Kính hiển vi điện tử là gì? Các công bố khoa học liên quan

Định nghĩa kính hiển vi điện tử

Kính hiển vi điện tử (Electron Microscope – EM) là thiết bị khoa học sử dụng chùm electron có năng lượng cao để quan sát các cấu trúc cực nhỏ trong vật chất với độ phân giải vượt xa kính hiển vi quang học. Khác với ánh sáng nhìn thấy, electron có bước sóng ngắn hơn hàng nghìn lần, cho phép quan sát các chi tiết ở cấp độ phân tử và nguyên tử.

Công nghệ kính hiển vi điện tử đã mở rộng giới hạn nhìn thấy của con người xuống cấp độ nano (1 nm = 10^-9 m), từ đó đóng vai trò không thể thay thế trong nghiên cứu khoa học vật liệu, sinh học phân tử, y học, công nghệ nano và điện tử bán dẫn. Nhờ độ phóng đại có thể đạt hơn một triệu lần, kính hiển vi điện tử cho phép tái hiện hình ảnh có độ chính xác cực cao, phù hợp với các ứng dụng cần phân tích cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt và thành phần nguyên tử.

So với kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử không dùng thấu kính thủy tinh mà sử dụng thấu kính điện từ trường để điều hướng và hội tụ chùm electron. Việc này yêu cầu hệ thống chân không cao và các thiết bị xử lý tín hiệu hiện đại nhằm đảm bảo chất lượng ảnh ổn định.

Nguyên lý hoạt động

Kính hiển vi điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa chùm electron và mẫu vật. Khi một chùm electron được tăng tốc đến năng lượng hàng chục đến hàng trăm kiloelectronvolt (keV), các electron này sẽ có bước sóng cực ngắn, và khi tiếp xúc với mẫu vật, chúng bị tán xạ hoặc xuyên qua mẫu. Tùy theo loại thiết bị và chế độ đo, các tín hiệu thu được sẽ tạo ra hình ảnh khác nhau như độ dày, độ tương phản, hình dạng bề mặt hoặc cấu trúc bên trong.

Bước sóng của electron được xác định dựa theo công thức de Broglie, cho thấy mối liên hệ giữa động lượng và bước sóng của hạt vi mô:

$\lambda = \frac{h}{\sqrt{2meV}}$

Trong đó:

• $\lambda$: bước sóng của electron
• $h$: hằng số Planck ($6.626 \times 10^{-34}$ Js)
• $m$: khối lượng electron
• $e$: điện tích electron
• $V$: hiệu điện thế gia tốc (Volt)

Ở hiệu điện thế 100 kV, bước sóng của electron vào khoảng 0.0037 nm – nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng đỏ (khoảng 700 nm). Do đó, độ phân giải của kính hiển vi điện tử cao hơn ít nhất hàng trăm lần so với kính hiển vi quang học.

Các loại kính hiển vi điện tử

Kính hiển vi điện tử được chia thành hai nhóm chính dựa trên cách thức tương tác của chùm electron với mẫu vật:

• Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope – TEM): Chùm electron đi xuyên qua mẫu rất mỏng. Hình ảnh thu được cho phép quan sát chi tiết bên trong vật liệu như màng tế bào, virus, cấu trúc tinh thể, vết đứt gãy trong vật liệu. TEM có độ phân giải cao nhất trong các loại kính hiển vi, có thể đạt đến 0.1 nm.
• Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM): Electron quét trên bề mặt mẫu và tín hiệu phản xạ được thu lại để tái tạo hình ảnh 3D của bề mặt. SEM phù hợp với quan sát hình thái học, bề mặt, cấu trúc vi mô của kim loại, polymer, mô sinh học. Độ phân giải SEM thường từ vài nm đến hàng chục nm, nhưng hình ảnh sắc nét và có chiều sâu.

Một số biến thể khác gồm STEM (kết hợp TEM và SEM), ESEM (SEM môi trường – không cần mẫu khô), và Cryo-EM (kính hiển vi điện tử lạnh) dùng trong sinh học phân tử hiện đại để quan sát cấu trúc protein và virus mà không cần kết tinh mẫu.

