LUCRAREA NR
Universitatea POLITEHNICA din Bucureti
Facultatea Ingineria i Managementul Sistemelor
Tehnologice
Specializare Ingineria Nanostructurlor si Proceselor
Neconventionale
Cercetarea experimental n procese neconvenionaleMasterant: Mihai
Iulian Grupa: INPN
Anul: I Anul universitar
2014-201MICROSCOPIA ELECTRONIC
Primul microscop electronic a fost construit n 1931 de ctre
inginerii germani Ernst Ruska i Max Knoll. Acesta era bazat pe
ideile i descoperirile fizicianului francez Louis de Broglie. Dei
primitiv i nepotrivit utilizrilor practice, instrumentul era
capabil s mreasc obiectele de patru sute de ori.Reinhold Rudenberg,
directorul de cercetri al companiei Siemens, a patentat microscopul
electronic n 1931, dei Siemens nu fcea cercetri n domeniul
microscoapelor electronice la acea vreme. n 1937 Siemens a nceput
s-i finaneze pe Ruska i pe Bodo von Borries pentru dezvoltarea unui
microscop electronic. Siemens l-a angajat i pe fratele lui Ruska,
Helmut s lucreze la aplicaii, n particular cu specimene
biologice.
n acelai deceniu, Manfred von Ardenne a inventat microscopul
electronic cu scanare i un microscop electronic universal.
Siemens a nceput producia comercial a microscopului electronic
cu transmisie n 1939, dar pn atunci primul microscop electronic cu
utilizare practic fusese construit la Universitatea Toronto n 1938,
de ctre Eli Franklin Burton i studenii Cecil Hall, James Hillier i
Albert Prebus.
Dei microscoapele electronice moderne pot mri obiectele de pn la
dou milioane de ori, toate se bazeaz pe prototipul lui Ruska.
Microscopul electronic este nelipsit n multe laboratoare.
Cercettorii l folosesc pentru a examina material biologic (cum ar
fi microorganisme i celule), diferite molecule mari, probe de
biopsie medical, metale i structuri cristaline, i caracteristicile
diferitelor suprafee. Microscopul electronic este folosit extensiv
pentru inspecia i asigurarea calitii n industrie, inclusiv, n mod
deosebit, n fabricarea dispozitivelor semiconductoare.
Imagine a unei furnici la microscopul electronic cu baleajCel
mai puternic microscop din lume a fost anunat la inceputul lui
2008[5]. Transmission electron aberration-corrected microscope,
prescurtat "TEAM" atinge rezoluia de 0,5 ngstrm, in jur de 1 milion
de ori mai mic dect diametrul unui fir de pr.
n microscopia electronic fasciculul de lumin este nlocuit cu un
fascicul de electroni accelerai.
Relaia dintre puterea (limita) de rezoluie i lungimea de und a
radiaiei luminoase, stabilit pentru microscopia optic este corect i
aplicabil pentru orice form de radiaie deci i pentru un fascicul de
electroni. Proprietile de und ale electronului au fost descoperite
de fizicianul francez L. de Broglie, n 1924 , Electronii nu au o
lungime de und constant; ea crete pe msura, ce crete viteza
electronilor. ntr-un microscop electronic, la o tensiune de
accelerare de 100.000 V, lungimea de und a electronilor este de
0,004 nm. Rezoluia teoretic (calculat) corespunztoare acestei
lungimi de und ar trebui s fie de 0,002 nm. n fapt, ea este mai
mic, fiind limitat de mai multe cauze, printre care: a. aberaiile
lentilelor electromagnetice sunt mai greu de corectat dect cele ale
lentilelor de sticl; b. tehnicile de preparare (fixare, includere,
contrastare) i c. efectele de deteriorare ale specimenului datorate
fasciculului de electroni. n consecin, specimenele de natur
biologic pot fi observate n microscopia electronic la o rezoluie
limit de 2 nm (20 ), de aproximativ 100 de ori mai bun dect
rezoluia microscopului optic.Cele mai perfecionate microscoape
electronice aflate in exploatare n diferite laboratoare, au
rezoluii garantate de 2-3 iar n condiii speciale se poate ajunge la
1,2-1,4 i o putere de mrire (direct, n aparat) de 800,000 de ori.
Deci, rezoluia acestor aparate se apropie de dimensiunea atomului
de hidrogen care este de 1 . Pentru comparaie, reamintim c rezoluia
ochiului uman, la o distan de 25 cm a obiectului, este de 0,1 mm
iar a microscopului optic de 0,1-0,2 m .Judecnd dup performanele de
rezoluie ale microscoapelor electronice actuale (2-3 ) s-ar putea
considera c observarea direct a aminoacizilor n moleculele
proteinelor, de exemplu, nu reprezint o problem. Aminoacidul cu
diametrul cel mai mic este glicina (5.1 ), iar cel mai mare este
triptofanul (175.5 ). Acest lucru nu este posibil deoarece rezoluia
amintit se poate obine doar pe reelele cristaline ale unor substane
i nu direct pe biomolecule.
Domeniul de investigaie de la celul pn la molecul sau atom, care
urmrete nelegerea organizrii ansamblurilor de molecule n structuri
supramoleculare, a proceselor legate de biosinteza acestora precum
i a funciilor lor, constituie domeniul ultrastructural. La acest
nivel nu se mai poate vorbi de zoologie, morfologie sau fiziologie
(n sensurile clasice), ci de un spaiu unificat al cunoaterii
viului, acela al biologiei celulare i moleculare.1. Microscopul
electronic de transmisie (TEM)
ntr-o perspectiv foarte general, microscopul electronic de
transmisie (fig.1,2) este similar microscopului optic. Sursa de
iluminare este nlocuit cu un filament sau catod care are rolul de a
emite fasciculul de electroni. Catodul este localizat n partea
superioar a unei coloane cilindrice de aprox 2m. Pentru a se evita
dispersia electronilor din fascicul prin coliziunea cu moleculele
aerului, n coloan se creeaz vid prin pomparea n afar a
aerului.Electronii produi de filamentul supranclzit sunt accelerai
fa de un anod, cruia i se aplic o tensiune negativ ce smulge
electronii i i accelereaz. Fasciculul trece printr-o deschidere
ngust a anodului i strbate n ntregime coloana.De-a lungul coloanei
sunt plasai mai muli e1ectromagnei (lentile electromagnetice) care
pot concentra sau focaliza fasciculul ndeplinind un rol similar cu
acela al lentilelor de sticl din microscopia optic.
Fig. 1 Schema componenetelor unui microscop electronic de
transmisie
Fig. 2 Microscopul electronic de transmisie
Un sistem de diafragme cu diametrul de 30-100m opresc trecerea
electronilor mrginai, mbuntindu-se claritatea i contrastul
imaginilor.
Specimenul este situat n coloana vidat, pe direcia fasciculului
de electroni. n urma coliziunii electronilor fasciculului primar cu
specimenul, rezult mai multe tipuri de electroni sau radiaii,
majoritatea fiind utilizate n diverse microscoape electronice (fig.
3). Ca i n microscopia optic, specimenul este colorat (contrastat)
cu substane electrocondense adic substane capabile s disperseze cea
mai mare parte a electronilor incideni pe suprafaa ocupat de ele.
Electronii care au strbtut preparatul (transmii) sunt focalizai
pentru a forma o imagine pe un ecran fluorescent sau pentru a
impresiona o plac fotografic. Deoarece regiunile dense ale
preparatului vor dispersa majoritatea electronilor, aceste zone vor
arta pe ecran sau n fotografie ca zone mai negre, mai nchise i se
vor numi zone electron-dense.
Electroni transmiiFig. 3 Prezenterea schematic a interaciunii
dintre fasciculul primar de electroni i specimen
2. Microscopia electronic de baleiaj (SEM)
Microscopul electronic de baleiaj (termen derivat din lb.
francez) sau microscopul electronic scanning (termen derivat din
lb. englez) (fig. 4) permite obinerea unor imagini tridimensionale
ale specimenului. Prin intermediul unui astfel de aparat se pot
studia suprafeele obiectelor biologice, fr a se obine ns informaii
despre modul de organizare n profunzime (referitoare la structurile
lor interne).
n timp ce n microscopia electronic de transmisie (TEM) imaginea
se formeaz datorit electronilor transmii (care pot trece prin
preparat), n microscopia electronic scanning (SEM) imaginea se
obine prin detectarea i msurarea fluxurilor electronice dispersate
sau emise (electroni secundari) de pe suprafaa specimenului. Deci,
cu ct suprafaa specimenului va dispersa (reflecta) n mai mare msur
electronii fasciculului cu att imaginea obinut va fi mai bun.
Proprietile reflectorizante ale suprafeelor specimenelor sunt
amplificate prin acoperirea lor cu un strat subire de metal greu
(aur, platin, aliaj aur-platina etc.). Pe suprafaa specimenului
este proiectat un fasicicul foarte ngust de electroni care parcurge
ntr-un mod ordonat ntreaga sa suprafa (baleiere, scanare).
