Microscopio electrónico de transmisión
Microscopio electrónico de transmisión (transmisión) (TEM, inglés, TEM - Microscopía electrónica de transmisión): un dispositivo para obtener una imagen utilizando un haz de electrones que pasa a través de una muestra .
Se diferencia de otros tipos de microscopios electrónicos en que el haz de electrones brilla a través de la muestra, la absorción no homogénea de electrones por diferentes partes de la muestra da una imagen bidimensional de la distribución de la densidad del flujo de electrones transmitidos. Luego, el flujo que pasa a través de la muestra se enfoca en la superficie de registro mediante lentes de electrones magnéticos ( óptica electrónica ) en un tamaño ampliado. Como superficie de grabación , se utilizan pantallas fluorescentes recubiertas con una capa de fósforo , película fotográfica o placa fotográfica, o dispositivos de carga acoplada (en una matriz CCD ). Por ejemplo, se forma una imagen visible luminosa sobre la capa de fósforo.
Dado que el flujo de electrones es fuertemente absorbido por la sustancia, las muestras en estudio deben tener un espesor muy pequeño, las denominadas muestras ultrafinas. Se considera que una muestra ultrafina tiene menos de 0,1 µm de espesor .
Historia
El primer TEM fue creado por los ingenieros electrónicos alemanes Max Knoll y Ernst Ruska el 9 de marzo de 1931 .
El primer TEM utilizable fue construido por Albert Prebus y J. Hillier en la Universidad de Toronto ( Canadá ) en 1938 basándose en los principios propuestos anteriormente por Knoll y Ruska.
En 1986, Ernst Ruske recibió el Premio Nobel por la creación de TEM .
Fundamentos teóricos
Teóricamente, la resolución máxima posible en un microscopio óptico está limitada por:
- la longitud de onda utilizada para iluminar la muestra;
- apertura angular del sistema óptico - el llamado límite de Abbe , que se expresa:
De la fórmula se sigue que en un microscopio óptico, en principio, no se puede obtener una resolución menor que un poco menor que la longitud de onda de la luz que ilumina, ya que el índice de refracción no puede ser muy grande, en la práctica, en lentes microscópicas de inmersión , sobre 1,5 y el seno del ángulo siempre es menor que 1.
A principios del siglo XX, los científicos discutieron la cuestión de superar las limitaciones de una longitud de onda de luz visible relativamente grande ( longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros ) mediante el uso de un haz de electrones, ya que la longitud de onda de De Broglie de un electrón, incluso en no energías demasiado altas, es muchos órdenes de magnitud menor que la longitud de onda visible.
El flujo de electrones en un microscopio electrónico se crea mediante emisión termoiónica o de campo . En el primer caso, los electrones son emitidos por un alambre de tungsteno caliente (ver filamento incandescente ) o un monocristal caliente de hexaboruro de lantano .
Los electrones emitidos son acelerados por una gran diferencia de potencial e "iluminan" la muestra. El flujo que pasa a través de la muestra es modulado espacialmente por la densidad de corriente de electrones, dependiendo de la "transparencia" de las áreas de la muestra para los electrones, y luego se enfoca en la superficie de registro mediante lentes electromagnéticos (o en microscopios de baja resolución, electrostáticos). en un tamaño ampliado multiplicado.
Dispositivo
El PEM incluye los siguientes componentes:
- sistema de vacío para eliminar el aire y aumentar el camino libre medio de los electrones;
- mesa de objetos : portamuestras, mecanismos para cambiar la posición del portamuestras durante la operación y bloqueos de vacío ;
- fuente de electrones : un reflector electrónico (cañón de electrones) para crear un flujo de iluminación (haz) de electrones;
- una fuente de alto voltaje para acelerar electrones;
- aperturas - diafragmas que limitan la divergencia del haz de electrones;
- un sistema de lentes electromagnéticas (ya veces lentes electrostáticas) para controlar y enfocar el haz de electrones;
- una pantalla fluorescente en la que se proyecta una imagen electrónica ampliada (que los detectores de imágenes digitales van eliminando gradualmente).
Los TEM comerciales pueden contener dispositivos adicionales, como un archivo adjunto de escaneo que le permite trabajar en modo TEM de trama ).
Sistema de vacío
El sistema de vacío sirve para bombear aire a una presión residual baja (generalmente hasta 10 -4 Pa [1] ) desde la región en la que se propaga el haz de electrones y reduce la frecuencia de colisiones de electrones con átomos del gas residual a un nivel insignificante. nivel: un aumento en el camino libre medio .
