Mikroskopem elektronowym (EM) jest typu mikroskopu, który wykorzystuje wiązkę o elektronów do oświetlania próbki i utworzyć obraz znacznie powiększone. Został wynaleziony w 1931 roku przez niemieckich inżynierów. Mikroskopy elektronowe mają większą zdolność rozdzielczą niż mikroskopy optyczne wykorzystujące widzialne promieniowanie elektromagnetyczne . Mogą osiągnąć znacznie większe powiększenia do 2 milionów razy, podczas gdy najlepsze mikroskopy optyczne są ograniczone do 2000-krotnego powiększenia. Te dwa typy mikroskopów mają ograniczoną rozdzielczość, podyktowaną długością fali używanego przez nie promieniowania. Rozdzielczość większą i powiększenia mikroskopu elektronowego jest ze względu na fakt, że długość fali de Broglie od elektronów jest znacznie mniejsza niż długość fali o fotonów światła widzialnego.
Mikroskop elektronowy wykorzystuje soczewki elektrostatyczne i elektromagnetyczne do tworzenia obrazu poprzez kontrolowanie wiązki elektronów i doprowadzenie jej do zbieżności na określonej płaszczyźnie względem próbki. Zasada jest podobna do tej z mikroskopu optycznego, który wykorzystuje szklane soczewki do skupiania światła na próbce lub przez próbkę w celu utworzenia obrazu.
Po opracowaniach teoretycznych Louisa de Broglie w 1923 r., W 1926 r. Udało się udowodnić, że pola magnetyczne lub elektrostatyczne mogą być używane jako soczewki dla wiązek elektronów.
Pierwszy prototyp mikroskopu elektronowego zbudowali w 1931 roku niemieccy inżynierowie Ernst Ruska i Max Knoll . Ten pierwszy instrument powiększał obiekty najwyżej czterysta razy. Dwa lata później Russjai zbudował mikroskop elektronowy, który przekroczył możliwą rozdzielczość mikroskopu optycznego. Reinhold Rudenberg , dyrektor naukowy firmy Siemens , opatentował mikroskop elektronowy w 1931 r. , Stymulowany przez chorobę w rodzinie, aby uwidocznić wirusa polio. W 1937 roku Siemens zaczął finansować Ruskę i Bodo von Borries w celu opracowania mikroskopu elektronowego. Siemens zatrudnił również brata Helmuta Ruski do pracy nad zastosowaniami, szczególnie z okazami biologicznymi.
W tym samym dziesięcioleciu Manfred von Ardenne rozpoczął badania nad skaningowym mikroskopem elektronowym i jego uniwersalnym mikroskopem elektronowym. Siemens wyprodukował pierwszy dostępny na rynku mikroskop elektronowy w 1938 roku. Pierwszy mikroskop elektronowy w USA został zbudowany na Uniwersytecie w Toronto w 1938 roku przez Eli Franklina Burtona (w) i studentów Cecila Halla , Jamesa Hilliera i Alberta Prebusa . Pierwszy transmisyjny mikroskop elektronowy został zbudowany przez Siemensa w 1939 roku. Realizacja mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości była możliwa dopiero po wynalezieniu stygmatora przez Hilliera w 1946 roku w laboratoriach RCA. Chociaż współczesne mikroskopy elektronowe mogą powiększać obiekty nawet dwa miliony razy, nadal są oparte na prototypie Ruskiej. Mikroskop elektronowy jest niezbędnym elementem wyposażenia wielu laboratoriów. Naukowcy wykorzystują je do badania materiałów biologicznych (takich jak mikroorganizmy i komórki ), szerokiej gamy molekuł , próbek z biopsji medycznych, metali i struktur krystalicznych oraz właściwości różnych powierzchni. Mikroskop elektronowy jest również szeroko stosowany do kontroli, zapewniania jakości i analizy awarii w zastosowaniach przemysłowych, w tym między innymi w produkcji urządzeń półprzewodnikowych .
