Wprowadzenie do mikroskopu elektronowego

Firefly Productions / Getty Images

Zaletą korzystania z mikroskopu elektronowego nad mikroskopem optycznym jest znacznie większe powiększenie i moc rozdzielcza. Wady obejmują koszt i wielkość sprzętu, konieczność specjalnego przeszkolenia w celu przygotowania próbek do mikroskopii i korzystania z mikroskopu oraz konieczność obejrzenia próbek w odkurzaczu (chociaż można użyć niektórych próbek uwodnionych).

Najłatwiejszym sposobem zrozumienia działania mikroskopu elektronowego jest porównanie go ze zwykłym mikroskopem świetlnym. W mikroskopie optycznym patrzysz przez okular i soczewkę, aby zobaczyć powiększony obraz próbki. Konfiguracja mikroskopu optycznego składa się z próbki, soczewek, źródła światła i obrazu, który można zobaczyć.

W mikroskopie elektronowym wiązka elektronów zastępuje wiązkę światła. Próbka musi być specjalnie przygotowana, aby elektrony mogły z nią oddziaływać. Powietrze wewnątrz komory próbki jest wypompowywane w celu wytworzenia próżni, ponieważ elektrony nie przemieszczają się daleko w gazie. Zamiast soczewek cewki elektromagnetyczne skupiają wiązkę elektronów. Elektromagnesy zaginają wiązkę elektronów w podobny sposób, w jaki soczewki zaginają światło. Obraz jest produkowany przez elektrony , więc jest oglądany poprzez zrobienie zdjęcia (mikrografia elektronowa) lub oglądając próbkę przez monitor.

Istnieją trzy główne typy mikroskopii elektronowej, które różnią się w zależności od sposobu tworzenia obrazu, przygotowania próbki i rozdzielczości obrazu. Są to transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i skaningowa mikroskopia tunelowa (STM).

Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM)

avid_creative / Getty Images

W skaningowej mikroskopii elektronowej wiązka elektronów jest skanowana po powierzchni próbki w układzie rastrowym. Obraz tworzą elektrony wtórne emitowane z powierzchni, gdy są wzbudzane przez wiązkę elektronów. Detektor mapuje sygnały elektronowe, tworząc obraz, który pokazuje głębię ostrości oprócz struktury powierzchni. Chociaż rozdzielczość jest niższa niż w TEM, SEM oferuje dwie duże zalety. Najpierw tworzy trójwymiarowy obraz okazu. Po drugie, można go używać na grubszych próbkach, ponieważ skanowana jest tylko powierzchnia.

Zarówno w TEM, jak i SEM ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że obraz niekoniecznie jest dokładną reprezentacją próbki. Okaz może ulec zmianom ze względu na jego przygotowanie do mikroskop , od ekspozycji na próżnię lub od ekspozycji na wiązkę elektronów.

Skaningowy mikroskop tunelowy (STM)

Muzeum Historii Nauki Miasta Genewy / Wikimedia Commons / CC BY 3.0

Skaningowy mikroskop tunelowy (STM) obrazuje powierzchnie na poziomie atomowym. Jest to jedyny rodzaj mikroskopii elektronowej, który może obrazować jednostkę atomy . Jego rozdzielczość wynosi około 0,1 nanometra, a głębokość około 0,01 nanometra. STM może być używany nie tylko w próżni, ale także w powietrzu, wodzie oraz innych gazach i cieczach. Może być stosowany w szerokim zakresie temperatur, od niemal zera bezwzględnego do ponad 1000 stopni C.

STM opiera się na tunelowaniu kwantowym. Końcówkę przewodzącą prąd elektryczny umieszcza się w pobliżu powierzchni próbki. Po przyłożeniu różnicy napięć elektrony mogą tunelować między końcówką a próbką. Zmiana prądu końcówki jest mierzona podczas skanowania próbki w celu utworzenia obrazu. W przeciwieństwie do innych rodzajów mikroskopii elektronowej, instrument jest niedrogi i łatwy w wykonaniu. Jednak STM wymaga wyjątkowo czystych próbek i może być trudno go uruchomić.

Opracowanie skaningowego mikroskopu tunelowego przyniosło Gerdowi Binnigowi i Heinrichowi Rohrerowi nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku.