L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Microscopi electrònic

Un microscopi electrònic usa electrons en lloc de fotons o llum visible per a formar imàgens d'objectes diminuts. Els microscopis electrònics permeten alcançar amplificament majors abans que els millors microscopis òptics, degut a que la llongitut d'ona dels electrons és prou menor que la dels fotons. El primer microscopi electrònic va ser dissenyat per Ernst Ruska i Max Knoll entre 1931 i 1936, els qui es varen basar en els estudis de Louis-Victor de Broglie sobre les propietats ondulatorias dels electrons. Un microscopi electrònic de transmissió d'agranada ha conseguit una resolució superior a 50 pm en el modo imàgens anular de camp obscur[1] i ampliació de fins a aproximadament 10 000 000× mentres que la majoria dels microscopis òptics estan llimitats per difracció a una resolució d'aproximadament 200 nm i ampliacions útils per baix de 2000×. Els microscopis electrònics utilisen camps magnètics molejats per a formar sistemes de lents òptiques electròniques que són anàlogues a les lents de vidre d'un microscopi de llum òptica. Els microscopis electrònics s'utilisen per a investigar la ultraestructura d'una àmplia gama d'espècimen biològics i inorgànics, inclosos microorganismes, cèles, molècules grans, mostres de biòpsia, metals i cristalins. Industrialmente, els microscopis electrònics s'utilisen a sovint per al control de calitat i el anàlisis de falles. Els microscopis electrònics moderns produïxen micrografías d'electrons utilisant cambres digitals especialisades i capturadores de fotogrames per a capturar les imàgens.

Microscopi electrònic de 1964.

Història


Desenroll inicial

Erro al crear miniatura:
Réplicade un dels primers microscopis electrònics de transmissió construïts per Ernst Ruska, xpuesta en el Museu Alemà de Munich, Alemània
Erro al crear miniatura:
Microscopi electrònic de transmissió (1976)

Varen ser molts els alvanços que varen assentar les bases de l'òptica electrònica utilisada en els microscopis.[2] En 1873, Ernst Abbe va propondre que la capacitat de resoldre detalls en un objecte estava llimitada aproximadament per la llongitut d'ona de la llum utilisada per a l'obtenció d'imàgens, o per uns pocs centenars de nanómetros en el cas dels microscopis de llum visible. Els alvanços en microscopía ultravioleta (UV), liderats per Köhler i Rohr, varen aumentar el poder de resolució al doble.[3] No obstant, açò requeria d'una costosa òptica de cuarzo, degut a que el vidre absorbia la radiació UV. Es creïa que obtindre una image en informació submicrométrica era impossible per esta llimitació de llongitut d'ona.[4]


En 1858, Plücker va observar la desviació dels «rajos catódicos» (electrons) per camps magnètics.[5] Un pas important va ser el treball d'Hertz en 1883[6] que va fabricar un tubo de rajos catódicos en desviació electrostàtica i magnètica, demostrant la manipulació de la direcció d'un fes d'electrons. En 1891, Eduard Riecke va observar que els rajos catódicos podien enfocar-se per mig de camps magnètics, lo que permetia dissenyar lents electromagnètiques senzilles. Este efecte va ser utilisat per Ferdinand Braun en 1897 per a construir osciloscopis de rajos catódicos (cathode-ray oscilloscope, o CRO) senzills.[7] En 1899 Emil Wiechert els focalizó per mig d'un camp magnètic axial[8] i en 1905 Arthur Wehnelt va usar càtodos recoberts d'òxit millorats que produïen més electrons.[9]


En 1926, Hans Busch va publicar un treball que estenia esta teoria i va demostrar que la equació del fabricant de lents podia, en les suposicions adequades, dur al desenroll de la lent electromagnètica i aplicar-se als electrons.[10][11] Segons Dennis Gabor, el físic Leó Szilárd va intentar convéncer-li en 1928 de que construïra un microscopi electrònic, per al que Szilárd havia solicitat una palesa.[12]


