Τι είναι ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο; Πώς λειτουργεί?

Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο είναι ένα μικροσκόπιο που χρησιμοποιεί μια δέσμη ηλεκτρονίων για να δημιουργήσει μια εικόνα ενός δείγματος. Η δέσμη ηλεκτρονίων παράγεται από ένα πιστόλι ηλεκτρονίων, το οποίο χρησιμοποιεί υψηλή τάση για να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια εστιάζονται με μαγνήτες και περνούν μέσα από το δείγμα. Στη συνέχεια, η εικόνα που προκύπτει μεγεθύνεται και προβάλλεται σε μια οθόνη.

Το ανθρώπινο μάτι φτάνει στην κορυφή της οξύτητάς του μόνο μέσα σε ένα συγκεκριμένο πεδίο διαστάσεων. κατά τα άλλα, είναι τρομερά μυωπικό. Το μάτι δεν μπορεί καν να κοιτάξει πέρα ​​από ένα τμήμα χλωμής άμμου και υγρών βράχων για να εκτιμήσει ένα μοναχικό, αιωρούμενο δέντρο με όλη του τη μεγαλοπρέπεια και λεπτομέρεια, έτσι οι γειτονικοί πλανήτες είναι σίγουρα μακριά από την κακή του πρόσβαση. Ομοίως, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά εξετάζετε, τα μάτια περιορίζονται σε ένα σωματίδιο άμμου. Απλώς δεν είναι εξοπλισμένα για περαιτέρω μεγέθυνση.

Ο περιορισμός μας είναι λογικός από εξελικτική άποψη. Γιατί να ξοδέψουμε πολύτιμους, περιορισμένους πόρους για την ανάπτυξη υποδειγματικής όρασης που θα μας επέτρεπε να παρατηρούμε τη μακροσκοπική και τη μικροσκοπική σφαίρα, όταν η τυπική μας όραση αρκεί για την καθημερινή ζωή; Οι πρόγονοί μας δεν χρειάζονταν απίστευτη ανάλυση - την ικανότητα να διαφοροποιούν δύο αντικείμενα - που θα μπορούσαν να έχουν διαφοροποιημένα άτομα σε ένα μέταλλο, για να επιβιώσουν στην αφρικανική σαβάνα. Όχι, χρειάζονταν μόνο μια ανάλυση αρκετά κατάλληλη για να διακρίνει ένα λιοντάρι από έναν θάμνο.

(Φωτογραφία:Pixabay και Wikimedia Commons)

Ωστόσο, για να ξεπεράσουμε αυτή τη βιολογική κορυφή, εμείς, από ανάγκη ή από καθαρή περιέργεια, κατασκευάσαμε εργαλεία για να επεκτείνουμε την εμβέλειά μας. Κάποιοι εικάζουν ότι είναι η ικανότητά μας να κατασκευάζουμε εργαλεία για να ξεπερνάμε τη φύση που μας κάνει το πιο προηγμένο ή επιτυχημένο είδος στον πλανήτη. Για να παρακολουθήσουμε τα αστέρια, κατασκευάσαμε κωνικά τηλεσκόπια και για να δούμε το κρυφό θηριοτροφείο των ατόμων, κατασκευάσαμε το μικροσκόπιο. Οι λειτουργίες αυτών των δύο είναι ουσιαστικά οι ίδιες:μεγέθυνση.

Ενώ ένα τηλεσκόπιο κάνει τα μεγαλύτερα σώματα να φαίνονται μικρότερα, ένα μικροσκόπιο κάνει τα μικρότερα αντικείμενα να φαίνονται μεγαλύτερα. Και τα δύο όργανα επιτυγχάνουν τους στόχους τους με τη βοήθεια φακών που συγκλίνουν και αποκλίνουν το προσπίπτον φως μέχρι να φτάσει στο γυμνό μάτι, το οποίο κρυφοκοιτάει από την άλλη άκρη. Ωστόσο, η ανησυχία μας εδώ έγκειται μόνο στο μικροσκόπιο. Συγκεκριμένα, αφορά ένα είδος μικροσκοπίων που δεν παραμορφώνουν δέσμες φωτός, αλλά ηλεκτρόνια! Ονομάζεται ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (πλήρης ενδείξεις για δημιουργικότητα!).