Detectorul de electroni dispersai (reflectai) sau secundari (emii
din specimen n urma coliziunii cu electronii fasciculului primar)
msoar punctiform proprietile acestora traducndu-le ntr-un semnal
luminos pe ecranul unui monitor. Imaginea specimenului pe ecran se
reconstituie pe baza semnalelor ( imaginilor) punctiforme datorate
electronilor dispersai sau secundari detectai.
Microscoapele de baleiaj permit diferene mari ntre planurile de
focalizare, deci faciliteaz examinarea suprafeelor unor obiecte
relativ mari. Deoarece cantitatea electronilor dispersai este
dependent i de unghiul dintre suprafaa specimenului i fasciculul de
electroni, imaginea obinut va fi mai luminat sau mai umbrit. Se
amplific astfel aparena de tridimensionalitate
spaialitate.Microscoapele electronice de baleiaj sunt mai mici i
mai puin costisitoare n comparaie cu microscoapele electronice de
transmisie. Microscoapele de baleiaj (cele uzuale) nu au o rezoluie
foarte mare ci doar de aproximativ 10nm; mrirea efectiv ( obinut n
aparat) este de pan la 20.000 de ori.n concluzie, microscopia
electronic de baleiaj poate fi utilizat n mod curent pentru
ivestigarea celulelor ntregi, a esuturilor, a fragmentelor de
organe ( de exemplu, a fragmentelor de frunze, rdcini etc.) sau
chiar a unor organisme de dimensiuni adecvate (unele insecte, de
exemplu).
n ultimul timp, s-a reuit o mbuntire substanial a rezoluiei n
microscopia electronic de baleiaj reducndu-se mult diferena fa de
TEM. Au fost produse instrumente care permit o rezoluie de 0,5-1
nm, deci, o vizualizare direct, tridimensional, a unor detalii de
nivel molecular. Acest nou domeniu al SEM poart, numele de
microscopie electronic scanning de nalt rezoluie (HRSEM - engl.
High-Resolution Scanning Electron Microscopy ) . Aceste performane
au fost obinute prin utilizarea electronilor slab accelarai, care
reduc producerea de sarcini electrice n specimen precum i
capacitatea de penetrare a specimenului, chiar dac. acesta este
foarte subire.
Fig. 4 Microscopul electronic de baleiaj (SEM)3. Microscopul
electronic de voltaj supranalt
Este o variant a TEM cu o coloan cu lungime total de 10m.
Deoarece tubul de accelerare este de dimensiuni mari, accelerarea
electronilor este de aproximativ 1.000.000 V. Acest voltaj confer
electronilor suficient enargie cinetic pentru a penetra prin
preparate cu grosime de microni sau chiar prin ntreaga celul.
Imaginea rezultat este o radioscopie celular care evideniaz
ultrastructura ntregii celule, fr a fi nevoie de sseciuni
ultrafine.
Principalul avantaj al microscopului electronic de voltaj
supranalt este acela c permite observarea n profunzime i d o
imagine tridimensionsl asupra celulei. Rezoluia i adncimea cmpului
sunt extrem de performante pe toat grosimea preparatului.4.
Microscopul electronic cu scanareSpre deosebire de MET, unde raza
de electroni la tensiune nalt formeaz imaginea specimenului,
microscopul electronic cu scanare[9] produce imagini prin detecia
electronilor secundari, cu energie sczut, emisi de pe suprafaa
specimenului datorit excitrii acestuia de ctre raza principal de
electroni. n MES, raza de electroni parcurge ntreg specimenul,
detectorii construind o imagine prin maparea semnalelor detectate
la poziia razei.
n general, rezoluia MET este de regul cu un ordin de mrime mai
mare dect cea a MES, dar, datorit faptului ca imaginea produs de
microscoapele cu scanare se bazeaz pe procese de suprafa i nu pe
transmisie, este capabil s vizualizeze probe mai mari, i are o
adncime de penetrare mult mai mare, producnd astfel imagini care
sunt o bun reprezentare tridimensional a probei.
Microscop electronic cu scanare la Institutul de Geologie al
Universitii din Kiel, Germania, n 1980. Coloana din mijloc produce
fluxul de electroni, iar specimenul este plasat la baz5.
Microscopul electronic cu reflexien plus, exist i microscoape
electronice cu reflexie (MER). Ca i MET, aceast tehnic implic raze
de electroni incidente pe o suprafa, dar n loc s foloseasc
electronii transmii, sau cei secundari, se detecteaz raza
reflectat.
6. Microscopul electronic cu scanare i transmisie MEST combin
nalta rezoluie a MET cu funcionalitile MES, permind folosirea unei
game de tehnici de analiz imposibil de atins cu MET
convenionale
2