Microscopio electrónico

Diagrama de un microscopio electrónico de transmisión

UN 1973 Siemens microscopio electrónico, Musée des Arts et Métiers, París

Un microscopio electrónico es un microscopio que utiliza acelerado electrones como una fuente de iluminación. Porque la longitud de onda de un electrón puede ser hasta 100.000 veces más corta que la de la luz visible fotones, el microscopio electrónico tiene una mayor poder de resolución que un microscopio de luz y puede revelar la estructura de objetos más pequeños. Microscopio electrónico de transmisión puede alcanzar más de 50 añospm resolución y ampliaciones de hasta aproximadamente 10.000.000 x mientras que la mayoría Microscopios ópticos están limitados por difracción a unos 200nm resolución y útiles aumentos por debajo de 2000 x.

Los usos del microscopio electrónico de transmisión electrostática y electromagnética lentes para controlar el electrón de la viga y enfocarla para formar una imagen. Estos lentes ópticas de electrón son análogos a las lentes de vidrio de un microscopio óptico de luz.

Los microscopios se utilizan para investigar el ultraestructura de una amplia gama de especímenes biológicos e inorgánicos incluidos microorganismos, células, grande moléculas, biopsia muestras, metales, y cristales. Industrialmente, el microscopio electrónico se utiliza a menudo para control de calidad y Análisis de falla. Microscopios electrónicos modernos producen electrones micrografías, utilizando cámaras digitales especializadas o acaparadores de marco para capturar la imagen.

Historia

Microscopio electrónico construido por Ernst Ruska en 1933

Microscopio electrónico de RCA modelo EMT3 Desktop, 1950

La primera lente electromagnética fue desarrollada en 1926 por Hans Busch.

Según Dennis Gabor, el físico Leó Szilárd probado en 1928 para convencer a Busch para construir un microscopio electrónico, para lo cual había presentado una patente.

Físico alemán Ernst Ruska y el ingeniero eléctrico Max Knoll construido el prototipo microscopio electrónico en 1931, capaz de poder 400 aumentos; el aparato fue la primera manifestación de los principios de la microscopia electrónica. Dos años más tarde, en 1933, Ruska construyó un microscopio electrónico que excedió la resolución alcanzable con un microscopio óptico (luz). Por otra parte, Reinhold Rudenberg, el director científico de Siemens-Schuckertwerke, obtuvo la patente para el microscopio electrónico en mayo de 1931.

En 1932, Ernst Lubcke de Siemens y Halske construir y adquirir imágenes de un microscopio electrónico de prototipo, aplicando conceptos descritos en las solicitudes de patente Rudenberg. Cinco años más tarde (1937), la empresa financió el trabajo de Ernst Ruska y Bodo von Borriesy empleados Helmut Ruska (Hermano de Ernst) para desarrollar aplicaciones para el microscopio, especialmente con especímenes biológicos. También en 1937, Manfred von Ardenne fue pionero en la microscopio electrónico de barrido. El primero práctico microscopio electrónico fue construido en 1938, en la Universidad de Toronto, por Eli Franklin Burton y estudiantes Cecil Hall, James Hilliery Albert Prebus; y Siemens produjo el primer comercial microscopio electrónico de transmisión (TEM) en 1939. Aunque los microscopios electrónicos contemporáneos son capaces de amplificación de potencia 2 millones, como instrumentos científicos, siguen siendo basados de Ruska prototipo.

Tipos

Microscopio electrónico de transmisión moderna

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)

Artículo principal: Microscopio electrónico de transmisión

La forma original del microscopio electrónico, el microscopio electrónico de transmisión (TEM) utiliza un alto voltaje Haz de electrones para crear una imagen. El haz de electrones es producido por un Cañón de electrones, comúnmente equipado con un tungsteno filamento cátodo como fuente de electrones. El haz de electrones es acelerado por un ánodo típicamente en + 100 keV (40 a 400 keV) con respecto al cátodo, centrado por electrostática y electromagnética las lentes y transmitida a través de la muestra que es en parte transparente para los electrones y en parte esparce los de la viga. Cuando emerge del espécimen, el haz de electrones contiene información sobre la estructura de la muestra que se magnifica por la objetivo sistema del microscopio. La variación espacial de esta información (la "imagen") puede verse por proyectar la imagen magnificada electrón sobre un fluorescente visualización pantalla recubierta con un fósforo o scintillator material tales como sulfuro del cinc. Alternativamente, la imagen se puede grabar fotográficamente exponiendo una película fotográfica o placa directamente al electrón viga, o un fósforo de alta resolución puede acoplarse mediante un sistema óptico de lentes o un de fibra óptica luz-una guía para el sensor de un CCD (dispositivo de carga acoplada) cámara. La imagen detectada por el CCD puede mostrarse en un monitor o un ordenador.

