TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ
ỨNG DỤNG TRONG Y – SINH HỌC

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. HỒ HỮU HẬU

TĂNG MỸ LINH

Giáo viên phản biện:

MSSV: 1060134

1. Thầy Phạm Văn Tuấn

Lớp: SP Vật lý 01 – K32

2. Thầy Vương Tấn Sĩ

Cần Thơ - 2010








……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2010


Giáo viên phản biện 1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 2
  
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2010


1.16. Sự tạo ảnh trong kính hiển vi điện tử ...............................................32
1.17. Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh ....................................................32
1.18. Nhiễu xạ điện tử ...............................................................................33
1.19. Tán xạ ..............................................................................................37
1.20. Một số phép phân tích đi kèm trong kính hiển vi điện tử .................38


Chương 2: Kính hiển vi điện tử ...................................................................43
2.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................................43
2.1.1. Lược sử về SEM ...........................................................................43
2.1.2. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM .............................44
2.1.3. Những cải tiến mới của SEM ........................................................47
2.1.4. Chu trình làm ẩm và làm khô ........................................................49
2.1.5. Mẫu chuẩn bị ................................................................................50
2.1.6. Quan sát ảnh qua SEM ..................................................................52
2.1.7. Ưu và nhược điểm của SEM .........................................................52
2.1.8. Một số hình ảnh quan sát được qua SEM ......................................53
2.1.9. Tiến trình thực hiện quan sát mẫu qua SEM .................................54
2.2. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..................................................63
2.2.1. Lược sử về TEM ...........................................................................64
2.2.2. Nguyên lý hoạt động và sự tạo ảnh trong TEM ............................66
2.2.3. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao ...........................69
2.2.4. Xử lý mẫu cho phép đo trong TEM ..............................................71
2.2.5. Các khả năng của TEM .................................................................71
2.2.6. Chuẩn bị mẫu ................................................................................72
2.2.7. Ưu và nhược điểm của TEM .........................................................78
2.2.8. Một số hình ảnh quan sát được qua TEM .....................................79
2.3. So sánh kính hiển vi quang học, TEM và SEM ......................................82
2.3.1. So sánh OM, TEM và SEM ..........................................................82
2.3.2. So sánh TEM và SEM ...................................................................85

tử.
Chương 2: Kính hiển vi điện tử. Chương 2 tập trung tìm hiểu hai loại kính
hiển vi điện tử hiện đại, phổ biến hiện nay là: kính hiển vi điện tử quét (SEM) và
kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Mỗi loại kính hiển vi điện tử đều trình
bày những nội dung cơ bản sau: lịch sử ra đời, sơ đồ cấu tạo, nguyên lý hoạt
động, quy trình chuẩn bị mẫu và hình ảnh quan sát được. Bên cạnh đó, chương
còn có bảng so sánh kính hiển vi quang học, SEM, TEM giúp người đọc có cái
nhìn tổng quan về thế giới kính hiển vi, những ưu điểm và nhược điểm của từng
loại.
Phần ứng dụng: Phần này trình bày những ứng dụng cơ bản của kính hiển vi
điện tử trong lĩnh vực y – sinh học đồng thời đưa ra một ví dụ điển hình về vai
trò của kính hiển vi điện tử trong việc phát hiện virus gây bệnh cúm. Bên cạnh
đó, tôi còn trình bày hình ảnh một số virus, vi trùng, mẫu sinh học,…qua kính
hiển vi điện tử.
Phần kết luận: được trình bày trong 1 trang. Đây là phần tổng kết quá trình thực
hiện đề tài và các kết quả thu được.
Phần phụ lục: gồm những hình ảnh thu thập được qua chuyến thực tế tìm hiểu
kính hiển vi điện tử quét ở phòng thí nghiệm chuyên sâu Trường Đại học Cần
Thơ.
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 1

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học


đó là kính hiển vi điện tử. Từ khi kính hiển vi điện tử xuất hiện, nó đã trở thành
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 2

