Un microscop electronic (EM) este un tip de microscop care folosește un fascicul de electroni pentru a ilumina o probă și a crea o imagine foarte mărită. A fost inventat în 1931 de inginerii germani. Microscoapele electronice au o putere de rezolvare mai mare decât microscopurile optice care utilizează radiații electromagnetice vizibile . Acestea pot realiza măriri mult mai mari, de până la 2 milioane de ori, în timp ce cele mai bune microscoape optice sunt limitate la mărirea de 2000 de ori. Aceste două tipuri de microscoape au o rezoluție limitată, dictată de lungimea de undă a radiației pe care o folosesc. Rezoluția și mărirea mai mari a microscopului electronic se datorează faptului că lungimea de undă De Broglie a unui electron este mult mai mică decât lungimea de undă a unui foton de lumină vizibilă.
Microscopul electronic folosește lentile electrostatice și electromagnetice pentru a forma imaginea controlând fasciculul de electroni și pentru a-l converge pe un anumit plan față de eșantion. Principiul este similar cu cel al microscopului optic care folosește lentile de sticlă pentru a focaliza lumina pe sau prin eșantion pentru a forma o imagine.
În urma elaborărilor teoretice ale lui Louis de Broglie în 1923, a fost posibil să se demonstreze în 1926 că câmpurile magnetice sau electrostatice ar putea fi utilizate ca lentile pentru fasciculele de electroni.
Primul prototip de microscop electronic a fost construit în 1931 de inginerii germani Ernst Ruska și Max Knoll . Acest prim instrument a mărit obiectele cel mai bine de patru sute de ori. Doi ani mai târziu, Russjai a construit un microscop electronic care depășea rezoluția posibilă a unui microscop optic. Reinhold Rudenberg , directorul științific al Siemens , a brevetat microscopul electronic în 1931 , stimulat de o boală din familie, pentru a face vizibil virusul poliomielitei. În 1937, Siemens a început să finanțeze Ruska și Bodo von Borries pentru a dezvolta un microscop electronic. Siemens l-a angajat și pe fratele lui Helmut Ruska pentru a lucra la aplicații, în special cu specimene biologice.
În același deceniu, Manfred von Ardenne și-a început cercetarea asupra microscopului electronic cu scanare și a microscopului său electronic universal. Siemens a produs primul microscop electronic disponibil comercial în 1938. Primul microscop electronic american a fost construit la Universitatea din Toronto în 1938 de Eli Franklin Burton (în) și studenții Cecil Hall , James Hillier și Albert Prebus . Primul microscop electronic cu transmisie a fost construit de Siemens în 1939. Realizarea unui microscop electronic de înaltă rezoluție nu a fost posibilă decât după inventarea stigmatorului de către Hillier, în 1946 în laboratoarele RCA. Deși microscoapele electronice moderne pot mări obiecte de până la două milioane de ori, ele se bazează în continuare pe prototipul Ruska. Microscopul electronic este o parte esențială a echipamentelor multor laboratoare. Cercetătorii le folosesc pentru a examina materialele biologice (cum ar fi microorganismele și celulele ), o mare varietate de molecule , probe medicale de biopsie , metale și structuri cristaline și caracteristicile diferitelor suprafețe. Microscopul electronic este, de asemenea, utilizat pe scară largă pentru inspecție, asigurarea calității și analiza defecțiunilor aplicațiilor din industrie, inclusiv, dar fără a se limita la, fabricarea dispozitivelor semiconductoare .
Forma originală de microscop electronic, microscopul electronic cu transmisie (TEM) folosește tungstenul ca sursă de electroni catod . Fasciculul de electroni este accelerat de un anod , în general la 100 keV (40 până la 400 keV) în raport cu catodul , concentrat de lentile electrostatice și electromagnetice și transmis către ținta care este parțial transparentă către electroni și în parte le împrăștie. Pe măsură ce iese din probă, fasciculul de electroni poartă informații despre structura probei, care este amplificată de sistemul de lentile al obiectivului microscopului. Variația spațială a acestor informații („imaginea”) este văzută prin proiectarea imaginii electronice mărite pe un scintilator , cum ar fi sulfura de zinc sau fosforul . Imaginea poate fi înregistrată fotografic prin expunerea unui film sau a unei plăci fotografice direct pe fasciculul de electroni sau o placă de fosfor de înaltă rezoluție poate fi cuplată prin intermediul unui sistem optic sau a unei fibre optice la senzorul unei camere CCD ( Charge-Coupled Device ) . Imaginea detectată de CCD poate fi afișată pe un monitor sau direcționată către un computer.
Rezoluția este limitată în primul rând de aberații sferice , dar o nouă generație de corectori sferici mărește rezoluția. Software-ul de corecție a aberației sferice pentru TEM de înaltă rezoluție (HRTEM) a permis producerea de imagini cu rezoluție suficientă pentru a arăta atomii de carbon din diamante, separați doar cu 0,89 ångström (89 picometri ) și atomii de siliciu la 0,78 ångström (78 picometri) la 50 mărire de milioane de ori. Capacitatea de a determina poziția atomilor în materiale a făcut din HRTEM un instrument important pentru cercetare și dezvoltare în nanotehnologie .