Πώς λειτουργεί ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο;

Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μπορεί να μεγεθύνει ένα αντικείμενο έως και 10.000.000 φορές! Αυτό είναι 5.000 φορές περισσότερο από αυτό που μπορεί να πετύχει ένα μικροσκόπιο φωτός. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν τις μαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων, σε συνδυασμό με την υπόθεση του Louis de Broglie ότι τα ηλεκτρόνια διαθέτουν κυματικές ιδιότητες, για να αυξήσουν τη μεγέθυνση σε ένα εντελώς νέο επίπεδο.

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. (Φωτογραφία:Andrew Magill / Wikimedia Commons)

Συμβολή του Louis de Broglie:ψήφισμα

Το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου είναι έως και 100.000 φορές μικρότερο από το ορατό φως, χαρακτηριστικό που προσφέρει εξαιρετική ανάλυση. Αυτό συμβαίνει επειδή τα σωματίδια μικρότερου μήκους κύματος τείνουν να διεισδύουν σε αντικείμενα πιο βαθιά, παρέχοντας έτσι μια άποψη των πραγμάτων κάτω από την επιφάνεια - μια μπάλα μπάσκετ δεν μπορεί να περάσει μέσα από μια σχισμή που έχει το μέγεθος μιας μπάλας του τένις.

Οι «τρύπες» ή ακριβέστερα, οι λεπτομέρειες, στην εικόνα που σχεδιάστηκε από μια μπάλα του μπάσκετ είναι σκοτεινές, καθώς το μπάσκετ ποτέ δεν τολμούσε σε μια σχολαστική έρευνα σχετικά με αυτές. απλά δεν μπορεί. Αν μια μπάλα του μπάσκετ τυλιγμένη σε κόκκινη μπογιά αναπηδούσε στο πάτωμά σας, θα άφηνε πίσω σας έναν μεγάλο κόκκινο κύκλο. Συγκρίνετε αυτό με τη λεπτομέρεια που θα δημιουργούσε μια ταυτόχρονη αναπήδηση πολλών κόκκινων μπάλων του τένις στον ίδιο κύκλο.

Λόγω του μεγέθους της, μια μπάλα μπάσκετ παραβλέπει τα πιο λεπτά κενά μεταξύ τους και τα γεμίζει αλαζονικά με το ίδιο χρώμα που τις περιβάλλει. Αυτό δημιουργεί λιγότερα pixel. Από την άλλη πλευρά, η μπάλα του τένις διεισδύει σε κάθε σχισμή ή κενό, δημιουργώντας έτσι μια πιο εικονοστοιχισμένη εικόνα. Εάν επρόκειτο να μεγεθύνετε την εικόνα με λιγότερο pixel, τα στοιχεία της θα εμφανίζονταν μουντζούρα - ένας καμβάς υποθέσεων. Ενώ, μια εικόνα με πιο εικονοστοιχεία θα εμφανιζόταν πιο ευκρινής και πιο διεξοδικά διερευνημένη.

Μαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτρονίου:σύγκλιση για μεγέθυνση

Τα ίδια τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια παράγονται από μια πηγή ηλεκτρονίων ή πιστόλι, όπως το βολφράμιο, που εκτοξεύει εύθυμα δέσμες μέσα στη στήλη όταν η πηγή ή το πιστόλι τροφοδοτείται από χιλιάδες βολτ. Είναι επιτακτική ανάγκη να διατηρείται ένα έντονο κενό στη στήλη, επειδή τα σωματίδια στον αέρα ή οποιοδήποτε άλλο μέσο θα μπορούσαν να συγκρουστούν με ηλεκτρόνια και να διαταράξουν τη λεπτή λειτουργία του οργάνου.