Hui en dia, la qüestió de quí va inventar el microscopi electrònic de transmissió és controvertida.[13][14][15][16] En 1928, en la Technische Hochschule de Charlottenburg (actualment Universitat Tècnica de Berlín), Adolf Matthias, catedràtic de Tecnologia d'Alta Tensió i Instalacions Elèctriques, va designar a Max Knoll per a dirigir un equip d'investigadors en la finalitat de que alvançaren en l'investigació sobre fas d'electrons i milloraren el disseny de l'osciloscopi de rajos catódicos. L'equip estava format per varis estudiants de doctorat, entre ells Ernst Ruska i Bodo von Borries. L'equip d'investigació va treballar en el disseny de lents i la colocació de les columnes del CRO, per a optimisar els paràmetros i construir millors CRO, i en la fabricació de components òptics electrònics per a generar imàgens de baixa magnificació (casi 1:1). En 1931, el grup va conseguir generar imàgens ampliades de reixetes de malla colocades sobre l'obertura de l'ànodo.[17][18] El dispositiu utilisava dos lents magnètiques per a conseguir majors auments, lo que podria considerar-se la creació del primer microscopi electrònic. (Ruska va ser guardonat en el premi Nobel de Física de 1986 «Pel seu fonamental treball en òptica d'electrons i pel seu disseny del primer microscopi electrònic»; Max Knoll va morir en 1969, per lo que no va rebre una part del Premi Nobel.)


Aparentment independent d'este esforç va ser el treball en Siemens-Schuckert per Reinhold Rüdenberg que va patentar un microscopi electrònic en lent electrostàtica.. Segons la llei de paleses (palesa nortamericana n.º 2058914[19] i 2070318,[20] abdós presentades en 1932), seria l'inventor del microscopi electrònic, pero no està clar quàn va tindre un instrument operatiu. Va afirmar en un artícul molt breu en 1932[21] que Siemens havia estat treballant en açò durant alguns anys ans que es presentaren les paleses en 1932, sostenint que el seu esforç era paral al desenroll de l'universitat. Va morir en 1961, per lo que, de la mateixa manera que Max Knoll, no va poder optar a una part del Premi Nobe de 1986l.


Millora de la resolució

En aquelavors, s'entenia que els electrons eren partícules de matèria carregades; la naturalea ondulatoria dels electrons no es va comprendre completament fins a la tesis doctoral de Louis de Broglie en 1924.[22] El grup d'investigació de Knoll desconeixia esta publicació fins a 1932, quan es percataron de que la llongitut d'ona de De Broglie dels electrons era varis órdens de magnitut menor que la de la llum, lo que permetia teòricament l'obtenció d'imàgens a escala atòmica. (Inclús per a electrons en una energia cinètica de tan sol 1 electronvoltio, la llongitut d'ona ya és de 1,18 nm). En abril de 1932, Ruska va propondre la construcció d'un nou microscopi electrònic per a l'obtenció d'imàgens directes de mostres insertades en el microscopi, en lloc de simples reixetes de malla o imàgens d'obertures. En este dispositiu es va conseguir l'obtenció d'imàgens de difracció i normals d'una làmina d'alumini. No obstant, l'aument que es podia obtindre era menor que en la microscopía òptica. En setembre de 1933 es varen conseguir auments superiors als que es podien obtindre en un microscopi òptic, en imàgens de fibres de cotó captades ràpidament ans que foren danyades pel fes d'electrons.[4][23]

En eixe moment, l'interés pel microscopi electrònic havia aumentat, i atres grups, com el de Paul Anderson i Kenneth Fitzsimmons[24] de la Universitat Estatal de Washington[25] i el d'Eli Franklin Burton i els estudiants Cecil Hall, James Hillier i Albert Prebus. de la Universitat de Toronto, els qui varen construir els primers TEM en Norteamérica en 1935 i 1938, respectivament,[26] varen impulsar contínuament el disseny d'estos microscopis. En 1936, Siemens va continuar investigant en el microscopi electrònic i va finançar el treball d'Ernst Ruska i Bodo von Borries, i va amprar a Helmut Ruska, germà d'Ernst, per a desenrollar aplicacions per al microscopi i millorar les seues propietats d'image, especialment en mostres biològics.[23][27] En eixe moment, es fabricaven microscopis electrònics per a grups específics, com el dispositiu "EM1" utilisat en elaboratori Nacional de Física del Regne Unit.[28] En 1939, el primer microscopi electrònic comercial, que es mostra en l'image, es va instalar en el departament de Física d'IG Farben-Werke[29] (segons atres fonts en 1938[30]). El treball posterior en el microscopi electrònic es va vore obstaculisat per la destrucció d'un nou laboratori construït en Siemens durant un bombardeig aéreu, aixina com per la mort de dos dels investigadors, Heinz Müller i Friedrich Krause, durant la Segona Guerra Mundial.[31]

