A Low-voltage electron microscope (LVEM) is an electron microscope which operates in transmission mode at accelerating voltages of a few kiloelectronvolts (keV) or less. By contrast, high-voltage transmission electron microscopes use accelerating voltages in the range of 80-1000 keV.

While the architecture of these devices is very similar to a conventional transmission electron microscopes, they have a few key differences that enable them to take advantage of low voltage electron sources, but trading off many advantages of higher voltage operations, including higher resolution and the possibility of electron energy-loss spectroscopy (EELS), etc.

A representative example of this newer class of instruments is the LVEM 25E, a compact low-voltage transmission electron microscope that operates at accelerating voltages up to 25 kV^[1]. The LVEM 25E combines the high-contrast imaging advantages of low-voltage operation with improved penetration depth and analytical capability compared to earlier systems. In addition to TEM and STEM imaging modes, it integrates energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), enabling elemental analysis of thin specimens. This extended voltage range allows the examination of biological and soft-matter samples with thicknesses approaching 100 nm, bridging the gap between traditional LVEM systems and conventional high-voltage TEMs.

An earlier, low cost alternative is the LVEM 5 tabletop low-voltage transmission electron microscope which operates at an accelerating voltage of approximately 5 kV^[2]. the LVEM5 is primarily used for very thin or particulate samples and does not support analytical techniques such as X-ray microanalysis or EELS.

Low-voltage imaging using transmitted electrons is also possible in some modern scanning electron microscopes equipped with dedicated transmission detectors.

A substantial reduction in electron energy allows for a significant improvement of contrast of light elements. The comparison images below show that decreasing the acceleration voltage from 80 kV to 5 kV significantly enhances the contrast of test samples. The improved contrast is a direct result of increased electron scattering associated with a reduced accelerating voltage.

LVEM brings an enhancement of imaging contrast nearly twenty times higher than for 100 kV. This is very promising for biological specimens which are composed of light elements and do not exhibit sufficient contrast in classical TEMs.^[3]

นอกจากนี้ ระยะทางอิสระเฉลี่ยที่ค่อนข้างต่ำ (15 นาโนเมตร) สำหรับตัวอย่างอินทรีย์ที่ 5 kV หมายความว่าสำหรับตัวอย่างที่มีความหนาคงที่ ความคมชัดสูงจะได้รับจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น สำหรับความคมชัด 5% ในภาพสนามสว่างของ LVEM เราต้องการเพียงความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างเฟส 0.07 g/cm³ เท่านั้น^ซึ่งหมายความว่าความจำเป็นในการย้อมสีพอลิเมอร์เพื่อเพิ่มความคมชัดใน TEM (โดยทั่วไปทำด้วยออสเมียมหรือรูทีเนียมเตตระออกไซด์ ) อาจไม่จำเป็นสำหรับเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำ^{[ 4 ]}

การเพิ่มความคมชัดที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำ ช่วยลดหรือขจัดความจำเป็นในการใช้สีย้อมโลหะหนักแบบดั้งเดิมสำหรับการถ่ายภาพธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัส

แม้ว่าการย้อมสีด้วยโลหะหนักอาจยังคงใช้ได้สำหรับการใช้งานที่ต้องการข้อมูลโครงสร้างที่มีความละเอียดสูง แต่ LVEM อนุญาตให้ใช้สีย้อมทางเลือกหรือสีย้อมที่อ่อนกว่า ซึ่งช่วยลดการรบกวนตัวอย่างที่อาจเกิดขึ้นและลดความเสี่ยงของสิ่งแปลกปลอมในการถ่ายภาพ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

สารกันเปื้อนโลหะหนักที่ไม่ใช่ยูเรเนียมและสารทดแทนที่สามารถใช้ได้ ได้แก่:

• กรดฟอสโฟทังสติก (PTA) – นิยมใช้กับโปรตีน ไวรัส และโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่อื่นๆ
• ออสเมียมเตตระออกไซด์ (OsO₄ ₎ – มักใช้สำหรับการตรึงและเพิ่มความคมชัดของไขมันและเยื่อหุ้มเซลล์
• รูทีเนียมเตตรอกไซด์ (RuO₄ ₎ – นำไปใช้ในการสร้างภาพเมมเบรนและโพลิเมอร์
• เกลือแลนทานัม (เช่น ซาแมเรียม ซีเรียม) – ใช้เป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าในบางวิธีการย้อมสีพอลิเมอร์และชีวภาพ

แม้ว่าการย้อมสีด้วยโลหะหนักจะเป็นประโยชน์สำหรับการทดลองที่มุ่งเน้นการกำหนดโครงสร้างที่มีความละเอียดสูง แต่ก็ไม่เป็นที่พึงประสงค์อย่างยิ่งในการเตรียมตัวอย่างโปรตีนบางชนิด เนื่องจากอาจทำให้ตัวอย่างโปรตีนไม่เสถียรเนื่องจากค่า pH ที่เป็นกรดและความเข้มข้นของโลหะหนักค่อนข้างสูง การเติมสีย้อมลงในตัวอย่างที่ตัดเป็นชิ้น เช่น วัสดุชีวภาพหรือพอลิเมอร์ อาจทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอมในการถ่ายภาพได้^{[ 8 ] [ 9 ]}