Resolución de la TEM es limitada principalmente por aberración esférica, pero una nueva generación de correctores de aberración han sido capaces de superar parcialmente aberración esférica para aumentar la resolución. Corrección de hardware de aberración esférica para el Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) ha permitido la producción de imágenes con resolución por debajo de 0.5 Angstrom (50 picometres) y ampliaciones anteriores 50 millones de veces. La capacidad para determinar las posiciones de los átomos dentro de los materiales ha hecho la HRTEM una herramienta importante para nano-tecnologías investigación y desarrollo.

Es un importante modo de utilización de TEM difracción de electrones. Las ventajas de la difracción de electrones sobre radiografía cristalografía son que las muestras no necesitan ser un solo cristal o incluso un polvo policristalino y también que el Fourier transforma reconstrucción de estructura ampliada del objeto se produce físicamente y por lo tanto evita la necesidad de resolver el problema de la fase que enfrentan los cristalógrafos rayos x después de obtener sus patrones de difracción de rayos x de polvo cristalino o policristalino solo. La desventaja principal del microscopio electrónico de transmisión es la necesidad de secciones extremadamente finas de los especímenes, típicamente alrededor de 100 nanómetros. Especímenes biológicos son típicamente necesarios para ser químicamente fijo, deshidratado y encajado en una resina de polímero a estabilizarlos suficientemente para permitir el seccionamiento ultrafino. Secciones de especímenes biológicos, polímeros orgánicos y materiales similares pueden requerir un tratamiento especial con etiquetas de átomo pesado con el fin de lograr el contraste de la imagen requerida.

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

Artículo principal: Microscopio electrónico de barrido

Una imagen de un hormiga en un microscopio electrónico de barrido

A diferencia de los TEM, donde los electrones de la viga alta tensión llevan la imagen de la muestra, el haz de electrones de la microscopio electrónico de barrido (SEM) en ningún momento llevan una imagen completa de la muestra. El SEM produce imágenes mediante el análisis de la muestra con un haz de electrones enfocado que es explorado a través de un área rectangular de la muestra (Análisis de trama). Cuando el haz de electrones interactúa con la muestra, se pierde energía por una variedad de mecanismos. La energía perdida se transforma en formas alternativas tales como calor, emisión de electrones secundarios de baja energía y alta energía de retrodispersión de electrones, la emisión de luz)catodoluminiscencia) o Rayos x emisión, todos los cuales proporcionan señales portadoras de información sobre las propiedades de la superficie de la muestra, tales como la topografía y la composición. La imagen mostrada por un SEM mapas la intensidad variable de cualquiera de estas señales en la imagen en una posición correspondiente a la posición de la viga sobre la muestra cuando se generó la señal. En la imagen SEM de una hormiga que se muestra a la derecha, se construyó la imagen de señales producidas por un detector de electrones secundarios, normal o convencional de imagen modo en mayoría SEMs.

Generalmente, la resolución de la imagen de un SEM es al menos un orden de magnitud más pobre que el de un TEM. Sin embargo, porque la imagen SEM se basa en los procesos de la superficies en lugar de transmisión, es capaz de las muestras a granel imagen hasta cuántos centímetros en tamaño y (dependiendo del diseño del instrumento y configuraciones) tiene una gran profundidad de campo y así puede producir imágenes que son buenas representaciones de la forma tridimensional de la muestra. Otra ventaja del SEM es su variedad llamada microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) puede producir imágenes de suficiente calidad y resolución con las muestras de ser mojado o contenidas en bajo vacío o gas. Esto facilita enormemente imágenes de muestras biológicas que son inestables en el alto vacío de los microscopios electrónicos convencionales.

