Úvod do elektronového mikroskopu

Obvyklým typem mikroskopu, který můžete najít ve třídě nebo ve vědecké laboratoři, je optický mikroskop. Optický mikroskop používá ke zvětšení obrazu světlo až 2000x (obvykle mnohem méně) a má rozlišení přibližně 200 nanometrů. Na druhou stranu elektronový mikroskop používá k vytvoření obrazu paprsek elektronů než světlo. Zvětšení elektronového mikroskopu může být až 10 000 000x, s rozlišením 50 pikometrů (0,05 nanometrů).

Výhodou použití elektronového mikroskopu oproti optickému mikroskopu je mnohem větší zvětšení a rozlišovací schopnost. Nevýhody zahrnují náklady a velikost zařízení, požadavek na speciální školení k přípravě vzorků pro mikroskopii a použití mikroskopu a nutnost prohlížet vzorky ve vakuu (ačkoli mohou být použity některé hydratované vzorky).

Nejjednodušší způsob, jak pochopit, jak elektronový mikroskop funguje, je porovnat jej s běžným světelným mikroskopem. V optickém mikroskopu se podíváte okulárem a objektivem a uvidíte zvětšený obrázek vzorku. Nastavení optického mikroskopu se skládá ze vzorku, objektivů, světelného zdroje a obrázku, který můžete vidět.

V elektronovém mikroskopu zaujme svazek elektronů paprsek elektronů. Vzorek musí být speciálně připraven, aby s ním mohly elektrony interagovat. Vzduch v komoře se vzorkem je čerpán do vakua, protože elektrony necestují daleko v plynu. Místo čoček zaostřují elektromagnetické cívky elektronový paprsek. Elektromagnety ohýbají elektronový paprsek téměř stejným způsobem jako čočky ohýbají světlo. Obrázek je produkován elektrony, takže je zobrazen buď pořízením fotografie (elektronový mikrograf), nebo sledováním vzorku přes monitor.

Existují tři hlavní typy elektronové mikroskopie, které se liší podle toho, jak je obraz vytvořen, jak je vzorek připraven, a rozlišením obrazu. Jedná se o transmisní elektronovou mikroskopii (TEM), skenovací elektronovou mikroskopii (SEM) a skenovací tunelovou mikroskopii (STM).

První elektronové mikroskopy, které byly vynalezeny, byly transmisní elektronové mikroskopy. V TEM je vysokonapěťový elektronový paprsek částečně přenášen velmi tenkým vzorkem, aby se vytvořil obraz na fotografické desce, senzoru nebo fluorescenční obrazovce. Obraz, který je vytvořen, je dvourozměrný a černobílý, něco jako rentgen. Výhodou této techniky je, že je schopna velmi vysokého zvětšení a rozlišení (o řád řádově lepší než SEM). Hlavní nevýhodou je, že nejlépe funguje s velmi tenkými vzorky.

Ve skenovací elektronové mikroskopii je paprsek elektronů skenován přes povrch vzorku v rastrovém vzoru. Obraz je tvořen sekundárními elektrony emitovanými z povrchu, když jsou excitovány elektronovým paprskem. Detektor mapuje elektronové signály a vytváří obraz, který kromě povrchové struktury zobrazuje hloubku ostrosti. Zatímco rozlišení je nižší než rozlišení TEM, SEM nabízí dvě velké výhody. Nejprve vytváří trojrozměrný obraz vzorku. Za druhé, lze jej použít na silnější vzorky, protože je skenován pouze povrch.

V TEM i SEM je důležité si uvědomit, že obraz nemusí být nutně přesnou reprezentací vzorku. U vzorku může dojít ke změnám v důsledku jeho přípravy na mikroskop, z vystavení vakuu nebo z vystavení elektronovému paprsku.

Skenování tunelového mikroskopu (STM) zobrazuje povrchy na atomové úrovni. Je to jediný typ elektronové mikroskopie, který dokáže zobrazit jednotlivce atomy. Jeho rozlišení je asi 0,1 nanometrů, s hloubkou asi 0,01 nanometrů. STM lze použít nejen ve vakuu, ale také ve vzduchu, vodě a dalších plynech a kapalinách. Může být použit v širokém teplotním rozsahu, od téměř absolutní nuly po více než 1000 stupňů C.

STM je založeno na kvantovém tunelování. Elektrický vodivý hrot je přiveden blízko povrchu vzorku. Při použití rozdílu napětí mohou elektrony tunelovat mezi špičkou a vzorkem. Změny v proudu špičky se měří při skenování napříč vzorkem za účelem vytvoření obrazu. Na rozdíl od jiných typů elektronové mikroskopie je přístroj cenově dostupný a snadno vyrobitelný. Nicméně, STM vyžaduje extrémně čisté vzorky a může být složité, aby to fungovalo.