Cấu tạo chung của kính hiển vi điện tử

Mặc dù có nhiều biến thể, hầu hết kính hiển vi điện tử đều có cấu trúc chung bao gồm 5 bộ phận chính, được thiết kế theo trục thẳng đứng (TEM) hoặc trục ngang (SEM):

1. Súng phát electron: Tạo chùm electron bằng hiệu ứng nhiệt hoặc trường điện mạnh. Các loại phổ biến gồm filament tungsten, LaB₆ và nguồn phát xạ trường (FEG).
2. Thấu kính điện từ: Gồm các cuộn dây điện từ dùng để hội tụ, điều hướng và phóng đại chùm electron. Vai trò tương tự thấu kính thủy tinh trong kính quang học.
3. Buồng mẫu: Nơi đặt mẫu vật. Được điều chỉnh chính xác vị trí và góc độ bằng hệ thống cơ điện tử. TEM yêu cầu mẫu cực mỏng và được lắp trên lưới đồng hoặc niken.
4. Hệ thống chân không: Đảm bảo môi trường chân không cao (10^-5 đến 10^-7 Torr) để tránh tán xạ electron bởi không khí.
5. Bộ dò và hệ thống xử lý ảnh: Gồm detector tín hiệu (như SE, BSE, X-ray), màn huỳnh quang hoặc camera CCD/CMOS. Tín hiệu thu được sẽ được chuyển đổi thành ảnh số trên máy tính.

Bảng sau tóm tắt một số điểm khác biệt chính giữa TEM và SEM:

Tiêu chí	TEM	SEM
Loại ảnh	2D – cấu trúc bên trong	3D – bề mặt
Độ phân giải	0.1 – 0.5 nm	1 – 20 nm
Chuẩn bị mẫu	Mỏng, < 100 nm	Phủ dẫn điện
Môi trường	Chân không cao	Có thể dùng ESEM không chân không

Việc hiểu rõ cấu tạo và chức năng của từng bộ phận giúp người sử dụng vận hành máy hiệu quả, đồng thời lựa chọn kỹ thuật phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

Độ phân giải và độ phóng đại

Độ phân giải (resolution) là khả năng phân biệt hai điểm gần nhau thành hai điểm riêng biệt trên ảnh quan sát được. Trong kính hiển vi điện tử, độ phân giải cực kỳ cao nhờ bước sóng electron rất ngắn, giúp tái hiện các chi tiết siêu nhỏ ở cấp độ nguyên tử. TEM có thể đạt độ phân giải tới 0.1 nanomet (nm), trong khi SEM thường dao động từ 1 đến 20 nm.

Độ phân giải lý thuyết được xác định bởi giới hạn nhiễu xạ, tính theo công thức:

$d = \frac{0.61 \lambda}{\mu \sin \theta}$

Trong đó:

• $d$: độ phân giải
• $\lambda$: bước sóng của electron
• $\mu$: chiết suất môi trường (≈ 1 trong chân không)
• $\theta$: góc hội tụ của chùm tia electron

Độ phóng đại (magnification) trong kính hiển vi điện tử có thể đạt từ vài trăm lần (SEM) đến hơn 2 triệu lần (TEM cao cấp). Tuy nhiên, độ phân giải mới là yếu tố quyết định chất lượng ảnh, vì phóng đại lớn nhưng độ phân giải kém sẽ không đem lại thêm thông tin hữu ích.

Chuẩn bị mẫu và xử lý trước khi quan sát

Chuẩn bị mẫu là khâu bắt buộc trong quy trình sử dụng kính hiển vi điện tử. Vì electron không thể xuyên qua các mẫu dày hoặc không dẫn điện tốt, việc xử lý mẫu đóng vai trò quan trọng nhằm tạo ảnh rõ ràng và tránh nhiễu tín hiệu.

Đối với TEM, mẫu cần:

• Được cắt siêu mỏng (< 100 nm) bằng dao thủy tinh hoặc kim cương
• Gắn lên lưới đồng hoặc niken (grid)
• Cố định và nhuộm với các kim loại nặng như uranyl acetate hoặc chì citrate để tăng độ tương phản điện tử

Với SEM, quy trình đơn giản hơn nhưng vẫn cần các bước:

• Cố định mẫu bằng glutaraldehyde hoặc formaldehyde
• Khử nước bằng ethanol hoặc acetone
• Làm khô tới hạn (critical point drying)
• Phủ lớp dẫn điện (vàng, platinum hoặc carbon) bằng sputter coater để giảm tích điện bề mặt

Các kỹ thuật tiên tiến như cryo-EM giúp quan sát mẫu sinh học đông lạnh mà không cần khử nước hay nhuộm màu, giữ nguyên cấu trúc tự nhiên ở độ phân giải gần nguyên tử. Cryo-EM đang trở thành tiêu chuẩn vàng trong phân tích cấu trúc protein và virus hiện nay.