Color

En sus configuraciones más comunes, los microscopios electrónicos producen imágenes con un valor de brillo individual por píxel, con los resultados generalmente prestados en escala de grises. Sin embargo, a menudo estas imágenes son luego coloreadas con el uso de software de detección de función, o simplemente por mano-edición utilizando un editor de gráficos. Esto es generalmente para efecto estético o para clarificar la estructura y generalmente no aporta información sobre la muestra.

En algunas configuraciones de más información acerca de las propiedades del espécimen es reunido por píxel, generalmente por el uso de múltiples detectores. En SEM, los atributos de la topografía y el material de contraste pueden obtenerse por un par de detectores de electrones retrodispersados y pueden sobreimponerse tales atributos en un solo color de la imagen mediante la asignación de un color primario diferente para cada atributo. Asimismo, una combinación de dispersión y señales electrónica secundaria pueden ser asignadas a diferentes colores y superpuestas sobre una micrografía solo color mostrando simultáneamente las propiedades de la muestra.

En un método similar, electrónica secundaria y detectores de electrones retrodispersados se superponen y se le asigna un color a cada una de las imágenes captadas por cada detector, con un resultado final de una imagen combinada de color donde los colores están relacionados con la densidad de los componentes. Este método se conoce como densidad dependiente color SEM (DDC-SEM). Micrografías producidas por DDC-SEM retienen información topográfica, que mejor es captada por el detector de electrones secundarios y combinan con la información sobre la densidad, obtenida por el detector de electrones retrodispersados.

Dependiente de la densidad color análisis micrografía electrónica SEM (DDC-SEM) de la calcificación cardiovascular, mostrando en partículas esféricas de fosfato de calcio naranja (material más denso) y en verde, la matriz extracelular (material menos denso).

Algunos tipos de detectores usados en SEM capacidades analíticas y pueden proporcionar varios elementos de datos en cada píxel. Los ejemplos son la Espectroscopía energía dispersiva de rayos x Detectores (EDS) utilizados en el análisis elemental y Microscopio de catodoluminiscencia (CL) sistemas que analizan la intensidad y el espectro del electrón-inducido luminiscencia en las muestras geológicas de (por ejemplo). En los sistemas de SEM utilizando estos detectores es común código de color de las señales y los superponer en la imagen de un solo color, para que las diferencias en la distribución de los distintos componentes de la muestra pueden ser vistas claramente y en comparación. Opcionalmente, la imagen de electrones secundarios estándar puede combinar con los uno o más canales compositivos, que estructura y composición de la muestra pueden ser comparados. Tales imágenes pueden realizarse manteniendo la plena integridad de la señal original, que no es modificada de alguna manera.

Microscopio electrónico de reflexión (REM)

En microscopio electrónico de reflexión (REM) como en el TEM, un haz de electrones es incidente sobre una superficie pero en lugar de utilizar la transmisión (TEM) o electrones secundarios (SEM), el rayo reflejado de electrones dispersados elásticamente se detecta. Esta técnica es típicamente junto con difracción de electrones de alta energía de reflexión (RHEED) y Espectroscopia de alta energía pérdida de reflexión (RHELS). Otra variación es (microscopía electrónica de bajo consumo de energía spin-polarizadoSPLEEM), que se utiliza para mirar la microestructura de dominios magnéticos.

Análisis de microscopio electrónico de transmisión (vástago)

Artículo principal: Microscopía electrónica de transmisión

Las tramas del vástago una sonda incidente enfocada a través de una muestra que (como con el TEM) ha sido diluido para facilitar la detección de electrones diseminados a través de el espécimen. La alta resolución de la TEM es así posible en tallo. La acción (y aberraciones) enfoque ocurren antes de que los electrones golpeó al espécimen en el tallo, pero después en el TEM. Simplifica el uso de tallos de SEM-como viga rastering anular imágenes de campo oscuroy otras técnicas analíticas, pero también significa que los datos de imágenes es adquiridos en serie en lugar de manera paralela. A menudo TEM puede ser equipado con la opción de análisis y luego puede funcionar tanto como TEM y el tallo.