També en 1937, Manfred von Ardenne va ser pioner en el microscopi electrònic d'agranada.[32]

Investigació posterior

Despuix de la Segona Guerra Mundial, Ruska va reprendre el seu treball en Siemens, a on va continuar desenrollant el microscopi electrònic de transmissió, creant el primer microscopi en un aument de 100.000x[31] (encara que els actuals són capaços d'alcançar dos millons d'auments, com a instruments científics seguixen sent similars pero en una òptica millorada.) L'estructura fonamental d'este disseny de microscopi, en òptica de preparació de fes multietapa, encara s'utilisa en els microscopis moderns. La comunitat mundial de microscopía electrònica va alvançar en la fabricació de microscopis electrònics en Manchester (Regne Unit), Estats Units (RCA), Alemània (Siemens) i Japó (JEOL). La primera conferència internacional de microscopía electrònica va tindre lloc en Delft en 1949, en més de cent assistents.[28] Posteriorment es varen celebrar conferències, inclosa la "Primera" conferència internacional en Paris, 1950 i després en Londres en 1954. En el desenroll de la TEM, la tècnica associada de microscopía electrònica de transmissió d'agranada (STEM) va ser reinvestigada i va permanéixer sense desenrollar fins a la década de 1970, quan Albert Crewe, de la Universitat de Chicago, va desenrollar el canó d'emissió de camp[33] i va afegir una lent objectiu d'alta calitat per a crear la STEM moderna. Utilisant este disseny, Crewe va demostrar la capacitat d'obtindre imàgens d'àtoms per mig d'imàgens de camp obscur anular. Crewe i els seus colaboradors en l'Universitat de Chicago varen desenrollar la font d'emissió d'electrons de camp fret i varen construir una STEM capaç de visualisar àtoms pesats individuals en substrats prims de carbono.[34]


Llimitacions del microscopi electrònic

  • La llimitada obertura no permet que l'informació detallada alcance l'image, llimitant d'esta manera la resolució.
  • El contrast d'amplitut (que radica en la naturalea corpuscular dels electrons) es deu al contrast de difracció, provocat per la pèrdua d'electrons del raig. És un contrast dominant en espècimen grossos.
  • El contrast de fase (que radica en la naturalea ondulatoria dels electrons) es deu al contrast d'interferència provocat pels desplaçaments en les fases relatives de les porcions del raig. És un contrast dominant en espècimen fins.
  • Existixen també distintes aberracions produïdes pels lents: astigmática, esfèrica i cromàtica.
  • El problema de la funció de transferència de contrast (CTF en anglés): la FTC descriu la resposta d'un sistema òptic a una image descomposta en ones quadràtiques. El material biològic presenta dos problemes fonamentals: l'entorn de buit i la transferència d'energia. Per a resoldre'ls, s'utilisen distintes tècniques depenent del tamany de la mostra:[35]
  • per a mostres grans com a òrguens, teixits o cèles, s'utilisen tres tècniques:
  1. la fixació química o la criofijación;
  2. l'inclusió en resines (criosustitución);
  3. la rèplica metàlica.
  • per a mostres chicotetes com a complexos macromoleculares s'utilisen les següents tècniques:
  1. la tinción negativa: els agents de tinción més usats són el molibdato amònic, el fosfotungstato sòdic i sals d'urani com acetat i formiato. Tots ells presenten les següents propietats: interactuen mínimament en la mostra i són estables en l'interacció en els electrons, són altament solubles en aigua, presenten una alta densitat que favorix el contrast, tenen un punt alt de fusió, tenen un tamany de gra chicotet;
  2. la rèplica metàlica: per a construir la rèplica metàlica s'evapora el metal (estany), que es deposita sobre la mostra al mateix temps que esta, pel buit, es dissol;
  3. la criomicroscopía. Des de la década de 1980, els científics també han utilisat cada volta més l'anàlisis de criofijación i mostres vitrificades, lo que confirma encara més la validea d'esta tècnica.[36][37][38]


