Anar al contingut

Microscopi electrònic d'agranada

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Per a atres usos d'este terme vore SEM (desambiguació).
Primer microscopi electrònic d'agranada, de M. von Ardenne.
Microscopi electrònic d'agranada (1998).

El microscopi electrònic d'agranada (MEB o SEM, per scanning electron microscope) és un tipo de microscopi electrònic capaç de produir imàgens d'alta resolució de la superfície d'una mostra utilisant les interaccions electró-matèria. Aplica un fes d'electrons en lloc d'un fes de llum per a formar una image.[1]

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. Els treballs realisats en la década de 1960 en elaboratori de Charles William Oatley, en l'Universitat de Cambridge, varen contribuir en gran mida al desenroll del MEB, i varen donar lloc en 1965 a la comercialisació, per part de Cambridge Instrument Co., dels primers microscopis d'agranada.[2] Hui en dia, la microscopía electrònica d'agranada s'utilisa en camps que van des de la biologia a la ciència dels materials, passant per l'arqueologia, i molts fabricants oferixen aparats de série equipats en detectors d'electrons secundaris i la resolució dels quals se situa entre 0,4 i 20 nanómetros.[3]

Els MEB posseïxen una gran profunditat de camp, que permet enfocar al mateix temps gran part de la mostra. També produïxen imàgens d'alta resolució, de manera que les característiques més ínfimes de la mostra poden ser examinades en gran amplificament. La preparació de les mostres és relativament fàcil, ya que la majoria dels MEB solament requerixen que estes siguen conductores. La mostra generalment es recobrix en una capa de carbono o una capa prima d'un metal, com l'or, per a donar-li caràcter conductor.[4] Posteriorment, s'agrana la superfície en electrons accelerats que viagen a través del canó. Un detector format per lents basades en electroimanes medix la cantitat i intensitat dels electrons que torna la mostra, sent capaç de mostrar figures en tres dimensions per mig d'image digital.

Antecedents

Els primers instruments desenrollats per a este propòsit varen ser els microscopis òptics. Estos instruments varen consistir, a lo llarc dels anys, des d'una simple lupa fins a un microscopi compost. No obstant, encara en el millor instrument òptic, la resolució està llimitada a la llongitut d'ona de la llum que s'utilise, que en este cas és la llum violeta, la llongitut de la qual d'ona és d'aproximadament 400 nanómetros, separació màxima entre detalls que pot observar-se d'esta manera. En térmens d'amplificament, açò vol dir que no podem amplificar més de 1000 voltes. Una eixida immediata a este llímit de resolució va consistir en utilisar alguna radiació de llongitut d'ona més curta que la de la llum violeta. Els candidats immediats són els rajos X, que es caracterisen per una llongitut d'ona de l'orde de 0,15 nanómetros; desafortunadament estos tenen la gran desventaja de ser absorbits ràpidament per les lents de vidre, i de no poder ser desviats per les lents magnètiques (ademés de les precaucions que deuria tindre l'operador). Una atra possibilitat que es va contemplar va ser la d'aprofitar el comportament Ona de matèria ondulatorio dels electrons accelerats per alguna diferència de potencial. Siga el cas, per eixemple, d'electrons accelerats en un camp de 100 000 volts que presenten comportament ondulatorio en una llongitut d'ona de 0,0037 nm (3,7 picómetros), lo que en principi permetria tindre un aparat que resolguera detalls del mateix orde. Açò, en principi, seria suficient per a resoldre detalls atòmics, ya que els àtoms en un sòlit estan separats en un orde de 0,2 nm. No obstant, en la pràctica, els detalls inherents a la tècnica d'observació o els defectes en el maquinat de les peces polars produïxen aberració en sistemes òptics aberracions.

Història

Treballs preliminars

L'història de la microscopía electrònica d'agranada es remonta, en part, al treball teòric del físic alemà Hans Busch sobre la trayectòria de partícules carregades en camps electromagnètics. En 1926, va demostrar que dits camps podien utilisar-se com a lents electromagnètiques,[5] establint aixina els principis fundadors de l'òptica electrònica geomètrica. Despuix d'este descobriment, va sorgir l'idea del microscopi electrònic, i dos equips —el de Max Knoll i Ernst Ruska de l'Universitat Tècnica de Berlín i el d'Ernst Brüche dels laboratoris AEG— varen decidir posar a prova eixa possibilitat. Esta carrera va culminar en la construcció, en 1932, per Knoll i Ruska, del primer microscopi electrònic de transmissió.[6]