การทดลอง LVEM ที่ดำเนินการกับตัวอย่างโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ที่สกัดออกมาซึ่งวิเคราะห์โดยมีและไม่มีขั้นตอนการย้อมสี แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงอย่างเห็นได้ชัดในลักษณะของตัวอย่างเมื่อละเว้นการย้อมสีมาตรฐาน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า LVEM อาจมีประโยชน์มากกว่า EM แบบดั้งเดิมสำหรับการใช้งานเฉพาะนี้ เนื่องจากหลีกเลี่ยงขั้นตอนการย้อมสีที่อาจรบกวนได้ จึงให้ภาพที่ไม่ถูกรบกวนของสถานะการรวมตัวของโปรตีน^{[ 10 ] [ 11 ]}

นอกจากนี้ ความสามารถในการขจัดขั้นตอนการย้อมสีอาจช่วยเพิ่มความปลอดภัยในห้องปฏิบัติการได้ เนื่องจากสีย้อมโลหะหนักทั่วไป เช่นยูรานิลอะซิเตตมีความเสี่ยงต่อสุขภาพ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำรุ่นแรกๆ สามารถให้ความละเอียดเชิงพื้นที่ได้ประมาณ 2.5 นาโนเมตรในโหมด TEM, 2.0 นาโนเมตรในโหมด STEM และ 3.0 นาโนเมตรในโหมด SEM ^{[ 4 ]}ความละเอียดของ TEM และ STEM ได้รับการปรับปรุงในระบบเชิงพาณิชย์ให้มีความละเอียดถึง 1.0 นาโนเมตรในปี 2016 มีรายงานความละเอียดของ TEM ที่ดีถึง 0.14 นาโนเมตรที่ 15 keV ในปี 2016 สำหรับระบบที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์^{[ 12 ]}

โดยทั่วไปแล้วกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำจะมีขนาดเล็กกว่าและต้องการพื้นที่ติดตั้งน้อยกว่าเมื่อเทียบกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแรงดันสูงทั่วไป การทำงานที่แรงดันเร่งที่ต่ำกว่าจะช่วยลดความจำเป็นในการใช้แหล่งจ่ายไฟแรงดันสูงขนาดใหญ่ โครงสร้างพื้นฐานการระบายความร้อนที่ซับซ้อน และการป้องกันรังสีอย่างกว้างขวาง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำบางรุ่นใช้ระบบเลนส์ระบายความร้อนด้วยอากาศที่รวมแม่เหล็กถาวรไว้ด้วย ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้การระบายความร้อนด้วยน้ำและลดความซับซ้อนของระบบโดยรวม ส่งผลให้ระบบ LVEM จำนวนมากสามารถติดตั้งในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการมาตรฐานได้โดยไม่ต้องมีห้องกล้องจุลทรรศน์เฉพาะ การระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว หรือสาธารณูปโภคเฉพาะทาง คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้การติดตั้งและการใช้งานง่ายขึ้น และอำนวยความสะดวกในการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านในห้องปฏิบัติการที่มีพื้นที่หรือโครงสร้างพื้นฐานจำกัด^{[ 13 ]}

ความซับซ้อนที่ลดลงและความต้องการโครงสร้างพื้นฐานของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแรงดันต่ำช่วยเพิ่มการเข้าถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านในวงกว้างขึ้นสำหรับการวิจัยและการศึกษา แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่ต่ำกว่า การติดตั้งที่ง่ายขึ้น และการพึ่งพาอุปกรณ์เฉพาะทางที่ลดลง ทำให้ระบบ LVEM สามารถนำไปใช้งานในสถาบันที่อาจขาดทรัพยากรที่จำเป็นสำหรับห้องปฏิบัติการ TEM แรงดันสูงแบบดั้งเดิม ซึ่งทำให้การนำกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านมาใช้ในวงกว้างมากขึ้นในสภาพแวดล้อมการสอน ห้องปฏิบัติการวิจัยขนาดเล็ก และสถาบันในภูมิภาคที่มีการเข้าถึงโครงสร้างพื้นฐานกล้องจุลทรรศน์ขั้นสูงอย่างจำกัด^{[ 14 ]}

กล้องจุลทรรศน์แรงดันต่ำที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันสามารถให้ความละเอียดได้ต่ำสุดเพียง 1 นาโนเมตรเท่านั้น แม้ว่านี่จะเป็นความละเอียดที่เหนือกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง แต่ก็ยังไม่สามารถแข่งขันกับความละเอียดระดับอะตอมที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีแรงดันสูงกว่าได้

ในบางระดับ แรงดันไฟฟ้าต่ำอาจจำกัดความหนาสูงสุดของตัวอย่างที่สามารถศึกษาได้ในโหมด TEM หรือ STEM ตัวอย่างเช่น แนะนำให้ตัวอย่างที่ทำจากคาร์บอนมีความหนาระหว่าง 50–90 นาโนเมตรใน HV-TEM สำหรับ LVEM ที่ 25kV ^{[ 15 ]}ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงค่านี้ แม้ว่าที่ 5kV ความหนาจะลดลงเหลือประมาณ 20–65 นาโนเมตร^{[ 3 ] [ 4 ]}ตัวอย่างที่ทำจากคาร์บอนสามารถตัดให้มีความหนาตามที่กำหนดได้โดยใช้เครื่องอัลตราไมโครโทม

• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM)
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (HRTEM)
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM)
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (STEM)
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (LEEM)
• การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน
• การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (LEED)

LVEM มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานดังต่อไปนี้