Preparación de la muestra

Un insecto bañado en oro para la observación con un microscopio electrónico de barrido

Materiales para verse bajo un microscopio electrónico pueden requerir tratamiento para producir una muestra adecuada. La técnica requerida varía dependiendo de la muestra y el análisis requerido:

• Producto químico fijación – para fines de especímenes biológicos estabilizar la estructura macromolecular móvil de la muestra por reticulación química de proteínas con aldehídos tales como formaldehído y glutaraldehído, y lípidos con tetróxido de osmio.
• Mancha negativa – brevemente las suspensiones que contienen nanopartículas o bien material biológico (por ejemplo, los virus y bacterias) se mezclan con una solución diluida de una solución de electrón opaco como amonio molibdato, acetato de uranilo (o formato), o ácido fosfotúngstico. Esta mezcla es aplicada a una rejilla EM convenientemente recubierta, borrada, luego se deja secar. Visualización de esta preparación en la TEM debe llevarse a cabo sin demora para obtener mejores resultados. El método es importante en microbiología para la identificación morfológica rápido pero crudo, pero también puede utilizarse como base para la reconstrucción 3D de alta resolución utilizando metodología de tomografía EM cuando las películas de carbón se utilizan para soporte. Tinción negativa también se utiliza para la observación de las nanopartículas.
• Criofijación – congelar un espécimen tan rápidamente, en etano líquidoy mantenido en nitrógeno líquido o incluso helio líquido las temperaturas, por lo que las formas del agua hielo vítreo (no cristalino). Esto preserva a la muestra en una instantánea del estado de la solución. Un campo entero llamado crio-microscopía ha ramificado de esta técnica. Con el desarrollo de crio-microscopía de secciones vítreas (CEMOVIS), ahora es posible observar muestras de prácticamente cualquier espécimen biológico cerca de su estado natal.
• Deshidratación – la liofilización, o el reemplazo de agua con solventes orgánicos tales como etanol o acetona, seguido por secado en punto crítico o infiltración con incrustación resinas.
• Especímenes biológicos, incrustación – después de la deshidratación, tejido para observación en el microscopio electrónico de transmisión está incrustado así pueden ser seccionado listos para su visualización. Para ello el tejido se pasa a través de un disolvente' transición' tales como Óxido de propileno (epoxipropano) y luego se infiltraron con un epoxi resina tales como AralditeEpon, o Durcupan; los tejidos también pueden ser integrados directamente en miscible con agua resina acrílica. Después de que la resina ha sido polimerizada (endurecido) la muestra es seccionadas (ultrafinas secciones delgadas) y manchado – Entonces está listo para su visualización.
• Incrustación, materiales – después de incrustación en resina, el espécimen generalmente rectificado y pulido a un final del espejo usando abrasivos ultra finas. El proceso de pulido debe realizarse con cuidado para minimizar los arañazos y otros artefactos pulidos que reducen la calidad de la imagen.
• Remedo de metal Metal (ej.: platino) es evaporado de un electrodo arriba y aplicado a la superficie de una muestra biológica en un ángulo. Esto es seguido por una disolución del material biológico en un baño de ácido dejando intactas sólo la réplica superficie metálica. Esta réplica superficie metálica entonces puede ser examinada usando microscopia electrónica de transmisión. Las variaciones en el espesor y el ángulo de la superficie de metal permite una imagen que se formó desde el incidente de electrones se dispersa en diferentes direcciones en lugar de pasar por ella.
• Seccionamiento – produce rebanadas delgadas de espécimen, semitransparente para los electrones. Estos pueden ser cortados con una ultramicrótomo con un diamante cuchillo para producir rebanadas ultra delgadas de 60 – 90 nm de espesor. Desechables vidrio cuchillos también se utilizan porque pueden realizarse en el laboratorio y son mucho más baratos.
• Tinción – utiliza metales pesados tales como plomo, uranio o tungsteno dispersión de electrones y por consiguiente dar contraste entre diferentes estructuras, puesto que muchos materiales (especialmente biológicos) son casi "transparentes" para los electrones (objetos de fase débil). En biología, especímenes pueden ser teñidos "en bloque" antes de incrustar y también después de seccionamiento. Típicamente las secciones finas están manchadas por varios minutos con una solución acuosa o alcohólica de acetato de uranilo seguido de citrato de plomo acuosa.
• Congelar la fractura o congelación-etch – un método de preparación particularmente útil para examinar membranas lipídicas y sus proteínas incorporadas en la vista "se enfrentan en". La suspensión de tejido o célula fresca congelada rápidamente (criofijación), entonces se fracturó simplemente rompiendo o mediante un micrótomo mientras mantiene a temperatura de nitrógeno líquido. Superficie de fractura (a veces "grabada" por el aumento de la temperatura de −100 ° C durante varios minutos para dejar algunos sublime de hielo) entonces se ensombreció con el frío evaporó platino o de oro en un ángulo de 45° en un evaporador al vacío alto promedio. Una segunda capa de carbón, evaporada perpendicular al plano superficial medio a menudo se realiza para mejorar la estabilidad de la capa de réplica. El espécimen es devuelto a temperatura ambiente y presión, entonces la réplica metálica "la sombra" extremadamente frágil de la superficie de fractura es lanzada desde el material biológico subyacente por cuidado digestión química con ácidos, hipoclorito solución o SDS detergente. La réplica aún flotante es completamente lavada libre de residuos químicos, cuidadosamente pescaban en rejillas bien, secada después visitaron en el TEM.
• Haz de iones de fresado – diluye las muestras hasta que son transparentes a los electrones por el disparo iones (típicamente argón) en la superficie de un material de ángulo y pulverización de la superficie. Es una subclase de esta viga de ion centrado fresado, donde Galio los iones son utilizados para producir una membrana transparente del electrón en una región específica de la muestra, por ejemplo a través de un dispositivo dentro de un microprocesador. Viga de ion fresado puede usarse también para el pulido de sección transversal antes del análisis de SEM de los materiales que son difíciles de preparar usando pulido mecánico.
• Capa conductora – una capa ultrafina de eléctricamente realización material, depositado por alta evaporación al vacío o por Farfulle vacío bajo la capa de la muestra. Esto se hace para evitar la acumulación de los campos eléctricos estáticos en la muestra debido a la irradiación de electrones necesaria durante la proyección de imagen. Los materiales de revestimiento son de oro, oro/paladio, platino, tungsteno, grafito, etc..
• Puesta a tierra – para evitar la acumulación de carga eléctrica en una muestra cubierta conductora, generalmente eléctricamente está conectado con el portamuestras metálicos. A menudo un adhesivo eléctricamente conductivo se utiliza para este propósito.