Primer microscopi electrònic d'agranada

Despuix d'incorporar-se a Telefunken per a investigar els tubos de rajos catódicos de televisió, Max Knoll va desenrollar un «analisador de fes d'electrons» per a estudiar el blanc dels tubos electrònics d'agranada. Este analisador combinava totes les característiques d'un microscopi electrònic d'agranada: la mostra s'ubicava en un extrem d'un tubo de vidre sagellat i un canó d'electrons en l'atre. Els electrons, accelerats per un voltage d'aproximadament 500 a 4000 volts, s'enfocaven sobre la superfície i un sistema de bobines els desviava. El fes escanejava la superfície de la mostra a una velocitat de 50 imàgens per segon. la corrent transmesa per la mostra recuperada, amplificada i modulada, permetia la reconstrucció d'una image. El primer dispositiu que utilisava este principi es va construir en 1935.[7]

Posteriorment, en 1938, el científic alemà Manfred von Ardenne va construir el primer microscopi electrònic d'agranada[8][9] en el seu laboratori d'investigació privada Forschungslaboratorium für Elektronenphysik (en espanyol, "Laboratori d'Investigacions per a Física dels Electrons")[10] que havia fundat en 1928 en Berlin-Lichterfelde. No obstant, este instrument encara no s'assemblava als microscopis electrònics d'agranada moderns, ya que havia segut dissenyat per a estudiar mostres molt primes per mig de transmissió. Per lo tant, s'assemblava més a un microscopi electrònic de transmissió d'agranada (METB o STEM per scanning transmission electron microscope)). Ademés, encara que estava equipat en una pantalla de tubo de rajos catódicos, les imàgens es registraven en películes fotogràfiques dispostes en un tambor giratori. Von Ardenne va incorporar bobines d'agranada a un microscopi electrònic de transmissió. El fes d'electrons, en un diàmetro de 0,01 µm, agranava la superfície de la mostra, i els electrons transmesos s'arreplegaven en la película fotogràfica, que es movia a la mateixa velocitat que el fes. La primera micrografía obtinguda en un microscopi electrònic d'agranada va ser una image d'un cristal de ZnO magnificada 8000 voltes en una resolució lateral de 50−100 nanómetros. L'image constava de 400 x 400 llínees i la seua adquisició va requerir 20 minuts. El microscopi disponia de dos lents electrostàtiques que rodejaven les bobines d'agranada. En 1942, el físic i ingenier rus Vladimir Zworykin, que treballava en els laboratoris de la Ràdio Corporation of America en Princeton, EE. UU., va publicar els detalls del primer microscopi electrònic d'agranada capaç d'analisar una superfície opaca, i no solament una mostra prima en transmissió. Un canó d'electrons de filament de tungsteno emetia electrons accelerats per un voltage de 10 000 volts. L'òptica electrònica de l'instrument constava de tres bobines electrostàtiques, en les bobines d'agranada situades entre la primera i la segona lent. Este sistema produïa una image molt chicoteta de la font, de l'orde de 0,01 µm. En els inicis de la microscopía electrònica d'agranada era prou comuna colocar el canó d'electrons en la part inferior del microscopi per a que la cambra d'anàlisis estiguera a l'altura correcta per a l'operador. No obstant, açò tenia una conseqüència negativa, ya que la mostra corria el risc de caure en la columna del microscopi. Este primer MEB va alcançar una resolució d'uns 50 nm. Pero en aaquel moment, el microscopi electrònic de transmissió s'estava desenrollant en prou rapidea i, en comparació al seu rendiment, el MEB generava molt manco interés, per lo que el seu desenroll es va ralentisar.[11]

Desenroll del microscopi electrònic d'agranada

Microscopi electrònic d'agranada

A finals de la década de 1940, Charles Oatley, llavors professor del departament d'ingenieria de l'Universitat de Cambridge (Regne Unit), es va interessar pel camp de l'òptica electrònica i va decidir iniciar un programa d'investigació sobre el microscopi electrònic d'agranada, complementant el treball realisat en el microscopi electrònic de transmissió per Ellis Cosslett, també del departament de física de Cambridge. Un dels alumnes de Charles Oatley, Ken Sander, va començar a treballar en una columna per al microscopi electrònic d'agranada utilisant lents electrostàtiques, pero va tindre que interrompre el proyecte un any despuix per una maltia. Dennis McMullan va continuar este treball en 1948. Charles Oatley i ell varen construir el seu primer microscopi electrònic d'agranada (cridat SEM1, per Scanning Electron Microscope 1), i en 1952, este instrument havia alcançat una resolució de 50 nm. Pero lo més important va ser que finalment va produir l'impressionant efecte tridimensional característic dels MEB moderns.[12]

En 1960, l'invenció d'un nou detector per Thomas Eugene Everhart i R. F. M. Thornley va accelerar el desenroll del microscopi electrònic d'agranada: el detector Everhart-Thornley. Extremadament eficaç per a recolectar els electrons secundaris aixina com els retrodispersados, este detector es va popularisar i es troba en casi tots els MEB.