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

một thiết bị vô cùng quan trọng dùng để nghiên cứu cấu trúc, vi cấu trúc của vật
chất và được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực: khoa học vật liệu, vật lý chất
rắn, hóa học, công nghệ,…mà đặc biệt là trong hai lĩnh vực: y học và sinh học.
Có thể nói đây là hai lĩnh vực mà kính hiển vi điện tử đã thể hiện tầm quan trọng
của mình rõ nhất.
Với tinh thần học hỏi, mong muốn được vận dụng và nâng cao những kiến
thức Vật lý đã học để tìm hiểu về kính hiển vi điện tử cũng như vai trò của nó
trong hai lĩnh vực nói trên, tôi quyết định chọn đề tài “ Kính hiển vi điện tử ứng
dụng trong y – sinh học ” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của tôi. Tôi tin rằng đề
tài này không chỉ giúp tôi mở mang kiến thức mà còn cho chúng ta một niềm tin
về một tương lai không xa sẽ có những thiết bị còn hiện đại hơn cả kính hiển vi
điện tử ra đời.
2. Mục đích của đề tài
Đề tài này xây dựng nhằm trả lời hai câu hỏi: “Kính hiển vi điện tử được thiết
lập dựa trên những cơ sở Vật lý nào ?” và “Kính hiển vi điện tử có những ứng
dụng gì trong lĩnh vực y học và sinh học ?” .
3. Giới hạn của đề tài
Kính hiển vi điện tử được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và

nghiên cứu đề tài.
- Thu thập, chọn lọc thông tin và lập đề cương chi tiết cho đề tài.
- Tiến hành viết nội dung cụ thể.
- Tiếp thu ý kiến của Giáo viên hướng dẫn để hoàn thiện luận văn.
- Viết tóm tắt đề tài.
- Nộp đề tài cho Giáo viên hướng dẫn và Giáo viên phản biện.
- Báo cáo luận văn.
6. Các thuật ngữ quan trọng trong đề tài
OM = Optical Microscope = Kính hiển vi quang học
EM = Electron Microscope = Kính hiển vi điện tử
TEM = Transmission Electron Microscope = Kính hiển vi điện tử truyền qua
SEM = Scanning Electron Microscope= Kính hiển vi điện tử quét
Electron Auger Spectroscopy = Phổ Auger
EDS hay EDX =Energy Dispersive X-ray Spectroscopy= Phổ tán sắc năng lượng
EELS = Electron Energy Loss Spectrum = Phổ tổn hao năng lượng điện tử
Magnetic lens = Thấu kính từ
Detector = Máy dò
Electon gun: súng phóng điện tử
Vacuum column: cột chân không
Condensing lens: hệ thấu kính hội tụ
Scan coils: cuộn quét
Objective lens: vật kính
Secondary electrons: điện tử thứ cấp
Backscattered electron: điện tử tán xạ ngược
Transmitted electron: điện tử truyền qua

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 4


dt
dt
2
d mv
d
(
)  e
dt 2
dt
2
d mv
(
 e )  0
dt 2

Vậy:

(1)

mv2
 e  const
2

Phương trình trên diễn tả định luật bảo toàn năng lượng đối với chuyển
động của hạt. Số hạng thứ nhất là động năng của hạt, số hạng thứ hai là thế năng
tương tác giữa hạt và điện trường.



Xét một điện tích e chuyển động trong tĩnh điện đều E . Chọn trục Oy theo

Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Khử t khỏi hai phương trình trên, ta có phương trình quỹ đạo như sau:
y

eE
x 2  (tg ).x
2m(v0 cos  ) 2

(5)

trong đó θ là góc giữa vận tốc ban đầu v0 và trục x.
Vậy quỹ đạo của hạt là một đường parabol.
1.1.2. Chuyển động của điện tích trong từ trường đều

 
 
* B  const, E  0, v  B :






Lực tác dụng lên điện tích: F  e.(v  B)
 

- Phương: thẳng góc với mặt phẳng (v , B)

 const; v 2  const
2

Vậy từ trường không làm thay đổi động năng và độ lớn vận tốc của hạt.



Xét một điện tích e chuyển động trong từ trường không đổi B và chọn trục



Oz theo phương của B . Chiếu phương trình chuyển động (6) xuống các trục tọa
độ, ta có :
x 

eB
y
m

y  
z  0

eB
x
m

(7)
(8)
(9)


( x  iy )  i0 ( x  iy )
dt

Do đó : x  iy  a.ei t trong đó a là một hằng số phức.
0

Đặt a  v0ei trong đó v0 là một hằng số thực. Ta có:
x  iy  v0ei (0t  )  v0 cos(0t   )  i sin(0t   )

Tách phần thực và phần ảo, ta được:
x  v0 cos(0t   )

(10)

y  v0 sin(0t   )

(11)

Từ (10) và (11), ta có:
v0  x 2  y 2  vx2  v y2

Vậy v0 mà ta chọn ở trên chính là thành phần vận tốc trong mặt phẳng xOy
(tức là thành phần vận tốc vuông góc với phương của trường). Lấy tích phân (10)
và (11), ta được:
x  x0 
y  y0 

v0

sin(0t   )