Oryginalna forma mikroskopu elektronowego, transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) wykorzystuje wolfram jako katodę źródła elektronów . Wiązka elektronów jest przyspieszana przez anodę na ogół pod napięciem 100 keV (40 do 400 keV) w stosunku do katody , skupiana przez soczewki elektrostatyczne i elektromagnetyczne i przekazywana do celu, który jest częściowo przezroczysty dla elektronów i częściowo je rozprasza. Wychodząc z próbki, wiązka elektronów przenosi informacje o strukturze próbki, które są wzmacniane przez system soczewek obiektywu mikroskopu. Przestrzenne zróżnicowanie tej informacji („obrazu”) jest widoczne poprzez rzutowanie powiększonego obrazu elektronicznego na scyntylator , taki jak siarczek cynku lub fosfor . Obraz można zarejestrować fotograficznie, naświetlając kliszę lub kliszę fotograficzną bezpośrednio na wiązkę elektronów lub płytkę fosforową o wysokiej rozdzielczości można połączyć za pomocą układu optycznego lub światłowodu z czujnikiem kamery CCD ( urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym ) . Obraz wykryty przez CCD można wyświetlić na monitorze lub skierować do komputera.
Rozdzielczość jest ograniczona przede wszystkim przez aberrację sferyczną , ale nowa generacja korektorów sferycznych zwiększa rozdzielczość. Oprogramowanie do korekcji aberracji sferycznej dla TEM o wysokiej rozdzielczości (HRTEM) umożliwiło wykonanie obrazów o rozdzielczości wystarczającej do pokazania atomów węgla w diamentach, oddzielonych tylko 0,89 ångström (89 pikometrów ) i atomów krzemu przy 0,78 ångström (78 pikometrów) przy 50 milion razy powiększenie. Umiejętność określania pozycji atomów w materiałach uczyniła HRTEM ważnym narzędziem badań i rozwoju w nanotechnologii .
W przeciwieństwie do TEM, gdzie wysokonapięciowa wiązka elektronów przenosi obraz próbki, wiązka elektronów ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) nie może w żadnym momencie dać obrazu pełnej próbki. SEM tworzy obrazy poprzez sondowanie próbki wiązką elektronów, zogniskowaną, analizuje się na prostokątnym obszarze próbki ( skanowanie rastrowe (in) ). W każdym punkcie próbki padająca wiązka elektronów traci energię. Ta utrata energii jest przekształcana w inne formy, takie jak ciepło, emisja elektronów wtórnych o niskiej energii, emisja światła ( katodoluminescencja ) lub emisja promieni rentgenowskich . Wyświetlacz SEM przedstawia zmienną intensywność jednego z tych sygnałów na obrazie, w pozycji odpowiadającej położeniu wiązki na próbce, kiedy sygnał został wygenerowany. Na obrazie mrówki po prawej, obraz został skonstruowany z sygnałów wytwarzanych przez wtórny detektor elektronów, normalny konwencjonalny tryb obrazowania większości SEM.
Zwykle rozdzielczość obrazu SEM jest o około rząd wielkości niższa niż rozdzielczość TEM. Ponieważ jednak obraz SEM opiera się raczej na procesach powierzchniowych niż na transmisji, jest w stanie dostarczyć obrazy obiektów do kilku centymetrów z dużą głębią ostrości, w zależności od konstrukcji i ustawienia aparatu. obrazy, które są dobrą trójwymiarową reprezentacją struktury próbki.
W elektronowym mikroskopie odbiciowym , podobnie jak w elektronowym mikroskopie transmisyjnym, wiązka elektronów pada na powierzchnię, ale zamiast wykorzystania transmisji (TEM) lub elektronów wtórnych (SEM), to wiązka elektronów odbitych, rozproszonych przez elastyczność, jest wykryto. Technika ta jest powszechnie kojarzona z odbiciem dyfrakcji elektronów o wysokiej energii (RHEED) i odbiciem widma o dużej utracie energii (RHELS). Inną odmianą jest mikroskopia elektronów niskoenergetycznych spolaryzowanych spinowo (SPLEEM), która służy do badania mikrostruktury domen magnetycznych.
Skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy (MEBT lub STEM dla skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej ) to typ modelu, którego zasada działania łączy pewne aspekty skaningowego mikroskopu elektronowego i transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Źródło elektronów skupia wiązkę elektronów, która przechodzi przez próbkę. System soczewek magnetycznych pozwala tej wiązce omiatać powierzchnię analizowanej próbki.
Materiały przeznaczone do oglądania pod mikroskopem elektronowym mogą wymagać przetworzenia w celu wytworzenia odpowiedniej próbki. Wymagana technika różni się w zależności od modelu i wymaganej analizy:
Mikroskopy elektronowe są drogie w budowie i utrzymaniu, ale koszty produkcji i eksploatacji systemów mikroskopii konfokalnej przewyższają obecnie koszty podstawowych mikroskopów elektronowych. Mikroskopy elektronowe są raczej dynamiczne niż statyczne w swoim działaniu, wymagając dostarczania bardzo stabilnego wysokiego napięcia, wyjątkowo stabilnych prądów do każdej cewki / soczewki elektromagnetycznej, ciągłego pompowania próżni lub ultra-próżni oraz chłodzenia przez cyrkulującą wodę, soczewki i pompy. Ponieważ są bardzo wrażliwe na wibracje i zewnętrzne pola magnetyczne, mikroskopy, aby umożliwić wyższe rozdzielczości, muszą być umieszczone w stabilnych budynkach (czasami pod ziemią), wyposażonych w specjalne systemy, takie jak systemy eliminacji pola magnetycznego. Niektóre mikroskopy elektronowe niskonapięciowe mają możliwości MET przy bardzo niskim napięciu (około 5 kV), bez ścisłego napięcia zasilania, wody chłodzącej lub izolacji drgań. Są znacznie tańsze w zakupie i znacznie łatwiejsze w instalacji i utrzymaniu, ale nie mają tej samej ultra-wysokiej rozdzielczości (skali atomowej), co większe instrumenty.
Próbki należy generalnie badać w próżni, ponieważ cząsteczki tworzące powietrze rozpraszają elektrony. Wyjątkiem jest środowiskowy skaningowy mikroskop elektronowy, który umożliwia obserwację uwodnionych próbek pod niskim ciśnieniem (do 2,7 kPa) w wilgotnym środowisku. Skaningowe mikroskopy elektronowe są zwykle bardziej wydajne w przypadku materiałów półprzewodnikowych lub przewodzących, ale materiały nieprzewodzące można przetwarzać za pomocą skaningowych mikroskopów środowiskowych. Jedną z technik przygotowania jest pokrycie próbki warstwą kilku nanometrów materiału przewodzącego, takiego jak złoto, z rozpylacza, ale proces ten może zakłócać działanie delikatnych próbek.
Małe i stabilny roślin, takich jak nanorurek węglowych , pancerzyki z okrzemki i małych kryształów minerały ( na przykład azbest włókna ) nie wymagają specjalnego traktowania przed badane w mikroskopie elektronowym. Jeśli chodzi o próbki materiałów uwodnionych, prawie wszystkie próbki biologiczne muszą być przygotowane na różne sposoby, aby je ustabilizować, zmniejszyć ich grubość (ultracienkie skrawki) i zwiększyć kontrast (barwienie). Procesy te mogą prowadzić do artefaktów , ale zwykle można je zidentyfikować, porównując wyniki uzyskane przy użyciu radykalnie różnych metod przygotowania. Naukowcy pracujący w tej dziedzinie na ogół uważają, po porównaniu wyników różnych technik przygotowania, że nie ma powodu, dla którego wszyscy wytwarzają podobne artefakty, i dlatego uzasadnione jest przypuszczenie, że obrazy dostarczone przez mikroskopię elektronową odpowiadają rzeczywistości życia. komórki. Ponadto wyniki o wyższej rozdzielczości porównano bezpośrednio z wynikami krystalografii za pomocą promieni rentgenowskich , zapewniając niezależne potwierdzenie słuszności tej techniki. Od lat osiemdziesiątych analiza zamrożonych lub zeszklonych próbek jest również coraz częściej wykorzystywana przez naukowców, którzy potwierdzają słuszność tej techniki.