Funcionament

Diagrama d'un MEB equipat en un detector de rajos X "EDS" (de dispersió d'energia).

En el microscopi electrònic d'agranada és necessari accelerar els electrons en un camp elèctric, per a aprofitar d'esta manera el seu comportament ondulatorio, lo que es porta a terme en la columna del microscopi, a on s'acceleren per mig d'una diferència de potencial que pot anar des de 50 fins a 30 000 volts. Els electrons accelerats per un voltage chicotet s'utilisen per a mostres molt sensibles, com podrien ser les mostres biològiques sense preparació adicional o mostres molt aïllants. Els voltages elevats s'utilisen per a mostres metàliques, ya que estes en general no sofrixen danys com les biològiques i d'esta manera s'aprofita la menor llongitut d'ona per a tindre una millor resolució. Els electrons accelerats ixen del canó i s'enfoquen per mig de les lents condensadora i objectiva, la funció de la qual és reduir l'image del filament, de manera que incidixca en la mostra un fes d'electrons lo més chicotet possible (per a aixina tindre una millor resolució). En les bobines deflectoras s'agrana este fi fes d'electrons sobre la mostra, punt per punt i llínea per llínea. Quan el fes incidix sobre la mostra, es produïxen moltes interaccions entre els electrons del mateix fes i els àtoms de la mostra; pot haver, per eixemple, electrons que reboten com les boles de billar. Per una atra part, l'energia que perden els electrons al "chocar" contra la mostra pot fer que atres electrons ixquen despedits (electrons secundaris), i produir rajos X, electrons Auger, etc. El més comú d'estos és el que detecta electrons secundaris, i és en el que es fan la majoria de les imàgens de microscopis d'agranada.[1]

També podem adquirir la senyal de rajos X que es produïx quan es desprenen estos mateixos de la mostra, i posteriorment fer un anàlisis espectrográfico de la composició de la mostra.

Utilisació

Superfície d'un cap de formiga vista en un microscopi electrònic d'agranada.

S'utilisen àmpliament en la biologia celar. Encara que permet una menor capacitat d'aument que el microscopi electrònic de transmissió, est permet apreciar en major facilitat texturas i objectes en tres dimensions que s'hagen polvorisat en un metal abans de la seua observació. Per esta raó solament poden observar-se organismes morts, i no es pot anar més allà de la textura externa que es vullga vore. Els microscopis electrònics solament poden oferir imàgens en blanc i negre lloc que no utilisen la llum visible. Este instrument permet l'observació i caracterisació superficial de materials inorgànics i orgànics, entregant informació morfològica del material analisat. A partir d'ell es produïxen distints tipos de senyal que es generen des de la mostra i s'utilisen per a examinar moltes de les seues característiques. En ell es poden observar els aspectes morfològics de zones microscòpiques de diversos materials, ademés del processament i anàlisis de les imàgens obtingudes.

feSEM

Microfotografía feSEM de nanocristals de celosa.
a) Magnification 50.000.
Barra d'escala= 100 nm.

En el (field emission scanning electron microscopy feSEM) la font d'emissió de camp genera electrons, que són accelerats cap a un gradient de camp elèctric elevat.
Els electrons primaris s'enfoquen en una columna d'alt buit, a on una lent electrònica provoca la desviació dels electrons que incidixen sobre cada objecte. D'esta forma, cada objecte emet electrons secundaris. Les característiques superficials de cada objecte influïxen en la velocitat i l'àngul dels electrons secundaris. Estos electrons són captats per un detector, que genera una senyal electrònica.[13][14]

3D en SEM

Microfotografía i esquema de SBF-SEM.
Microfotografía de série de corts per a SBF-SEM.