Ứng dụng trong khoa học và công nghiệp

Kính hiển vi điện tử đóng vai trò thiết yếu trong nghiên cứu và phát triển nhiều lĩnh vực công nghệ hiện đại. Nhờ khả năng phân tích chi tiết ở cấp độ nano, EM hỗ trợ cả khoa học cơ bản lẫn ứng dụng công nghiệp.

Các lĩnh vực ứng dụng điển hình:

• Sinh học phân tử và y học: Quan sát cấu trúc virus, protein, màng tế bào, phát hiện bất thường mô học ở cấp siêu hiển vi
• Vật liệu học: Phân tích tinh thể, khuyết tật, biên hạt, cấu trúc nano trong hợp kim, gốm sứ và vật liệu composite
• Điện tử – bán dẫn: Kiểm tra vi mạch tích hợp, cổng logic, cấu trúc lớp mỏng trong chip điện tử
• Khoa học pháp y: Xác định dấu vết vật chứng như sợi vải, hạt bụi, vết nứt siêu nhỏ
• Công nghệ nano: Quan sát ống nano carbon, chấm lượng tử, vật liệu 2D như graphene

Nhiều công trình đoạt giải Nobel Y học và Hóa học trong thập kỷ qua đều có đóng góp từ kỹ thuật kính hiển vi điện tử, đặc biệt là Cryo-EM trong nghiên cứu cấu trúc protein mà không cần kết tinh mẫu.

Hạn chế và thách thức

Dù có khả năng quan sát vượt trội, kính hiển vi điện tử vẫn tồn tại những hạn chế kỹ thuật và kinh tế cần cân nhắc:

• Chi phí đầu tư và bảo trì cao (có thể từ vài trăm nghìn đến hàng triệu USD)
• Yêu cầu người vận hành có kỹ năng chuyên sâu, đào tạo bài bản
• Quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp, tốn thời gian
• Không quan sát được mẫu sống (trừ Cryo-EM với thời gian rất ngắn)
• Nhạy cảm với rung động, nhiệt độ, và từ trường xung quanh

Việc triển khai EM trong các cơ sở nghiên cứu yêu cầu đầu tư về hạ tầng, bao gồm phòng sạch, hệ thống cách ly rung, và điều hòa nhiệt độ chuyên dụng. Ngoài ra, xử lý dữ liệu ảnh từ các thiết bị TEM/Cryo-EM hiện đại cũng đặt ra thách thức về lưu trữ và tính toán.

Xu hướng phát triển và đổi mới công nghệ

Sự phát triển của kính hiển vi điện tử đang tiến nhanh nhờ kết hợp với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI), xử lý ảnh số nâng cao và vật liệu điện tử mới. Một số xu hướng nổi bật:

• Cryo-EM độ phân giải nguyên tử: Cho phép xác định cấu trúc protein mà không cần kết tinh, từng được vinh danh bằng giải Nobel Hóa học 2017.
• STEM – Scanning Transmission EM: Kết hợp lợi thế của TEM và SEM, cho hình ảnh có độ tương phản và độ phân giải cao hơn.
• AI trong xử lý ảnh EM: Giúp nhận dạng cấu trúc, tự động hóa phân tích ảnh 3D phức tạp, giảm thời gian thao tác thủ công.
• Thiết kế máy nhỏ gọn: Một số hãng phát triển SEM để bàn, sử dụng đơn giản, giá rẻ, phù hợp phòng thí nghiệm giáo dục và công nghiệp nhỏ.

Hiện nay, nhiều trung tâm nghiên cứu trên thế giới như NCEM – National Center for Electron Microscopy và Thermo Fisher EM Division đang dẫn đầu trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ EM thế hệ mới.

Tài liệu tham khảo

1. National Center for Electron Microscopy. ncem.lbl.gov.
2. Nature – Electron Microscopy Collection. nature.com.
3. Thermo Fisher Scientific – Electron Microscopy Solutions. thermofisher.com.
4. ScienceDirect – Cryo-Electron Microscopy. sciencedirect.com.
5. JEOL Ltd. – Transmission Electron Microscopes. jeolusa.com.