Tipos de microscopis electrònics

Erro al crear miniatura:
(1) carcassa, (2) emissor d'electrons, (3) electrons, (4) càtodo, (5) ànodo, (6) Lent condensador, (7) mostra analisada, (8) Lent objectiu, (9) Lent proyector, (10) Detector (sensor o película fotogràfica).

Existixen dos tipos principals de microscopis electrònics: el microscopi electrònic de transmissió i el microscopi electrònic d'agranada.

Microscopi electrònic de transmissió (TEM)

Artícul principal → Microscopi electrònic de transmissió.

El microscopi electrònic de transmissió (TEM en anglés) emet un fes d'electrons dirigit cap a l'objecte l'image del qual es desija aumentar. Una part dels electrons reboten contra la mostra, formant aixina una image aumentada. Per a utilisar un microscopi electrònic de transmissió deu tallar-se la mostra en capes fines, no majors d'uns 2000 ángstroms. Els microscopis electrònics de transmissió poden aumentar l'image d'un objecte fins a un milló de voltes.

Microscopi electrònic d'agranada (SEM)

 
Image d'una formiga presa en un MEB (microscopi electrònic d'agranada).
Artícul principal → Microscopi electrònic d'agranada.


En el microscopi electrònic d'agranada (SEM en anglés) la mostra és recoberta en una capa de metal prim, i és agranada en electrons enviats des d'un canó. Un detector medix la cantitat d'electrons enviats que tira l'intensitat de la zona de mostra, sent capaç de mostrar figures en tres dimensions, proyectats en una image de TV. La seua resolució està entre 3 i 20 nm, depenent del microscopi. Permet obtindre imàgens de gran resolució en materials pétreos, metàlics i orgànics. La llum se substituïx per un fes d'electrons, les lents per electroimanes i les mostres es fan conductores metalizando la superfície. Recolzant-se en els treballs de Max Knoll dels anys 1930 va ser Manfred von Ardenne qui va conseguir inventar el MEB en 1937 que consistia en un fes d'electrons que agranava la superfície de la mostra a analisar, que, en resposta, reemitía algunes partícules. Estes partícules són analisades pels diferents sensors que fan que siga possible la reconstrucció d'una image tridimensional de la superfície.


Atres tipos de microscopis electrònics

Aplicacions en distintes àrees

En l'estudi dels circuits integrats se sol utilisar el microscopi electrònic per una curiosa propietat: Com el camp elèctric modifica la trayectòria dels electrons, en un circuit integrat en funcionament, vist baix el microscopi electrònic, es pot apreciar el potencial al que està cada element del circuit. La cristalografia d'electrons és un método utilisat per a determinar la disposició d'àtoms en sòlits a través d'un microscopi electrònic de transmissió. Este método s'utilisa en moltes situacions a on no es pot usar cristalografia de rajos X i va ser inventat per Aaron Klug.[40]

