những cho độ phân giải cao có thể nhìn thấy được nguyên tử ,nó còn mở ra cho chúng ta một phương pháp khác để tiếp cận với thế giới vi mô mà một thời gian không lâu sau đó nhiều loại kính hiển vi khác đã ra đời như kính hiển vi lực nguyên tử ,kính hiển vi lực ma sát … Chúng được xếp vào thế hệ kính hiển vi quét đầu dò
Điều quang trọng có ý nghĩa khoa học hơn nữa ở đây không phải là độ phóng đại mà là khai sinh phương pháp dùng hiệu ứng áp điện, quét cơ học mũi nhọn với độ chính xác cao hơn khi quét tia điện tử,hơn nữa quét được chính xác theo cả ba chiều.

heaven&hell
07-03-2009, 20:30
Anh ơi cho em hỏi cái Kính hiểm vi có ghi " oil "( dầu) nó có tác dụng gì trong kính hiểm vi zậy?
Khi em quan sát các mẫu U thư X100 không thấy được rỏ các tế bào? Làm sao có thể khắc phục được điều đó ?

kingfox
08-03-2009, 15:43
Kính hiển vi có ghi "oil" tức là phải dùng dầu mới có thể xem rõ được vật thể với thị kính x100. Bạn sử dụng dầu khi quan sát bằng kính x100 sẽ thấy rõ vật thể thôi.