El sistema de vacío para el bombeo hasta la presión de funcionamiento consta de varias etapas:
- bomba rotativa o de diafragma - bombas delanteras de 1ª etapa;
- bomba turbomolecular o de difusión - bombas de alto vacío de la 2ª etapa;
- bombas de heteroiones para bombear la cavidad del cañón de electrones de emisión de campo (si se utiliza).
La bomba de 1ra etapa alcanza la presión requerida para operar la bomba de 2da etapa (bajo vacío). La bomba de segunda etapa reduce la presión al valor de trabajo requerido.
Las partes del PEM se pueden dividir:
- una apertura especial de separación de gases ( ing. apertura limitadora de presión ), que permite el paso del haz de electrones , pero dificulta el intercambio de gases residuales entre las partes del sistema de vacío;
- válvulas de compuerta para separar las partes de vacío del microscopio y se pueden usar para crear diferentes niveles de vacío en diferentes partes del sistema de vacío (por ejemplo, un FEM con emisión de campo se puede equipar con un sistema separado para bombear aire desde el cañón de electrones para crear un vacío ultraalto de 10 -4 ... 10 -7 Pa e inferior; el sistema de bombeo puede incluir una bomba heteroiónica ).
Tabla de materias
La mesa de objetos está diseñada para contener la muestra durante la irradiación de electrones y consta de los siguientes elementos:
- portamuestras;
- mecanismos para cambiar la posición del soporte (rotación, inclinación);
- bloqueos que le permiten ingresar el soporte con la muestra en el entorno de vacío TEM sin volver a bombear todo el sistema de vacío.
Las muestras se colocan en una rejilla especial o se cortan en forma de portamuestras (muestras autoportantes).
El soporte es adecuado para fijar tanto rejillas como muestras autoportantes de tamaño estándar. El diámetro de malla TEM común es de 3,05 mm .
Foco electronico
Un reflector electrónico (cañón de electrones) está diseñado para producir un haz de electrones usando emisión termoiónica (cañones termoelectrónicos) o de campo (cañones de emisión de campo).
Cátodo termoiónicoEl foco termoiónico consta de tres elementos:
Cuando se calienta, un filamento de tungsteno o un cristal puntiagudo de hexaboruro de lantano emite (emite) electrones (ver emisión termoiónica ). Acelerando bajo la acción de una diferencia de potencial (voltaje de polarización), una parte significativa de los electrones pasa a través del diafragma en el cilindro de Wehnelt. Al cambiar el voltaje de polarización en el cilindro Wehnelt, puede controlar la corriente del reflector electrónico. Para reducir la corriente, se aplica a la paleta un voltaje negativo relativo al cátodo. Cuanto mayor sea el módulo de esta tensión de polarización negativa, menor será el área del cátodo que emite electrones y menor la corriente de emisión.
Las trayectorias de los electrones que pasan a través de la apertura (agujero) del wenelt se cruzan en un punto llamado cruce o punto focal del wenelt, que es prácticamente una fuente puntual de electrones en el sistema óptico-electrónico del microscopio.
Cañón de electrones de emisión de campoA una intensidad de campo eléctrico muy alta, la emisión de electrones de campo de electrones de un cátodo frío se produce en la superficie del cátodo, ya que en campos tan fuertes disminuye la función de trabajo efectivo de los electrones del metal al vacío, este fenómeno se denomina efecto Schottky .
Para crear un campo eléctrico alto en la superficie del cátodo, se fabrica en forma de una punta muy delgada, generalmente de alambre de tungsteno con un radio de curvatura de la punta puntiaguda de menos de 100 nm .
Aperturas
Las aberturas son diafragmas de metal con agujeros para el paso de electrones. el diámetro y el grosor de las placas se seleccionan de modo que solo los electrones que se desvían del eje óptico en no más de un ángulo seleccionado pasen a través de los agujeros.
Preparación de muestras
Las muestras para TEM deben tener un grosor de 20 a 200 nm. Las más convenientes son muestras con un espesor comparable al camino libre medio de los electrones en la muestra en estudio, que depende de la energía de los electrones y puede ser de unas pocas decenas de nanómetros.
Las muestras que son lo suficientemente pequeñas para ser transparentes a los electrones, como nanotubos o polvos finamente dispersos , se pueden preparar rápidamente para estudios TEM depositándolas en una rejilla o película de soporte.
Muestras de materiales
La tarea principal en la preparación de muestras es obtener muestras suficientemente delgadas con un daño mínimo a la estructura durante la preparación.
MecanizadoSe puede usar pulido abrasivo para preparar las muestras. El pulido debe ser minucioso para obtener un espesor de muestra constante.