Referències

  1. ↑ Erni, Rolf (2009). “org/uc/item/3cs0m4vr Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe”. Physical Review Letters 102 (9). doi:10.1103/PhysRevLett.102.096101. PMID 19392535. Bibcode: 2009PhRvL.102i6101I.
  2. ↑ Calbick, C. J.. “scitation. org/doi/10.1063/1.1707371 Context històric de l'òptica d'electrons” (és). Journal of Applied Physics 15 (10): 685-690. ISSN 0021-8979. Bibcode: 685C 1944JAP....15.. 685C.
  3. ↑ ultraviolet microscope. (2010). In Encyclopædia Britannica. Retrieved November 20, 2010, from britannica. com/EBchecked/topic/613520/ultraviolet-microscope Encyclopædia Britannica Online
  4. ↑ 4,0 4,1 The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy (vol. 25), p. 820. doi:10.1364/AO.25.000820. ISBN 978-3-7776-0364-3.
  5. ↑ Plücker, J. (1858). “google. com/books? id=j2UEAAAAYAAJ&pg=PA88 Über die Einwirkung dones Magneten auf die elektrischen Entladungen in verdünnten Gasen” [On the effect of a magnet on the electric discharge in rarified gasos]. Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie 103 (1): 88–106. doi:10.1002/andp.18581790106. Bibcode: 1858AnP...179...88P.
  6. ↑ doi. org/10.4324/9780429198960-4 «Introduction to Heinrich Hertz's Miscellaneous Papers (1895) by Philipp Lenard».Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894).Routledge.
    87-88.doi:10.4324/9780429198960-4.
  7. ↑ «org/nobel_prizes/physics/laureates/1909/braun-bio. html Ferdinand Braun, The Nobel Prize in Physics 1909, Biography». nobelprize. org.
  8. ↑ Wiechert, I.. “wiley. com/doi/10.1002/andp.18993051203 Experimentelle Untersuchungen über die Geschwindigkeit und die magnetische Ablenkbarkeit der Kathodenstrahlen” (de). Annalen der Physik und Chemie 305 (12): 739-766. Bibcode: 1899AnP...305..739W.
  9. ↑ Wehnelt, A.. “tandfonline. com/doi/full/10.1080/14786440509463347 X. Sobre la descàrrega d'ions negatius per òxits metàlics incandescents i fenomens afins” (és). The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 10 (55): 80-90. ISSN 1941-5982.
  10. ↑ «org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/perspectives. html The Nobel Prize in Physics 1986, Perspectives – Life through a Lens».
  11. ↑ Busch, H.. “wiley. com/doi/10.1002/andp.19263862507 Berechnung der Bahn von Kathodenstrahlen im axialsymmetrischen elektromagnetischen Felde” (de). Annalen der Physik 386 (25): 974-993. Bibcode: 1926AnP...386..974B.
  12. ↑ Dannen, Gene (1998) dannen. com/budatalk. htmleo Szilard the Inventor: A Slideshow (1998, Budapest, conferència). dannen. com
  13. ↑ Mulvey, T. “iop. org/artícul/10.1088/0508-3443/13/5/303 Orígens i desenroll històric del microscopi electrònic”. British Journal of Applied Physics 13 (5): 197-207. ISSN 0508-3443.
  14. ↑ Tao, Yaping. “atlantis-press. com/proceedings/iccessh-18/25898208 Una investigació històrica dels debats sobre l'invenció i els drets d'invenció del microscopi electrònic” (és). Alvanços en l'investigació en ciències socials, educació i humanitats: 1438-1441. Atlantis Press.
  15. ↑ Freundlich, Martin M.. “science. org/doi/10.1126/science.142.3589.185 Orige del microscopi electrònic: Es revisa l'història d'un gran invent i d'una idea errònea sobre els inventors.” (és). Science 142 (3589): 185-188. ISSN 0036-8075. PMID 14057363.
  16. ↑ doi. org/10.1016/s1076-5670(10)60005-5 «Orige i antecedents de l'invenció del microscopi electrònic».Elsevier.160
    171-205..
  17. ↑ “doi. org/10.1002/andp.19324040506 Beitrag zur geometrischen Elektronenoptik. I” . Annalen der Physik 404 (5): 607-640. ISSN 0003-3804. Bibcode: 1932AnP...404..607K.
