Microscopio electrónico – Que es, funcionamiento, partes, desventajas

Un microscopio electrónico es un microscopio que utiliza un haz de electrones acelerados como fuente de iluminación. Dado que la longitud de onda de un electrón puede ser 100.000 veces más corta que la de los fotones de luz visible, los microscopios de electrones tienen una resolución más alto que los microscopios ópticos y pueden hacer visible la estructura de objetos más pequeños de la materia. Un microscopio electrónico de transmisión de barrido ha logrado aumentos de hasta cerca de x10.000 mientras que la mayoría de los microscopios ópticos están limitados por la difracción a cerca de 200 nm de resolución y aumentos útiles por debajo de 2000. Los microscopios electrónicos tienen sistemas ópticos de lentes de electrones que son análogos a las lentes de vidrio de un microscopio óptico.

En el microscopio electrónico el haz de electrones de alta velocidad se utiliza en lugar de las ondas de luz que se utilizan en el microscopio óptico. Como la luz, la corriente de electrones tiene un carácter corpuscular y vibratorio. El microscopio electrónico da un aumento muy alto y una resolución increíblemente alta. El primer microscopio electrónico de transmisión fue desarrollado por Ernst Ruska y Max Knoll en Alemania en 1931. Es una herramienta de investigación notable del siglo XX. Hizo visibles las estructuras celulares que eran desconocidas para los biólogos. Puede magnificar un objeto hasta 1.000.000 veces pudiendo ampliarse y estudiarse mediante técnicas fotográficas modernas y técnicas asistidas por ordenador.

 

El físico Ernst Ruska y el ingeniero eléctrico Knoll construyó el prototipo microscopio electrónico en 1931, capaz de ampliación de x400 siendo el aparato la primera demostración de los principios de la microscopia electrónica. En 1933 Ruska construyó un microscopio electrónico que excedió la resolución de un microscopio óptico.

En 1932, Ernst Lubcke de Siemens & Halske construyó y obtuvo imágenes de un prototipo de microscopio electrónico, aplicando conceptos descritos en las aplicaciones de patentes Rudenberg. En 1937 la firma financió el trabajo de Ernst Ruska y Bodo von Borries, y empleó a Helmut Ruska para desarrollar usos para el microscopio con los especímenes biológicos.

El primer microscopio electrónico comercial fue producido en 1938 por Siemens y en 1939 produjo un microscopio electrónico de transmisión. Los microscopios electrónicos contemporáneos son capaces de ampliar x2.000.000 y siguen estando basados en el prototipo de Ruska.

 

 

Microscopio electrónico – Que es, funcionamiento, partes, desventajas

 

Para que sirve el microscopio electrónico

Los microscopios electrónicos se utilizan para investigar la estructura de una amplia gama de especímenes biológicos e inorgánicos incluyendo los microorganismos, las células, las moléculas grandes, las muestras de biopsias, metales y cristales.

A nivel industrial los microscopios electrónicos se utilizan a menudo para el control de calidad y el análisis. Los microscopios electrónicos modernos producen micrografías electrónicas utilizando cámaras digitales especializadas para capturar la imagen.

 

 

Funcionamiento del microscopio electrónico

Los electrones son partículas subatómicas, que orbitan alrededor del núcleo atómico. Cuando los átomos de un metal son excitados por la energía térmica, los electrones se desplazan desde el átomo.

En el microscopio electrónico, el tungsteno se calienta aplicando una corriente de alto voltaje, los electrones forman una corriente continua, que se utiliza como un haz de luz. Las lentes utilizadas son bobinas magnéticas capaces de enfocar el haz de electrones sobre la muestra e iluminarla. El haz de electrones no puede atravesar la lente de vidrio. La fuerza de la lente magnética depende de la corriente que fluye a través de ella. Cuanto mayor sea el flujo de la corriente mayor será la fuerza del campo magnético.

 

 

 

 

Partes del microscopio electrónico

El microscopio electrónico tiene la forma de una columna alta que se monta verticalmente y consta de los siguientes componentes principales:

– Pistola electrónica

– Lentes electromagnéticas — tres juegos.

– Sistema de visualización y grabación de imágenes.

La pistola electrónica es un filamento calentado de tungsteno que genera electrones. La lente del condensador enfoca el haz de electrones en la muestra y una segunda lente del condensador forma los electrones en un haz fino.

Para mover los electrones por la columna se aplica un voltaje de aceleración entre el filamento del tungsteno y el ánodo, con voltajes de aceleración entre 100 -1000 kilovoltios. Los electrones también funcionan como fuente de iluminación para el espécimen.

Los electrones de alta velocidad pasan al sistema de las lentes del condensador, que los enfocan en la muestra. La muestra a examinar debe ser extremadamente delgada, 200 veces más delgada que las utilizadas en el microscopio óptico. Las secciones ultra finas de 20 a100 nanómetros se cortan.