Desventajas

Falso color SEM imagen del filtro pelos de un Krill antártico. (Llevan imágenes raw microscopio No hay color información.)
En la foto: Primer grado del filtro pelos con un patrón V de segundo grado pelos apuntando hacia el interior de la cesta de alimentación. La bola púrpura es 1 µm de diámetro.

Microscopios electrónicos son caros de construir y mantener, pero los costos de capital y corrientes microscopía confocal sistemas ahora se superpone con los microscopios electrónicos básicos. Microscopios diseñados para lograr altas resoluciones deben ser ubicados en edificios estables (a veces subterráneos) con servicios especiales tales como cancelación de sistemas magnéticos.

Las muestras en gran medida tienen que ser visto en vacío, como las moléculas que componen el aire dispersan los electrones. Una excepción es ambiental microscopio electrónico de barrido, que permite muestras hidratadas ser visto en una baja presión (hasta 20Torr o 2,7 kPa) o medio ambiente húmedo.

Microscopios electrónicos de barrido operando en modo alto vacío convencional generalmente la imagen muestras conductoras; por lo tanto materiales no conductores requieren capa conductora (aleación de oro/paladio, osmio, carbón, etc.) Modo de baja tensión de microscopios modernos hace posible observación de muestras no conductoras sin recubrimiento. Materiales no conductores pueden ser reflejada también por una presión variable (o ambiental) microscopio electrónico de barrido.