  18. ↑ “springer. com/10.1007/BF01342199 Dones Elektronenmikroskop” (de) . Zeitschrift für Physik 78 (5-6): 318-339. ISSN 1434-6001. Bibcode: 1932ZPhy...78..318K.
  19. ↑ Rüdenberg, Reinhold. «uspto. gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/2058914 Aparat per a produir imàgens d'objectes».
  20. ↑ Rüdenberg, Reinhold. «uspto. gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/2070318 Aparat per a produir imàgens d'objectes».
  21. ↑ Rodenberg, R.. “springer. com/10.1007/BF01505383 Elektronenmikroskop” (de). Die Naturwissenschaften 20 (28): 522. ISSN 0028-1042. Bibcode: 1932NW.....20..522R.
  22. ↑ «org/LDB-oeuvres/De_Broglie_Kracklauer.pdf On the Theory of Quanta».
  23. ↑ 23,0 23,1 Ruska, Ernst (1986). «org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/ruska-autobio. html Ernst Ruska Autobiografia». Fundació Nobel.
  24. ↑ «wsu. edu/2018/05/14/wsu-home-north-americas-first-electron-microscope/ North America's first electron microscope».
  25. ↑ «microscopy. org/about/history. cfm A Brief History of the Microscopy Society of America». microscopy. org.
  26. ↑ «bfree. on. ca/hillier/hilbio. htm Dr. James Hillier, Biography». comdir. bfree. on. ca.
  27. ↑ “Helmut Ruska i la visualisació de virus” . The Lancet 355 (9216): 1713-1717. PMID 10905259.
  28. ↑ 28,0 28,1 (1985) Hawkes, P. (ed.). org/details/beginningsofelec0000unse The beginnings of Electron Microscopy, Academic Press. ISBN 978-0-12-014578-2.
  29. ↑ «mit. edu/Invent/iow/hillier. html James Hillier».
  30. ↑ library. caltech. edu/5456/1/hrst. mit. edu/hrs/materials/public/ElectronMicroscope/EM_HistOverview. htm Història de la microscopía electrònica, 1931-2000. Authors. library. caltech. edu (2002-12-10). Recuperat en 2017-04-29.
  31. ↑ 31,0 31,1 «org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/ruska-lecture. html Ernst Ruska, Nobel Prize Lecture». nobelprize. org.
  32. ↑ “wiley. com/doi/abs/10.1002/bbpc.19400460406 Untersuchung von Metalloxyd-Rauchen mit dem Universal-Elektronenmikroskop” (de) . Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie 46 (4): 270-277.
  33. ↑ “library. unt. edu/ark:/67531/metadc1061663/ A Simple Scanning Electron Microscope” (1969). Rev. Sci. Instrum. 40 (2): 241–246. doi:10.1063/1.1683910. Bibcode: 1969RScI...40..241C.
  34. ↑ “Visibility of a single atom” (1970). Science 168 (3937): 1338–1340. doi:10.1126/science.168.3937.1338. PMID 17731040. Bibcode: 1970Sci...168.1338C.
  35. ↑ “Electron microscopy of specimens in liquid” . Nature Nanotechnology 6 (8): 695–704. doi:10.1038/nmat944. PMID 12872162. Bibcode: 2003NatMa...2..532W.
  36. ↑ Adrian, Marc (1984). “unil. ch/notice/serval:BIB_BEC796503260 Cryo-electron microscopy of viruses”. Nature 308 (5954): 32–36. doi:10.1038/308032a0. PMID 6322001. Bibcode: 1984Natur.308...32A.
  37. ↑ Sabanay, I. (1991). “Study of vitrified, unstained frozen tissue sections by cryoimmunoelectron microscopy”. Journal of Cell Science 100 (1): 227–236. doi:10.1242/jcs.100.1.227. PMID 1795028.
  38. ↑ Kasas, S. (2003). “Vitrification of cryoelectron microscopy specimens revealed by high-speed photographic imaging”. Journal of Microscopy 211 (1): 48–53. doi:10.1046/j.1365-2818.2003.01193. x. PMID 12839550.
  39. ↑ News Medicalife Sciences (ed.): «news-medical. net/life-sciences/Types-of-Electron-Microscopes-(Spanish). aspx Tipos de microscopis electrònics».
  40. ↑ A. Klug 1978-1979 . Anàlisis d'imàgens i la reconstrucció en la microscopia electrònica de macromolécula biològiques. ' Chemical Scripta ' ' ' 14 ' ' ' . 245 a 256

Enllaços externs

Commons


Obtingut de «https://lenciclopedia.org/w/index.php?title=Microscopi_electrònic&oldid=1309409»