El portamuestras es una película muy delgada de carbono sostenida por una rejilla metálica. El haz electrónico pasa a través de la muestra y los electrones están dispersos en función del grosor o el índice de refracción de diferentes partes de la muestra. Las regiones más densas en el espécimen dispersan más electrones y por lo tanto aparecen más oscuros en la imagen puesto que pocos electrones pulsan en el área de la pantalla y las regiones transparentes son más brillantes.

 

 

Microscopio electrónico – Que es, funcionamiento, partes, desventajas

 

 

El haz de electrones que sale de la muestra pasa por la lente objetiva de las bobinas magnéticas que tiene alta potencia y forma la imagen amplificada intermedia. Finalmente un tercer conjunto de lentes magnéticas llamadas lentes del proyector producen la imagen de amplificación final.

Cada una de estas lentes actúa como lupa de la imagen mientras que mantiene un nivel excelente de detalles y resolución.

Esta imagen se proyecta en una pantalla fluorescente con una cámara para grabar la imagen. Estas lentes proporcionan un aumento y una resolución enormes.

A medida que el microscopio electrónico trabaja en vacío la muestra debe estar completamente seca. Las moléculas de aire presentes en la columna dispersan los electrones que causan un parpadeo en el haz de electrones. El vacío se crea en dos pasos: se utiliza una bomba de vacío mecánica para crear vacío y posteriormente una bomba de difusión utiliza un líquido de movimiento rápido hacia abajo, ya sea aceite o mercurio que atrapa el aire y el gas en la columna. De esta manera, se crea un vacío.

 

 

Microscopio electrónico de transmisión

El microscopio electrónico de transmisión es la forma original de microscopio electrónico que utiliza un haz de electrones de alto voltaje para iluminar el espécimen y crear una imagen. El haz de electrones es producido por una pistola de electrones con un cátodo de filamento de tungsteno como la fuente de electrones.

El haz de electrones es acelerado por un ánodo típicamente a + 100 keV (40 a 400 keV) con respecto al cátodo, enfocado por lentes electroestáticas y electromagnéticas, y transmitido a través del espécimen que es en parte transparente a los electrones y en parte los dispersa fuera del haz.

Cuando emerge del espécimen el haz de electrones transporta información sobre la estructura del espécimen que es magnificado por el sistema objetivo del microscopio. La variación espacial en esta información puede ser vista proyectando la imagen del electrón magnificado en una pantalla de visualización fluorescente cubierta con un material del fósforo tal o el sulfuro del cinc.

La imagen puede ser grabada fotográficamente exponiendo una película o una placa fotográfica directamente al haz de electrones, o un fósforo de alta resolución se puede acoplar por medio de un sistema óptico de la lente o de una luz óptica de fibra unida al sensor de una cámara digital. La imagen detectada por la cámara digital puede visualizarse en un monitor o en un ordenador.

La resolución de microscopio electrónico de transmisión está limitada principalmente por las aberraciones esféricas, pero una nueva generación de correctores han podido superar parcialmente la aberración esférica para aumentar la resolución. La corrección del hardware de la aberración esférica de alta resolución ha permitido la producción de imágenes con la resolución debajo de 0,5 Angstrom y magnificaciones sobre 50.000.000 veces. La capacidad de determinar las posiciones de átomos dentro de los materiales ha hecho el HRTEM una herramienta importante para la investigación y el desarrollo de las nanotecnologías.

 

Los microscopios electrónicos de transmisión se utilizan a menudo en modo de difracción del electrón. Las ventajas de la difracción del electrón sobre la cristalografía de la radiografía son que el espécimen no necesita ser un solo cristal o aún un polvo policristalino, y también que el Fourier transforma la reconstrucción de la estructura magnificada del objeto se produce físicamente y por lo tanto evita la necesidad de resolver el problema de fase que enfrentan con cristalografía de rayos x después de obtener sus patrones de difracción de rayos x de un solo cristal o polvo policristalino.

Una desventaja importante del microscopio electrónico de transmisión es la necesidad de secciones extremadamente finas de los especímenes de cerca de 100 nanómetros. La creación de estas finas secciones para especímenes biológicos y materiales es muy difícil. Las secciones finas del semiconductor se pueden hacer usando un haz de iones enfocado. Los especímenes del tejido biológico se fijan químicamente, se deshidratan e incrustan en una resina polimérica para estabilizarlos suficientemente para permitir el seccionamiento ultrafino. Las secciones de especímenes biológicos, los polímeros orgánicos y los materiales similares pueden requerir la coloración con etiquetas pesadas del átomo para alcanzar el contraste requerido de la imagen.

 

Microscopio electrónico – Que es, funcionamiento, partes, desventajas

 

 

Microscopio electrónico de barrido

Un microscopio electrónico de barrido produce imágenes sondeando la muestra con un haz de electrones enfocado que se escanea a través de un área rectangular de la muestra. Cuando el haz de electrones interactúa con el espécimen pierde energía por una variedad de mecanismos. La energía perdida se convierte en formas alternativas como calor, emisión de electrones secundarios de baja energía y electrones retrodispersados de alta energía, emisión de luz o emisión de rayos x, todos los cuales proporcionan señales que transportan información sobre las propiedades de la superficie de la muestra, como su topografía y composición.

La imagen mostrada por un microscopio electrónico de barrido mapea la intensidad variable de cualquiera de estas señales en la imagen en una posición que corresponde a la posición del haz en la muestra cuando se generó la señal.

Generalmente, la resolución de la imagen de un SEM es más baja que la de un TEM. Sin embargo, debido a que las imágenes SEM la superficie de una muestra en lugar de su interior, los electrones no tienen que viajar a través de la muestra. Esto reduce la necesidad de una preparación extensiva de la muestra para enrarecer la muestra a la transparencia del electrón.

El SEM también tiene una gran profundidad del campo así que puede producir las imágenes que son buenas representaciones de la forma superficial tridimensional de la muestra. Otra ventaja de sems viene con los microscopios de barrido ambientales del electrón que pueden producir imágenes de la buena calidad y de la resolución con las muestras hidratadas o en bajo, algo que alto, vacío o debajo de los gases del compartimiento. Esto facilita la imagen de muestras biológicas no fijas que son inestables en el vacío de microscopios de electrones convencionales.

En sus configuraciones más comunes los microscopios de electrones producen imágenes con un único valor de brillo por píxel, con los resultados generalmente renderizados en escala de grises. A menudo estas imágenes se colorean a través del uso de software de detección de características o mediante la edición manual mediante un editor de gráficos. Esto se puede hacer para clarificar la estructura o para el efecto estético y generalmente no agrega nueva información sobre la muestra.

En algunas configuraciones la información sobre varias características del espécimen se recolecta por el pixel, generalmente por el uso de detectores múltiples.

En el microscopio electrónico de barrido los atributos de topografía y contraste material pueden ser obtenidos por un par de detectores de electrones retrodispersados y tales atributos pueden ser superpuestos en una sola imagen de color asignando un color primario diferente a cada atributo.

Algunos tipos de detectores usados en SEM tienen capacidades analíticas, y pueden proporcionar varios datos en cada pixel. Los ejemplos son los detectores de la espectroscopia de la radiografía de la energía dispersión usados en el análisis elemental y los sistemas del microscopio catodoluminiscente que analizan la intensidad y el espectro de la luminiscencia inducida del electrón en especímenes geológicos. Opcionalmente la imagen de electrón secundario estándar se puede combinar con uno o más canales compositivos, de modo que la estructura y la composición del espécimen puedan ser comparadas. Estas imágenes se pueden hacer mientras se mantiene la integridad total de la señal original que no se modifica.

 

Microscopio electrónico de la reflexión

El microscopio electrónico de la reflexión (REM) es un haz de electrones que indice en una superficie pero en vez de usar la transmisión o los electrones secundarios el haz reflejado de electrones elástico dispersos se detecta. Esta técnica se acopla típicamente a la difracción de alta energía del electrón de la reflexión y a la espectroscopia de la pérdida de alta energía de la reflexión. Otra variante es la microscopia electrónica de baja energía spin-polarizada que se utiliza para mirar la microestructura de dominios magnéticos.

 

Microscopio electrónico de transmisión de barrido

Es una sonda enfocada a través de un espécimen que se ha adelgazado para facilitar la detección de electrones dispersos a través de la muestra. La alta resolución del TEM es así posible. La acción de concentración y las aberraciones ocurren antes de que los electrones golpeen el espécimen en el vástago, pero después en el TEM. El uso de los vástagos del haz similar a SEM simplifica la proyección de imagen de campo oscuro anular, y otras técnicas analíticas, pero también significa que los datos de la imagen se adquieren en serie más bien que en manera paralela.

 

 

 

 

 

Desventajas de los microscopios electrónicos

Los microscopios electrónicos son costosos de construir y mantener, pero los costos de capital y de funcionamiento de los sistemas de microscopio óptico confocal ahora se solapan con los de microscopios electrónicos básicos.

Los microscopios diseñados para lograr altas resoluciones deben estar alojados en edificios estables y a veces subterráneos con servicios especiales con sistemas de cancelación de campos magnéticos.

Las muestras tienen que ser vistas en gran parte en vacío ya que las moléculas que componen el aire dispersarían los electrones. Los microscopios de barrido de electrones que operan en el modo convencional de alto vacío, usualmente especímenes conductivos de imágenes; por lo tanto los materiales no conductores requieren la capa conductora como oro/aleación del paladio, carbón, osmio. El modo de baja tensión de los microscopios modernos hace posible la observación de especímenes no conductivos sin recubrimiento.

Especímenes pequeños y estables tales como nanotubos de carbono, diatomeas frustules y pequeños cristales minerales no requieren ningún tratamiento especial antes de ser examinados en el microscopio electrónico.

Las muestras de materiales hidratados, incluyendo casi todas las muestras biológicas, tienen que prepararse de diversas maneras para estabilizarlas, reducir su grosor y aumentar su contraste óptico de electrones mediante tinción.

Dejar respuesta

Please enter your comment!
Please enter your name here