Spre deosebire de TEM, unde fasciculul de electroni de înaltă tensiune poartă imaginea probei, fasciculul de electroni de la microscopul electronic cu scanare (SEM) nu poate da o imagine în orice moment. SEM produce imagini prin sondarea probei cu un fascicul de electroni, focalizat, este analizat pe o zonă dreptunghiulară a probei ( scanare raster (în) ). În fiecare punct al probei, fasciculul de electroni incident pierde energie. Această pierdere de energie este transformată în alte forme, cum ar fi căldura, emisia de electroni secundari redus de energie, emisia luminii ( cathodoluminescence ) sau emisia de raze-X . Afișajul SEM reprezintă intensitatea variabilă a unuia dintre aceste semnale din imagine, într-o poziție corespunzătoare poziției fasciculului pe eșantion când a fost generat semnalul. În imaginea furnicii din dreapta, imaginea a fost construită din semnale produse de un detector secundar de electroni, modul normal de imagine convențional al majorității SEM-urilor.
De obicei, rezoluția imaginii unui SEM este cu un ordin de mărime mai mic decât cel al unui TEM. Cu toate acestea, deoarece imaginea SEM se bazează mai degrabă pe procesele de suprafață decât pe transmisie, este capabilă să livreze imagini de obiecte de până la câțiva centimetri cu o adâncime mare de câmp, în funcție de designul și setarea instrumentului camerei, și astfel poate produce imagini care reprezintă o bună reprezentare tridimensională a structurii eșantionului.
În microscopul electronic cu reflecție , ca și în microscopul electronic cu transmisie, un fascicul de electroni este incident pe o suprafață, dar, în loc să utilizeze transmisii (TEM) sau electroni secundari (SEM), este vorba de electronii reflectați în fascicul, dispersați prin elasticitate, care este detectat. Această tehnică este în mod obișnuit asociată cu Reflecția cu difracție de energie cu energie ridicată (RHEED) și Reflecția cu spectru de pierdere de energie ridicată (RHELS). O altă variantă este Microscopia electronică cu energie electrică redusă (SPLEEM), care este utilizată pentru a privi microstructura domeniilor magnetice.
Microscopul electronic cu transmisie cu scanare (MEBT, sau STEM pentru microscopia electronică cu transmisie cu scanare ) este un tip de model al cărui principiu de funcționare combină anumite aspecte ale microscopului electronic cu scanare și microscopul electronic cu transmisie. O sursă de electroni focalizează un fascicul de electroni care trece prin eșantion. Un sistem de lentile magnetice permite acestui fascicul să măture suprafața probei de analizat.
Materialele destinate vizualizării la microscopul electronic pot necesita prelucrare pentru a produce o probă adecvată. Tehnica necesară variază în funcție de model și de analiza necesară:
Microscoapele electronice sunt scumpe de construit și întreținut, dar costurile de fabricație și operare a sistemelor de microscopie confocală le depășesc acum pe cele ale microscopurilor electronice de bază. Microscoapele electronice sunt mai degrabă dinamice decât statice în funcționarea lor, necesitând livrarea de tensiune înaltă foarte stabilă, curenți extrem de stabili către fiecare bobină / lentilă electromagnetică, vid pompat continuu sau ultra-vid și răcire prin circularea apei. Lentile și pompe. Deoarece sunt foarte sensibili la vibrații și câmpuri magnetice externe, microscoapele, pentru a permite rezoluții mai mari, trebuie să fie adăpostite în clădiri stabile (uneori subterane), cu sisteme speciale, cum ar fi sisteme de anulare a câmpului magnetic. Unele microscoape electronice de joasă tensiune au capacități MET de tensiune foarte mică (în jur de 5 kV), fără tensiune de alimentare strictă, apă de răcire sau izolare a vibrațiilor. Sunt mult mai ieftin de cumpărat și mult mai ușor de instalat și de întreținut, dar nu au aceeași rezoluție ultra-înaltă (scară atomică) ca instrumentele mai mari.
Probele ar trebui, în general, examinate în vid, deoarece moleculele care alcătuiesc aerul dispersează electroni. O excepție este microscopul electronic cu scanare de mediu, care permite observarea probelor hidratate la presiune scăzută (până la 2,7 kPa) într-un mediu umed. Microscoapele electronice de scanare sunt de obicei mai eficiente pentru materialele semiconductoare sau conductive, dar materialele neconductoare pot fi prelucrate prin microscopuri electronice cu scanare de mediu. O tehnică de preparare este de a acoperi proba cu un strat de câțiva nanometri de material conductor, cum ar fi aurul, dintr-o mașină de pulverizat, dar acest proces poate perturba probele delicate.
Specimenele mici și stabile, cum ar fi nanotuburile de carbon , frustulele de diatomee și cristalele mici de minerale ( de exemplu, fibrele de azbest ) nu necesită tratament special înainte de a fi examinate la microscopul electronic. În ceea ce privește eșantioanele de materiale hidratate, aproape toate exemplarele biologice trebuie să fie preparate în diferite moduri pentru a le stabiliza, a reduce grosimea acestora (secțiuni ultra-subțiri) și pentru a le mări contrastul (colorarea). Aceste procese pot duce la artefacte , dar de obicei pot fi identificate prin compararea rezultatelor obținute folosind metode de preparare radical diferite. Oamenii de știință care lucrează în domeniu consideră, în general, după ce au comparat rezultatele diferitelor tehnici de pregătire, că nu există niciun motiv pentru care toți produc artefacte similare și că, prin urmare, este rezonabil să credem că imaginile furnizate prin microscopie electronică corespund realității vieții celule. În plus, rezultatele cu rezoluție mai mare au fost comparate direct cu rezultatele cristalografiei cu raze X , oferind o confirmare independentă a validității acestei tehnici. Din anii 1980 , analiza specimenelor congelate sau vitrificate a devenit tot mai folosită de oamenii de știință, care confirmă validitatea acestei tehnici.