Grabado químico Grabado iónicoNormalmente se utiliza como tratamiento final después de un pretratamiento mecánico o químico. Se produce pulverizando la superficie de la muestra bombardeándola con iones acelerados, generalmente iones de argón .
Método de réplicaConsiste en obtener una impresión de la superficie en estudio mediante la aplicación de una película de otro material, seguida de la eliminación del material de muestra. El modelo resultante se sometió a transiluminación TEM. Ampliamente utilizado en los primeros estudios de TEM, ya que es relativamente simple en comparación con otros métodos de preparación de muestras.
Muestras biológicas
Las muestras biológicas deben secarse o congelarse antes de colocarlas en un TEM, ya que el agua líquida hierve en el vacío, rompiéndola y cortándola en rodajas finas.
El método tradicionalLa preparación tradicional de muestras biológicas para TEM implica procedimientos para preservar la histología de los tejidos mientras se preparan para su observación en condiciones de alto vacío. Las muestras iniciales deben ser lo suficientemente pequeñas para permitir una rápida penetración de los productos químicos en todo el espesor de la muestra de tejido (al menos en una de las medidas, su tamaño no debe exceder los 0,7 mm). Las muestras se fijan químicamente (generalmente con aldehídos), se fijan secundariamente en tetróxido de osmio y luego se secan mediante tratamiento con solventes orgánicos ( alcohol o acetona) . Las muestras deshidratadas se impregnan con resinas epoxi endurecidas, que luego se curan. Los bloques sólidos resultantes con muestras biológicas incluidas en ellos se cortan en ultramicrótomos utilizando cuchillas de diamante (rara vez de vidrio) en placas (secciones) de 20 a 100 nanómetros de espesor. Las secciones se colocan sobre rejillas especiales (de unos 3 mm de diámetro) y se contrastan para el flujo de electrones con compuestos de metales pesados (uranio, plomo, tungsteno, etc.).
CriomicroscopíaTécnicas de imagen y formación de contraste
Campo de luzEl modo básico en TEM es el modo de campo claro. En este modo, el contraste se forma por la dispersión y absorción de electrones por parte de la muestra. Las regiones de la muestra con mayor grosor y mayor número atómico aparecen más oscuras, mientras que las regiones sin muestra en el haz de electrones aparecen brillantes (por lo tanto, el modo se denomina campo claro).
Contraste de difracción y campo oscuroAlgunos de los electrones que pasan a través de una muestra cristalina se dispersan en ciertas direcciones debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones según la ley de Bragg , formando el llamado contraste de difracción. El contraste de difracción es especialmente útil para estudiar los defectos de la red cristalina.
anguilasDifracción
Visualización 3D
Un modelo 3D se reconstruye a partir de una serie de imágenes tomadas de la misma parte de la muestra en diferentes ángulos.
Véase también
- Microscópio electrónico escaneando
- Haz de iones enfocado
- Difracción de electrones reflejados
- lineas de kikuchi
- Microscopio electrónico
- Transformada de Fourier
- Tomografía electrónica
- EFTEM
- anguilas
- Microscopio de barrido de iones de helio
Notas
- ↑ El sistema de vacío de un TEM . Fecha de acceso: 24 de enero de 2013. Archivado desde el original el 2 de febrero de 2013.
Literatura
- Umansky Ya. S., Skakov Yu. A., Ivanov A. N., Rastorguev L. N. . Cristalografía, radiografía y microscopía electrónica. - M.: Metalurgia, 1982, 632 p.
- Sindo D. Oikawa. T. Microscopía electrónica de transmisión analítica. — M.: Technosfera, 2006, 256 p. ISBN 5-94836-064-4.
Enlaces
- El Centro Nacional de Microscopía Electrónica, Berkeley, California, EE. UU.
- El Centro Nacional de Imágenes Macromoleculares, Houston, Texas, EE. UU.
- The National Resource for Automated Molecular Microscopy, La Jolla California EE . UU. Archivado el 9 de marzo de 2011 en Wayback Machine .
- Fabricante de TEM's (FEI Company)
- Grupo Delong
- Cursos tutoriales en Microscopía Electrónica de Transmisión
- Paquete de enseñanza y aprendizaje de la Universidad de Cambridge sobre TEM
- Laboratorio de Microscopía Electrónica del Centro Central de Uso Colectivo de la Universidad Estatal de Moscú. Lomonosov
- Centro para el Uso Colectivo de Microscopía Electrónica del Instituto de Aguas de Alto Voltaje de la Academia Rusa de Ciencias
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