Τώρα, επειδή τα κινούμενα ηλεκτρόνια είναι ουσιαστικά μικρότεροι μαγνήτες, μπορούν να εκτραπούν από μεγαλύτερους μαγνήτες είτε να συγκλίνουν είτε να αποκλίνουν μέσα στη στήλη του μικροσκοπίου. Σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, οι μαγνήτες εκτελούν τη λειτουργία που εκτελούν οι οπτικοί φακοί στα μικροσκόπια φωτός. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια με μεγάλη σύγκλιση εκτοξεύουν την επιφάνεια του δείγματος υπό έλεγχο.

Η κάμψη των φορτισμένων σωματιδίων από έναν μαγνήτη είναι η αρχή λειτουργίας ενός από τους πρώτους επιταχυντές σωματιδίων, που ονομάζονται κυκλοτρόνια. Το πρωτόνιο κάμπτεται από ένα μαγνητικό πεδίο και στροβιλίζεται γρήγορα σε ομόκεντρους κύκλους μέχρι να φτάσει στον εξώτατο κύκλο, στο τέλος του οποίου εκτοξεύεται έξω. (Φωτογραφία:KlausFoehl / Wikimedia Commons)

Ο σχηματισμός μιας εικόνας εξαρτάται από τον τύπο του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που θα αναπτυχθεί. Ωστόσο, και στα δύο μικροσκόπια, η εικόνα φωτίζεται σε μια φθορίζουσα οθόνη επικαλυμμένη, ας πούμε, με φώσφορο που εναπόθεση στο τέλος του μικροσκοπίου. Οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται στη φωτεινότητα μεταδίδονται στη συνέχεια σε μια οθόνη υπολογιστή για παρατήρηση ή ακόμα και χρωματισμό. Ας ρίξουμε μια ματιά στους δύο τύπους ηλεκτρονικών μικροσκοπίων.

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM)

Οι δύο τύποι ηλεκτρονικών μικροσκοπίων μοιάζουν πολύ με τους δύο τύπους μικροσκοπίων φωτός. Ο πρώτος τύπος είναι το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Μετάδοσης (TEM), του οποίου το φωτοαντίστοιχο είναι το σύνθετο μικροσκόπιο. Το TEM παράγει διαπεραστική μεγέθυνση έως και 5.000.000 φορές. Τα υπερθετικά TEM είναι γνωστό ότι επιλύουν ακόμη και δύο άτομα που κάθονται το ένα δίπλα στο άλλο! Επομένως, το μικροσκόπιο χρησιμοποιείται για τη μελέτη των δομών που βρίσκονται σε βάθος και των επιμέρους συστατικών ενός κυττάρου.

Η παραλλαγή ονομάζεται έτσι επειδή η δισδιάστατη ασπρόμαυρη ή γκρι-κλιμακωμένη εικόνα σμιλεύεται από τα ηλεκτρόνια που μεταδίδονται απευθείας ή, μάλλον, εκτοξεύονται στο δείγμα. Η εικόνα δημιουργείται ως «σκιά» που ρίχνεται από την αλληλεπίδραση των προσπίπτων ηλεκτρονίων που διέρχονται από αυτήν και εκείνων που απορροφώνται από πυκνές δομές. Το σκοτάδι της σκιάς είναι συνάρτηση της πυκνότητας μιας όψης. Τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια ονομάζονται τεχνικά «πρωτεύοντα» ηλεκτρόνια.