Từ phương trình trên ta thấy rằng quỹ đạo đó là một đường tròn và tần số
góc 0 gọi là tần số Cyclotron: 0 
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

e
B
m
Trang 7

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Như vậy khi điện tích chuyển động theo phương


B
thẳng góc với
trong từ trường đều thì nó sẽ chuyển
động tròn đều với bán kính và chu kỳ hoàn toàn xác
định.
Trong trường hợp 2 hạt mang điện giống nhau có



vận tốc khác nhau chuyển động thẳng góc với B và


 
 
 

 F  ev  B  e(v//  v )  B  ev  B  F

Lực F này làm cho hạt chuyển động tròn trên



mặt phẳng thẳng góc với B
Bán kính quỹ đạo : R 

Chu kỳ : T 

v
v sin 

e
e
B
B
m
m

2R 2

e
v


2
e
B
m

* Như vậy nếu vận tốc của hạt không có thành phần song song với từ
trường ( v z =0), nó chỉ chuyển động tròn trên mặt phẳng vuông góc với trường.
Nếu vận tốc có thành phần song song với trường ( vz  0 ), ngoài chuyển động nói
trên, hạt còn tịnh tiến theo phương của trường với vận tốc không đổi vz  const .
Quỹ đạo của hạt là một đường xoắn ốc trên một mặt trụ có bán kính
R

v0

0



v0 m
và trục song song với phương của trường.
eB

1.1.3. Sự lệch của hạt trong điện trường và từ trường




1.1.3.1. Trong điện trường ( E  0, B  0)


Trên Ox: m

Hạt chuyển động đều theo quán tính trên phương Ox: x  v0t
dv y

Trên Oy: m

dt

 eE  v y 

eE
eE
t  v0 y 
t
m
m

Hạt chuyển động nhanh dần đều theo phương Oy:
y   v y dt 

1 eE 2
t
2 m

Thời gian chuyển động trong điện trường: t1 
Độ lệch của hạt trong điện trường: y1 

l1
v0


eE l1 l1
(  l2 ) (14)
m v02 2

Góc lệch của hạt so với phương ban đầu: tg 

e l1
E
(15)
m v02

l
2


1.1.3.2. Trong từ trường ( E  0, B  0)

Từ (14) và (15) ta được biểu thức: y  tg ( 1  l2 )

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 10

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Trên Ox: m

dvx
 f x  0  vx  v0
dt

Hạt mang điện chuyển động đều theo phương Ox: x  v0t

Trên Oy: m

dv y
dt

 f y  evB  v y 

e
v0 B.t
m

Hạt chuyển động nhanh dần đều theo phương Oy: y 
Thời gian chuyển động trong từ trường: t1 

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

1 e
v0 B.t 2
2m

l1
v0

tg 

v
y2 v1 y
e ll

 y2  1 y l2  B 1 2
l2
v0
v0
m v0

Vậy độ lệch của hạt: y  y1  y2 

e l1 l2
B (  l2 ) (16)
m v0 2

Góc lệch của hạt so với phương ban đầu: tg 

e l1
(17)
B
m v0

Từ (16) và (17) ta được phương trình:
l
y  tg ( 1  l2 )
2




B
phương của . Bây giờ ngoài lực đàn hồi F , electron còn chịu thêm lực
Lorenxơ của từ trường:
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 12

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

 


 
Fm  e0 r , B

trong đó e0 là độ lớn điện tích electron ( e0 >0). Phương trình chuyển động bây giờ
là:

r , B 
  0




(21)

z  0 z  0

(22)

Nghiệm của phương trình (22) là: z  z0ei t
0

Như vậy từ trường ngoài không ảnh hưởng gì đến dao động của electron
theo phương của trục z. Theo phương song song của từ trường ngoài, nguyên tử
vẫn bức xạ với tần số 0 như khi chưa có từ trường ngoài.
Ta sẽ tìm nghiệm của x và y dưới dạng :
x  x0eit
y  y0eit

Thay các nghiệm này vào phương trình (20), (21) ta được:
(02   2 ).x0  2iL. y0  0
 2iL.x 0 (02   2 ). y0  0

Để cho cặp phương trình trên có x0  0 và y0  0 (để cho x0  0 và y0  0 ),
định thức của nó phải bằng 0, tức là:
(02   2 ) 2  (2 L ) 2  0

02   2  2 L
  L  02  L2
GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 13



quay quanh hạt nhân với vận tốc dài bằng v . Momen xung lượng của electron là:

 
L  mr , v 

(23)

Momen từ của electron là:

I  
1  
M   r , dr    r , v dV
2
2


Ở đây ta đã thay Idr bằng v .dV và  có giá trị âm.