Els microscopis electrònics d'agranada (SEM), no proporcionen automàticament les imàgens en 3D contràries a microscopi de sonda d'agranada (Scanning Probe Microscopy). No obstant les senyes 3D es poden obtindre utilisant un SEM en diferents métodos, tals com:

  • Fotogrametria (2 o 3 imàgens de mostra inclinat)
  • Estereofotométrica, també cridada "la forma en sombreado" (en 4 imàgens)
  • Reconstrucció inversa utilisant models interactius d'electrons de material

Les aplicacions possibles són la medició de rugosidad, mida de la dimensió fractal, medició de la corrosió i l'evaluació altura dels escalons. La tecnologia, introduïda a principis de la década del 2000, permet moure el fes d'electrons uns pocs graus a l'esquerra de l'eix perpendicular del mateix i generar una image per a immediatament despuix generar un segon agranat ara inclinat a la dreta. Capturant abdós imàgens produïdes i sobreponent-les, coloreando una blava i una atra roja, produïxen una verdadera image en tercera dimensió (3D) significa, entre atres coses, que és possible medir en els 3 eixos X, I i Z). Archiu:Serial-Block-Face-Scanning-Electron-Microscopy-to-Reconstruct-Three-Dimensional-Tissue-Nanostructure-pbio.0020329.v002.ogv

  • SBF-SEM Serial block-face Scanning Electron Microscopy. En la microscopía electrònica d'agranada de cara de bloc en série, és possible recopilar imàgens seriades. La recopilació que està automatisada per mig de programes computacionals, escaneja mil o més imàgens, que comprenen una profunditat de 50 a 100 micrómetros (μm), permet reconstrucció de la ultraestructura tridimensional (3D) de calitat.[15]

Vore també

Referències i notes de peu

Notes aclaratorias
Notes al

peu

  1. ↑ 1,0 1,1 Ibáñez (2004). Els sistemes terrestres i les seues implicacions migambientals (en és), Ministeri d'Educació. ISBN 9788436939248.
  2. ↑ (en anglés) geology. wisc. edu/~johnf/g777/ppt/10_Historical_Development. ppt Electron microprobe analysis: Merging of discoveries in physics, chemistry and microscopy, p. 19, departament de geologia, universitat de Wisconsin-Madison.
  3. ↑ (en anglés) labtechnologist. com/news/ng. asp? n=58641-hitachi-breaks-sem Hitachi breaks SEM resolution barrier, www. labtechnologist. com, 10 de març de 2005.
  4. ↑ Welsch, Ulrich; Sobotta, {{{nom2}}} (2008). Histologia (en és), Ed. Mèdica Panamericana. ISBN 9788498351781.
  5. ↑ .
  6. ↑ (1932).«Dones Elektronenmikroskop».Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei.78
    318-339.doi:10.1007/BF01342199.
  7. ↑ (alemà) M. Knoll, Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper, Zeitschrift fur technische Physik 16, 467-475 (1935).
  8. ↑ (1938).«Dones Elektronen-Rastermikroskop. Theoretische Grundlagen».Zeitschrift für Physik.109(9 – 10)
    553 – 572.doi:10.1007/BF01341584.
  9. ↑ (1938).«Dones Elektronen-Rastermikroskop. Praktische Ausführung».Zeitschrift für technische Physik.19
    407-416.
  10. ↑ archive. org/web/20080124123426/http://www. sachsen. de/sadra/887. htmsachen. de - Zur Ehrung von Manfred von Ardenne.
  11. ↑ (anglés) Ernst Ruska, The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy (traduction de Mulvey T), Hirzel, Stuttgart, 1980, ISBN 3-7776-0364-3.
  12. ↑ (anglés) eng. cam. ac. uk/~bcb/cwo1. htmK. C. A. Smith, Charles Oatley: Pioneer of scanning electron microscopy, EMAG '97 Proceedings, IOP Publishing Lt, 1997.
  13. ↑ (2021).«Nanomedicine Manufacturing and Applications».Consultat el 17 d'agost de 2026.
  14. ↑ researchgate. net/publication/320569970_Isolation_of_cellose_nanocrystals_from_Gigantochloa_scortechinii_ASAM_pulp Isolation of cellose nanocrystals from Gigantochloa scortechinii ASAM pulp. Maig 2018 European Journal of Wood and Wood Products. vol. 76, num. 2 ; DOI:10.1007/s00107-017-1244-1
  15. ↑ Denk W.(2004).«Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy to Reconstruct Three-Dimensional Tissue Nanostructure.».PLoS ONE.2(11)doi:10.1371/journal. pbio.0020329.Consultat el 24 de març de 2023..

Enllaços externs

Commons

Commons

Microscopi electrònic d'agranada en el Viccionari.

Referències


Obtingut de «https://lenciclopedia.org/w/index.php?title=Microscopi_electrònic_d%27agranada&oldid=1446060»