Kính Hiển Vi Điện Tử Trong Nghiên Cứu

KHÁI QUÁT VỀ HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRONG NGHIÊN CỨU

1. Giới thiệu chung:       

Hai nhà khoa học người Đức: Max Knoll và Ernst Ruska đã chế tạo ra kính hiển vi điện tử (Electron Microscope - EM) đầu tiên trên thế giới vào năm 1931. Phát minh này đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc nghiên cứu và quan sát những mẫu vật trong thế giới siêu vi mô. Năm 1986, Ernst Ruska  đã được trao giải Nobel cho cụm công trình nghiên cứu về quang học điện tử trong đó có việc thiết kế kính hiển vi điện tử đầu tiên của ông. 

Năm 1950, Latta và Hartman chế tạo ra máy cắt siêu mỏng (Ultramicrotome) dùng lưỡi dao thủy tinh để cắt mẫu vật thành những lát mỏng cỡ vài chục nanomet đã giúp cho phương pháp hiển vi điện tử trở lên hoàn thiện cả về phương diện thiết bị và kỹ thuật chuẩn bị mẫu. Sự ra đời của máy cắt siêu mỏng đã giúp cho các nhà nghiên cứu, đặc biệt là các nhà tế bào học và vi sinh vật học đi sâu nghiên cứu chi tiết siêu cấu trúc tế bào sinh vật, đưa ra được bức tranh chi tiết các bào quan của tế bào nhân chuẩn. Cũng chính nhờ hiển vi điện tử mà hàng loạt vi sinh vật cũng như vi rút lần đầu tiên được phát hiện trong những năm 1950-1980. Phân loại đầu tiên của vi rút học đã dựa vào hình thái vi rút khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử.  

Ngày nay, kính hiển vi điện tử vẫn là một thiết bị nghiên cứu quan trọng trong nghiên cứu về khoa học sự sống và vật liệu (công nghệ nano). Trong lĩnh vực virus học, đây là thiết bị không thể thiếu, thiết bị này cho phép quan sát được hình thái siêu cấu trúc của hầu hết các loại virus gây bệnh, các đại phân tử như ADN, ARN… Với độ phân giải cao, cùng với những kỹ thuật chuẩn bị mẫu hiện đại, hiển vi điện tử còn cho phép các nhà vi sinh vật học, tế bào học…quan sát sự tương tác giữa virus gây bệnh và tế bào vật chủ, các đặc tính hóa miễn dịch tế bào. Việc chẩn đoán nhanh về hình thái, cấu trúc một số vi sinh vật gây bệnh truyền nhiễm vẫn là một lợi thế của hiển vi điện tử, đặc biệt là đối với những tác nhân gây dịch bệnh truyền nhiễm chưa xác định rõ nguyên nhân. Tuy nhiên, để phát huy được tối ưu hiệu quả của kính hiển vi điện tử trong nghiên cứu mẫu sinh vật thì việc kết hợp với các kỹ thuật chẩn đoán khác cũng trở nên rất cần thiết.

Kính hiển vi điện tử là một phương pháp nghiên cứu tương đối phức tạp và có nhiều kỹ thuật khác nhau, tuỳ thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, các thiết bị phụ trợ và hoá chất cũng rất chuyên dụng. Vì vậy, người sử dụng EM trong nghiên cứu y sinh không những phải am hiểu về siêu cấu trúc tế bào, sinh hoá, vi sinh, miễn dịch, kiến thức chuyên ngành mà còn cần phải hiểu về các kỹ thuật chuẩn bị mẫu, khai thác thông tin từ hình ảnh và kiến thức nhất định về vật lý, hoá học.

2. Các đặc tính của kính hiển vi điện tử:

 So sánh kính hiển vi điện tử (EM) với kính hiển vi quang học (LM):

Nguyên lý của kính hiển vi điện tử cơ bản cũng giống như kính hiển vi quang học. Mục đích của hai loại thiết bị này đều nhằm quan sát và nghiên cứu những mẫu vật mà mắt thường không nhìn thấy được. Tuy nhiên, để dễ hình dung ta có thể mô tả rằng kính hiển vi quang học dùng để quan sát tế bào, vi khuẩn, nấm và những vật có kích thước cỡ micromet trong thế giới vi mô, còn kính hiển vi điện tử có khả năng quan sát vi rút, các bào quan, các đại phân tử như ADN, ARN, tức là những vật có kích thước nằm trong dải nanomet trong thế giới siêu vi mô.

