Mikroskop elektronowy - budowa, zastosowanie i znaczenie

Pierwszy mikroskop elektronowy zbudowali (według Idei mikroskopu optycznego) w 1931 Niemcy M. Knoll i E. Ruska. Pierwszy mikroskop elektronowy użytkowy wyprodukowała 1938 firma Siemens.

Mikroskop elektronowy jest przyrządem elektronooptycznym, w którym powiększony obraz przedmiotu otrzymuje się za pomocą wiązki elektronowej, odchylonej i skupionej przez soczewki elektronowe. Pozwala uzyskać znacznie lepszą zdolność rozdzielczą niż mikroskop optyczny (do 0,2 nm), dzięki znacznie krótszej od fal świetlnych (o kilka rzędów wielkości) długości fal de Broglie'a odpowiadających elektronom (zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest ograniczona przez efekty dyfrakcyjne).

Najbardziej rozpowszechniony jest mikroskop elektronowy prześwietleniowy, w którym bardzo cienką warstewkę (10 nm) badanego preparatu przenika skupiona wiązka elektronowa. Główną częścią mikroskopu elektronowego jest komora próżniowa. W powietrzu elektrony jonizowałyby atomy i cząsteczki gazu i rozpraszały się. Wyrzutnia elektronowa emituje wiązkę elektronów, które są przyspieszane polem o napięciu od kilku kV do kilku MV(najczęściej 30 – 150 kV) i osiągają znaczną prędkość. Wiązka elektronowa skupiona przez soczewki elektronowe, średnicy kilku do 10 μm. Wytwarzają one pole elektryczne i magnetyczne. Następnie wiązka przenika przez badany preparat i zostaje powiększona przez układ soczewek elektronowych i pada na ekran fluorescencyjny lub błonę fotograficzną, tworząc bardzo silnie powiększony obraz prześwietlanego preparatu. Mikroskop elektronowy transmisyjny daje powiększenie do miliona razy. Dużą trudnością jest jednak wytworzenie bardzo cienkich próbek bez zniszczenia ich pierwotnej struktury.

Budowa mikroskopu elektronowego transmisyjnego
K1, K2 – soczewki kondensacyjne
Ob – soczewka obiektywowa
P – soczewka pośrednia
Pr – soczewka projekcyjna

Źródłem elektronów jest tzw. działo elektronowe. Światło widzialne, stosowane w mikroskopach optycznych, jest zastąpione w mikroskopii elektronowej wiązką elektronów, przyśpieszonych pod wpływem silnego pola elektrycznego. Niewielki drut wolframowy, wygięty w kształcie litery „V”, rozgrzany prądem do temperatury powyżej 1000°C, emituje chmurę elektronów na skutek efektu termoemisji. Pomiędzy katodą, którą jest drut wolframowy, a anodą umieszczoną w dolnej części działa, wytworzona jest różnica potencjałów np. 1000 000 V. Elektrony, które przeszły z katody do próżni, zostają przyśpieszone i skierowane w stronę otworu w anodzie.

W 1938 roku Manfred von Ardenne zaproponował inne urządzenie do badania struktury mikroświata. Był to tak zwany mikroskop elektronowy skaningowy.

Stosując go nie trzeba przygotowywać bardzo cienkich preparatów bowiem zasada jego działania jest nieco inna, niż zwykłego mikroskopu elektronowego. Również w tym urządzeniu wiązka elektronów jest kierowana na badaną próbkę. Jednak jest ona ruchoma. Specjalne cewki odchylające sprawiają, że w sposób regularny omiata dany obszar preparatu. W momencie, gdy wiązka elektronów pada na powierzchnię część z nich jest rozpraszana, część wnika do wnętrza próbki powodując emisję wtórnych elektronów, promieni rentgenowskich oraz światła widzialnego. W pobliżu oświetlanej elektronami próbki ustawione są specjalne detektory, które wykrywają elektrony rozproszone, wtórne lub któryś z rodzajów promieniowania przetwarzając rejestrowane sygnały na sygnały cyfrowe. Sygnały cyfrowe są następnie przetwarzane na obraz wyświetlany na monitorze.

Mikroskopy elektronowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu działach nauki. W biologii umożliwiają one zbadanie i poznanie wielu organizmów, wniknięcie do komórki i poznanie licznych jej funkcji. Umożliwiły dokładne badanie najmniejszych organizmów jakimi są bakterie i wirusy. Z takich mikroskopów korzysta też technika. Umożliwiają one badanie struktury krystalicznej i jej defektów. Dzięki mikroskopom elektronowym poznajemy budowę różnych materiałów, co pozwala nam wpływać na ich własności. Duża głębia ostrości mikroskopu skaningowego czyni go szczególnie przydatnym do badań faktograficznych, czyli do badań topografii przełomów. Polegają one na obserwacji powierzchni przedmiotów utworzonych w wyniku działania naprężeń prowadzących do rozdzielenia materiału. Pozwala to poznać mechanizmy procesu pękania, ciągliwości, proces transkrystaliczny i zmęczeniowy. Ponieważ pęknięcie rozwija się najczęściej w najbardziej osłabionych obszarach próbki, na przełomie mogą być ujawnione różne szczegóły strukturalne, np. wady materiałowe w postaci porów, pustek i mikropęknięć. Współczesna elektronika opiera się w znacznej części właśnie na badaniach, przy których wykorzystuje się mikroskopy elektronowe. Używa się ich powszechnie w przemyśle elektronicznym i w innych gałęziach przemysłu nowoczesnego. Znajdują swoje zastosowanie w archeologii i badaniach historycznych. Korzysta się z nich w laboratoriach fizycznych i chemicznych. Używane są w kryminalistyce i przemyśle, w którym wymagana jest wysoka precyzja i dokładne sprawdzanie wytworzonych materiałów. Mikroskopy elektronowe zapewniają rozwój wielu dziedzin nauki, techniki i przemysłu.

Dzięki mikroskopom elektronowym stało się możliwe manipulowanie pojedynczymi atomami. Powstała nowa dziedzina nauki – nanoinżynieria. Za jej pośrednictwem w przyszłości będą mogły powstawać nowe technologie oparte na zupełnie nowych materiałach, nanotechnika będzie mogła tworzyć nanoroboty, które będą mogły ratować ludzkie życie i wykonywać prace niemożliwe dla człowieka w świecie mikro. Poznanie budowy bakterii i wirusów miało bardzo znaczący wpływ na rozwój medycyny i farmacji. Pozwoliło na poznanie słabości wirusów i bakterii oraz wynalezienie leków na choroby wywoływane tymi mikrobami.