Muestras pequeñas, estables como nanotubos de carbono, diatomea bentónicos y pequeños cristales minerales (fibras de amianto, por ejemplo) no requieren especial tratamiento antes de ser examinado en el microscopio electrónico. Las muestras de materiales hidratados, incluyendo a casi todas las muestras biológicas tienen que estar preparados de diversas maneras para estabilizarlos, reducir su espesor (seccionamiento ultrafino) y aumentar su contraste óptica de electrón (tinción). Estos procesos pueden resultar en artefactos, pero éstos generalmente pueden ser identificados comparando los resultados obtenidos mediante el uso de métodos de preparación de muestras radicalmente diferente. Generalmente se cree por los científicos que trabajan en el campo que como resultados desde la preparación de varias técnicas han sido comparadas y que no hay razón que todos deben producen artefactos similares, es razonable pensar que las características de la microscopia electrónica se corresponden con los de las células vivas. Desde la década de 1980, análisis de cryofixed, especímenes vitrificados también ha convertido cada vez más utilizados por los científicos, más confirmar la validez de esta técnica.

Aplicaciones

Almacenamiento de datos y semiconductores

• Circuito editar
• Análisis de defectos
• Análisis de falla

Biología y Ciencias de la vida

• Microscopía electrónica de diagnóstico
• Criobiología
• Localización de la proteína
• Tomografía de electrones
• Crio-microscopía
• Toxicología
• Producción biológica y carga viral monitoreo
• Análisis de partículas
• Control de calidad farmacéutica
• Biología estructural
• 3D tisular
• Virología
• Vitrificación

Investigación de materiales

• Deposición inducida por el rayo de electrones
• Calificación de materiales
• Investigación médica
• Nanoprototyping
• Nanometrología
• Dispositivo de prueba y caracterización

Industria

• Proyección de imagen de alta resolución
• 2D & 3D micro-caracterización
• Muestra de macro para Metrología del nanómetro
• Caracterización y detección de partículas
• Fabricación de viga-escritura directa
• Experimentos materiales dinámicos
• Preparación de la muestra
• Forenses
• Minería (análisis de minerales de liberación)
• Producto químico/Petroquímica
• Fractografía y Análisis de falla

Véase también

• Imágenes de microscopio Categoría: electrón
• Espectroscopía pérdida de energía del electrón (ANGUILAS)
• Microscopía electrónica de transmisión de energía filtrada (EFTEM)
• Microscopio de emisión de campo
• HiRISE
• Microscopio de efecto túnel
• Microscopía electrónica de barrido confocal
• Microscopio electrónico de barrido (SEM)
• Microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM)
• Microscopio electrónico de corrección de aberración de transmisión
• Difracción de electrones
• Difracción de rayos x
• Microscopio de rayos x
• Tratamiento de la imagen del microscopio
• Microscopía
• Acrónimos en microscopia
• Nanociencia
• Nanotecnología
• Ciencia de superficies

Enlaces externos

Recursos de la biblioteca acerca de Microscopia electrónica

Recursos de la biblioteca Recursos en otras bibliotecas

• La microscopia electrónica de formación on-line
• Una introducción al microscopio electrónico Recursos para profesores y estudiantes
• Ayuda de la ciencia: la microscopia Recursos de secundaria (GCSE, A Level)
• Centrado de bases de datos – datos de microscopia electrónica de la célula

General

• Galería de imágenes Nanohedron.com|Nano hermosas imágenes generadas con los microscopios electrónicos.
• microscopia electrónica Sitio web de la ETH Zürich: muy buenos gráficos e imágenes que ilustran los distintos procedimientos.
• Concurso de imagen FEI FEI tiene un concurso de imagen del microscopio cada año desde 2008.
• Ambiental microscopio electrónico de barrido (ESEM)
• Elemento análisis de microscopio electrónico de la radiografía – Portal de información con microanálisis de rayos x y EDX contenidos
• Seminario de Eva Nogales: "Introducción a la microscopía electrónica"
• buena introducción a la microscopía electrónica por David Szondy

Historia

Recuerdos de John H L Watson de la Universidad de Toronto cuando trabajó con Hillier y Prebus: [1]

• Rubin Borasky microscopia electrónica colección, 1930 – 1988 Centro de archivos, Museo Nacional de historia americana, Smithsonian Institution.

Otros

• La Real Sociedad microscópica, sección de microscopía electrónica (UK)
• Albert Lleal. Temas de historia natural en el microscopio electrónico de barrido SEM

Otras Páginas

• Gestion de emergencias (redireccion de desastres)
• Cirugia
• Casa en calle 23 Avon
• Internet de Zen
• Cuidado de la salud en los Estados Unidos
• Amor vive para siempre
• Igal, Navarra