Đơn vị: 1 nanomet (nm) = 10^-3 micromet = 10^-6 minimet (mm) = 10^-9 met(m).

Những khác biệt cơ bản giữa kính hiển vi điện tử và kính hiển vi quang học được tóm tắt như sau:

- Trong LM, chùm sáng từ nguồn sáng trắng (bóng đèn) truyền qua tụ kính tới tiêu bản mỏng và phóng đại ảnh tiêu bản thông qua các thấu kính thuỷ tinh, ảnh được quan sát trực tiếp bằng mắt thường. Môi trường truyền chùm sáng và đỡ mẫu ở điều kiện không khí bình thường.

- Trong EM, chùm điện tử xuất phát từ nguồn phát xạ điện tử (Vonfram, LaB6 hay phát xạ trường) qua tụ kính (thấu kính điện từ) tới tiêu bản rất mỏng và phóng đại ảnh tiêu bản thông qua vật kính (thấu kính điện từ), thấu kính phóng (thấu kính điện từ), ảnh được quan sát trên màn huỳnh quang (hoặc màn hình nhờ camera kỹ thuật số). Môi trường truyền chùm điện tử và đỡ mẫu là chân không.

Bảng: Các đặc trưng của kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi quang học 

Các đặc trưng	Kính Hiển Vi Điện Tử	Kính Hiển Vi Quang Học
Chùm phát xạ Bước sóng Môi trường Thấu kính Góc mở Năng suất phân giải Độ phóng đại Độ hội tụ Độ tương phản	chùm điện tử 0,0086nm (20kV) ~ 0,0025nm (200kV) chân không thấu kính điện tử ~350 điểm tới điểm: 0,35nm mạng: 0,14nm x10 - x1.500.000 (thay đổi liên tục) điều khiển điện tử tán xạ, phản xạ	ánh sáng 750nm (nhìn thấy) - 200nm (tử ngoại) khí quyển thấu kính thủy tinh ~700 nhìn thấy: 200nm tử ngoại: 100nm ~ x2000 (thay thấu kính) điều khiển cơ học hấp thụ, phản xạ

So sánh giữa kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử truyền qua và kính hiển vi điện tử quét

 3. Các loại kính hiển vi điện tử:

Hiện nay có hai loại kính hiển vi điện tử chủ yếu đó là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét (SEM), ngoài ra còn có loại kết hợp tính năng của hai loại kính trên là hiển vi điện tử quét truyền qua (STEM).

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope - TEM):

Kính hiển vi điện tử truyền qua LIBRA 120 Plus - Carl Zeiss

Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị hình trụ cao khoảng 2m, có một nguồn phát xạ điện tử trên đỉnh (súng điện tử) để phát ra chùm điện tử. Chùm này được tăng tốc trong môi trường chân không cao, sau khi đi qua tụ kính, chùm điện tử tác động lên mẫu mỏng, tùy thuộc vào từng vị trí và loại mẫu mà chùm điện tử bị tán xạ ít hoặc nhiều. Mật độ điện tử truyền qua ngay dưới mặt mẫu phản ảnh lại tình trạng của mẫu, hình ảnh được phóng đại qua một loạt các thấu kính trung gian và cuối cùng thu được trên màn huỳnh quang. Do vậy, ảnh hiển vi điện tử truyền qua là hình ảnh bề mặt dưới của mẫu (ảnh đen trắng) thu được bởi chùm điện tử truyền qua mẫu. Với độ phân giải cao cỡ 2A°, độ phóng đại từ x50 tới x1.500.000, TEM đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu siêu cấu trúc sinh vật, vi sinh vật và các vật liệu nano. Với những kính hiển vi điện tử độ phân giải cao (HR-TEM) để quan sát cấu trúc mạng của vật liệu nano thì điện thế gia tốc thường yêu cầu khoảng 150 kV trở lên. Ở Việt Nam vẫn chưa có kính hiển vi điện tử nào hoạt động đạt độ phân giải cao như HR-TEM tính đến thời điểm hiện tại. 