Trong nguyên tử chỉ có một electron nên không có dòng điện chảy liên tục,
vì thế cường độ dòng điện I là một lượng lấy trung bình theo thời gian. Do đó,
 
 và r , v  cũng là những lượng đã trung bình hóa. Chúng không phụ thuộc tọa

độ và có thể đưa ra ngoài dấu tích phân. Do đó:
 1  
e  
M  r , v   dV   0 r , v  (24)
2
2

L   Li
i



M   Mi
i



Và ta vẫn có: M  

e0 
L
2m



Đặt nguyên tử vào từ trường ngoài B và chọn trục Oz trùng phương với B .
Momen lực tác dụng lên nguyên tử là:




 
N  M,B



Vì nguyên tử còn có momen xung lượng nên nó sẽ chuyển động tiến động

Trong đó  L là một vectơ cùng phương và chiều với từ trường B và có độ
lớn bằng tần số Lacmor L 

e0 B
2m

Biết rằng phương trình chuyển động của một vật rắn quay quanh một trục


cố định với vận tốc góc  là:

 
dr
  , r 
dt

(26)



So sánh phương trình (25) với (26), ta thấy vectơ L quay quanh phương
của từ trường với vận tốc góc bằng tần số Lacmor. Như vậy, quỹ đạo cũ của
electron (khi chưa có từ trường ngoài) quay quanh trục Oz với vận tốc góc bằng
L .

Như vậy khi đặt nguyên tử vào từ trường ngoài, mỗi electron của nó sẽ
tham gia đồng thời vào hai chuyển động: chuyển động quanh hạt nhân với vận
tốc góc bằng 0 và chuyển động quanh phương của từ trường với vận tốc góc

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

cách giữa hai nguyên tử gần nhau nhất vào cỡ 0,3 - 0,4 nanomet. Nguyên tử lại
gồm hạt nhân nhỏ mang điện tích dương và các electron chuyển động xung
quanh tạo thành những đám mây electron bao quanh hạt nhân như hình vẽ.

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 16

SVTH: Tăng Mỹ Linh


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài:Kính hiển vi điện tử ứng dụng trong y, sinh học

Tùy loại nguyên tử, kích thước của đám mây electron vào cỡ 0,01 nm tức là
nhỏ hơn nhiều lần khoảng cách giữa hai nguyên tử trong vật rắn. Vì vậy, khi
chùm electron chiếu vào vật rắn, chúng như là những viên đạn va chạm với
electron và với hạt nhân của mẫu. Không phải electron tới chỉ va chạm với các
nguyên tử ở ngay trên cùng mà đi sâu vào trong va chạm với các nguyên tử ở các
lớp dưới. Khi điện thế tăng tốc cho electron vào khoảng từ 5 đến 30 KV, tức là
electron có năng lượng từ 5 đến 30 KeV qua hệ thống thấu kính điện từ, chùm
electron được điều chỉnh tạo thành một chùm tia hẹp quét lên bề mặt mẫu trên
một diện tích nhỏ cỡ 10 nm. Ta có thể hình dung electron đi vào, va chạm với
các nguyên tử mẫu và lệch qua lệch lại, tốc độ giảm dần đi, vùng không gian mà
electron đi zíc zắc như là một quả lê, thể tích nhỏ hơn 1μm3. Có nhiều quá trình
xảy ra trong quả lê đó, ta xét một thí dụ liên quan đến các hạt, các sóng từ quả lê
thoát ra ngoài.

Từ lớp có bề dày cỡ 0,5 nm có các điện tử năng lượng thấp, khoảng dưới

1.4. Vận tốc và bƣớc sóng electron
Electron có khối lượng m chuyển động với vận tốc v thì có bước sóng là:


h
mv

(*)

Electron chuyển động dưới tác dụng của điện trường có hiệu điện thế V thì
nó có động năng là:

1 2
mv  eV (e = 1,6.10-19 C)
2

Do đó vận tốc electron: v 

2eV
m

Khi đó: v  0,593.108. V

(cm/s)

GVHD: Thạc sĩ Hồ Hữu Hậu

Trang 18

(**)