Ωστόσο, ανεξάρτητα από τα πλεονεκτήματά του, το TEM έχει επίσης τα μειονεκτήματά του — το όργανο μπορεί να μελετήσει μόνο μία πτυχή ενός δείγματος κάθε φορά. Το οπτικό του πεδίο είναι πολύ περιορισμένο. Επιπλέον, τα δείγματα πρέπει να είναι εξαιρετικά λεπτά και πρέπει να τοποθετούνται στο βάθρο με σχολαστική φροντίδα και εξειδίκευση. Ακόμη και οι πιο μικροσκοπικές λανθασμένες ευθυγραμμίσεις μπορούν να παραμορφώσουν σοβαρά την εικόνα. Αυτοί οι περιορισμοί μπορεί συχνά να κάνουν τη χρήση των TEM προβληματική.

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM)

Αυτοί οι περιορισμοί μπορούν να ξεπεραστούν από έναν διαφορετικό τύπο ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που ονομάζεται Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (SEM). Ένα SEM μπορεί να μεγεθύνει δείγματα που είναι παχύτερα από αυτά στα οποία είναι συνηθισμένα τα TEM. Η τοποθέτησή τους, λοιπόν, δεν απαιτεί τεχνογνωσία ή κουραστική σύνεση. Ακόμα καλύτερο είναι το γεγονός ότι οι ασπρόμαυρες εικόνες που παράγονται από τα SEM είναι τρισδιάστατες!

Επιπλέον, λόγω του ευρέος οπτικού του πεδίου, ένας βιολόγος ή χημικός είναι προικισμένος με την ικανότητα να μελετά το σύνολο, ας πούμε, μιας κυτταρικής δομής. Το ανάλογο φωτός είναι το στερεομικροσκόπιο, το οποίο μπορεί επίσης να δημιουργήσει τρισδιάστατες εικόνες στέλνοντας φως μέσω δύο οπτικών μονοπατιών ή αξόνων που είναι μετατοπισμένα μεταξύ τους. Η διαφορά στη γωνία μεταξύ τους μεταφράζεται σε αντίληψη βάθους.

Τα SEM χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μελέτη επιφανειών. Τα πρωτεύοντα ηλεκτρόνια που προέρχονται από την πηγή «σαρώνουν» γραμμή προς γραμμή την επιφάνεια του δείγματος. Διεγείρουν και βγάζουν νοκ άουτ τα ηλεκτρόνια που συναντούν στην πορεία τους. Στη συνέχεια, η εικόνα σχηματίζεται ανιχνεύοντας αυτά τα ηλεκτρόνια που είναι διασκορπισμένα στην επιφάνεια. Αυτά τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια είναι γνωστά ως «δευτερεύοντα» ηλεκτρόνια. Η επιφάνεια δεν διασκορπίζει μόνο ηλεκτρόνια, αλλά μια ποικιλία εκπομπών, όπως ακτίνες Χ και ακόμη και φωτόνια. Ο εξοπλισμός είναι εξοπλισμένος με ανιχνευτές που τροφοδοτούν όλες αυτές τις εκπομπές για να σχεδιάσουν τη μεγεθυμένη εικόνα.

Ωστόσο, υπάρχει, φυσικά, μια σύλληψη. Όλα αυτά τα οφέλη έχουν το κόστος της ανάλυσης και, επομένως, της μεγέθυνσης. Μεγεθύνει μια επιφάνεια έως και 100.000 φορές, που είναι αρκετά υψηλό, αλλά πενιχρό σε σύγκριση με ένα TEM. Φυσικά, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι τα TEM είναι καλύτερα. Καθένα από αυτά είναι πιο αποτελεσματικό όταν προσλαμβάνεται για μια θέση εργασίας που ταιριάζει καλύτερα στην εξειδίκευσή τους.

(Φωτογραφία :Pixano)

Στην πραγματικότητα, αυτό ισχύει για οποιοδήποτε μικροσκόπιο - φως ή ηλεκτρόνιο - ιδιαίτερα όταν λαμβάνουμε υπόψη οικονομικές διαθέσεις. Αν υπάρχει μία ομοιότητα μεταξύ των δύο ηλεκτρονικών μικροσκοπίων, αυτή είναι ότι είναι και τα δύο αρκετά ακριβά!