Cấu tạo chính của TEM gồm cột kính với các bộ phận từ trên xuống dưới: súng điện tử, tụ kính, buồng đặt mẫu, hệ thống thấu kính tạo ảnh (vật kính, kính trung gian, kính phóng); buồng quan sát và bộ phận ghi ảnh. Cột kính có chân không cao, áp suất 10-5-10-6 Torr đối với TEM thông thường và cỡ 10-8-10-10 Torr đối với HR-TEM). Hệ thống bơm chân không, hệ thống điện, điện tử, hệ thống điều khiển bằng máy tính là những bộ phận kèm theo để đảm bảo cho quá trình làm việc liên tục của TEM. Đặc trưng cho TEM là các thông số: hệ số phóng đại M, độ phân giải d và điện áp gia tốc U.

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM):

Kính hiển vi điện tử quét là thiết bị có khả năng quan sát bề mặt của mẫu vật, bao gồm: súng điện tử, tụ kính, buồng tiêu bản, hệ thống đầu dò điện tử, hệ thống khuếch đại - máy tính và màn hình để quan sát ảnh. Chùm điện tử xuất phát từ súng điện tử đi qua tụ kính, rồi vật kính, sau đó chùm tia hội tụ và quét trên toàn bộ bề mặt của mẫu, sự tương tác của chùm điện tử tới với bề mặt mẫu tạo ra các tia khác nhau (điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, điện tử Auger, tia huỳnh quang catot, tia X đặc trưng...). Hình ảnh hiển vi điện tử quét được phản ảnh lại bởi các điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược thu được nhờ các đầu dò gắn bên sườn của kính. Tia X đặc trưng có khả năng phản ánh thành phần nguyên tố trong mẫu phân tích nhờ bộ phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS – Energy Dispersive X- ray Spectroscopy).

Kính hiển vi điện tử quét EVO MA 10 - Carl Zeiss

Cấu tạo chính của SEM gồm cột kính (súng điện tử, tụ kính, vật kính), buồng mẫu và đầu dò tín hiệu điện tử. Cột kính có chân không cao, áp suất 10-5-10-6 Torr đối với SEM thông thường và 10-8-10-9 Torr đối với SEM có độ phân giải cao (FE-SEM) . Buồng mẫu có thể nằm ở hai chế độ chân không cao hoặc thấp. Hệ thống bơm chân không, hệ thống điện, điện tử, hệ thống điều khiển và  xử lý tín hiệu là những bộ phận  đảm bảo cho sự làm việc liên tục của SEM. Đặc trưng của SEM là các thông số: độ phóng đại M, độ phân giải d và điện áp gia tốc U.

Kính hiển vi điện tử quét truyền qua (Scanning Transmission Electron Microscpe - STEM):
Kính hiển vi điện tử quét truyền qua là loại kính hiển vi điện tử có khả năng kết hợp cả hai tính năng quét và truyền qua, tức là có khả năng vừa phản ánh cầu trúc bên trong của mẫu đồng thời cũng có thể phản ánh được bề mặt, thành phần của mẫu vật. Tuy nhiên, loại kính này thường dùng nguồn điện tử là nguồn phát xạ trường (field emission gun), chân không trong toàn bộ cột kính phải rất cao cỡ 10-9 – 10-10 Torr. Loại kính này sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu vật liệu, ít sử dụng đối với các tiêu bản sinh vật.

Tác giả : Trần Quang Huy, Nguyễn Thanh Thủy

(PTN Siêu cấu trúc, khoa Vi rút,
Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương)

Để biết thêm chi tiết về kính hiển vi Carl Zeiss chính hãng, xin vui lòng liên hệ về:

Mr. Lê Tuấn Thi – Sales Manager
Mobile: 0935.41.06.47
Email: kevintst99@gmail.com 
Yahoo: tuanthi_2003@yahoo.com
Website: http://kinhhienvicarlzeissvietnam.blogspot.com/

Công ty TNHH TM-DV-KT T.S.T
180/28/39 Nguyễn Hữu Cảnh, Phường 22, Quận Bình Thạnh, TPHCM