Un microscopio electrónico (EM) es un tipo de microscopio que utiliza un haz de electrones para iluminar una muestra y crear una imagen muy ampliada. Fue inventado en 1931 por ingenieros alemanes. Los microscopios electrónicos tienen mayor poder de resolución que los microscopios ópticos que utilizan radiación electromagnética visible . Pueden lograr aumentos mucho mayores de hasta 2 millones de veces, mientras que los mejores microscopios ópticos están limitados a 2000 aumentos. Estos dos tipos de microscopios tienen una resolución limitada, dictada por la longitud de onda de la radiación que utilizan. La mayor resolución y aumento del microscopio electrónico se debe al hecho de que la longitud de onda de De Broglie de un electrón es mucho más pequeña que la longitud de onda de un fotón de luz visible.
El microscopio electrónico utiliza lentes electrostáticos y electromagnéticos para formar la imagen controlando el haz de electrones y hacer que converja en un plano particular con respecto a la muestra. El principio es similar al del microscopio óptico que usa lentes de vidrio para enfocar la luz sobre la muestra o a través de ella para formar una imagen.
Siguiendo las elaboraciones teóricas de Louis de Broglie en 1923, fue posible demostrar en 1926 que los campos magnéticos o electrostáticos podían usarse como lentes para haces de electrones.
El primer prototipo de microscopio electrónico fue construido en 1931 por los ingenieros alemanes Ernst Ruska y Max Knoll . Este primer instrumento amplió objetos cuatrocientas veces en el mejor de los casos. Dos años después, Russjai construyó un microscopio electrónico que excedía la resolución posible de un microscopio óptico. Reinhold Rudenberg , director científico de Siemens , patentó el microscopio electrónico en 1931 , estimulado por una enfermedad en la familia, para hacer visible el virus de la polio. En 1937, Siemens comenzó a financiar a Ruska y Bodo von Borries para desarrollar un microscopio electrónico. Siemens también contrató al hermano de Helmut Ruska para trabajar en aplicaciones, particularmente con muestras biológicas.
Durante la misma década, Manfred von Ardenne comenzó su investigación sobre el microscopio electrónico de barrido y su microscopio electrónico universal. Siemens produjo el primer microscopio electrónico disponible comercialmente en 1938. El primer microscopio electrónico estadounidense fue construido en la Universidad de Toronto en 1938 por Eli Franklin Burton (en) y los estudiantes Cecil Hall , James Hillier y Albert Prebus . El primer microscopio electrónico de transmisión fue construido por Siemens en 1939. La realización de un microscopio electrónico de alta resolución sólo fue posible después de la invención del estigmador por Hillier, en 1946 en los laboratorios de RCA. Aunque los microscopios electrónicos modernos pueden ampliar objetos hasta dos millones de veces, todavía se basan en el prototipo de Ruska. El microscopio electrónico es una parte esencial del equipo de muchos laboratorios. Los investigadores los utilizan para examinar materiales biológicos (como microorganismos y células ), una amplia variedad de moléculas , muestras de biopsias médicas, estructuras de metales y cristales y características de diferentes superficies. El microscopio electrónico también se usa ampliamente para inspección, control de calidad y análisis de fallas de aplicaciones en la industria, incluida, entre otras, la fabricación de dispositivos semiconductores .
La forma original de microscopio electrónico, el microscopio electrónico de transmisión (TEM) utiliza tungsteno como cátodo fuente de electrones . El haz de electrones es acelerado por un ánodo generalmente a 100 keV (40 a 400 keV) con respecto al cátodo , concentrado por lentes electrostáticas y electromagnéticas, y transmitido al objetivo que es parcialmente transparente a los electrones y en parte los dispersa. A medida que emerge de la muestra, el haz de electrones transporta información sobre la estructura de la muestra que es amplificada por el sistema de lentes del objetivo del microscopio. La variación espacial de esta información (la "imagen") se ve proyectando la imagen electrónica ampliada en un centelleador , como sulfuro de zinc o fósforo . La imagen se puede grabar fotográficamente exponiendo una película o placa fotográfica directamente sobre el haz de electrones o se puede acoplar una placa de fósforo de alta resolución mediante un sistema óptico o una fibra óptica al sensor de una cámara CCD ( dispositivo de carga acoplada ) . La imagen detectada por el CCD puede mostrarse en un monitor o dirigirse a una computadora.
La resolución está limitada principalmente por la aberración esférica , pero una nueva generación de correctores esféricos aumenta la resolución. El software de corrección de aberraciones esféricas para TEM de alta resolución (HRTEM) permitió la producción de imágenes con resolución suficiente para mostrar los átomos de carbono en diamantes, separados por solo 0,89 ångström (89 picómetros ) y átomos de silicio a 0,78 ångström (78 picómetros) a 50 aumento de millones de veces. La capacidad de determinar la posición de los átomos en los materiales ha convertido a HRTEM en una herramienta importante para la investigación y el desarrollo en nanotecnología .
A diferencia de TEM, donde el haz de electrones de alto voltaje transporta la imagen de la muestra, el haz de electrones del microscopio electrónico de barrido (SEM) no puede dar una imagen en ningún momento. El SEM produce imágenes sondeando la muestra con un haz de electrones, enfocado, se analiza en un área rectangular de muestra ( barrido de trama (adentro) ). En cada punto de la muestra, el haz de electrones incidente pierde energía. Esta pérdida de energía se convierte en otras formas, tales como el calor, la emisión de electrones secundarios de baja energía, la emisión de luz ( catodoluminiscencia ) o la emisión de rayos X . La pantalla SEM representa la intensidad variable de una de estas señales en la imagen, en una posición correspondiente a la posición del haz en la muestra cuando se generó la señal. En la imagen de la hormiga a la derecha, la imagen se construyó a partir de señales producidas por un detector de electrones secundarios, el modo de imagen convencional normal de la mayoría de los SEM.
Normalmente, la resolución de imagen de un SEM es aproximadamente un orden de magnitud menor que la de un TEM. Sin embargo, debido a que la imagen SEM se basa en procesos de superficie en lugar de transmisión, es capaz de entregar imágenes de objetos de hasta varios centímetros con una gran profundidad de campo, dependiendo del diseño y configuración del instrumento de la cámara y, por lo tanto, puede producir imágenes que sean una buena representación tridimensional de la estructura de la muestra.
En el microscopio electrónico de reflexión , como en el microscopio electrónico de transmisión, un haz de electrones incide sobre una superficie pero, en lugar de utilizar electrones de transmisión (TEM) o electrones secundarios (SEM), son los electrones reflejados por haz, dispersados por elasticidad, que es detectado. Esta técnica se asocia comúnmente con la reflexión por difracción de electrones de alta energía (RHEED) y la reflexión de espectro de alta pérdida de energía (RHELS). Otra variación es la microscopía electrónica de baja energía polarizada por espín (SPLEEM), que se utiliza para observar la microestructura de los dominios magnéticos.
El microscopio electrónico de barrido de transmisión (MEBT, o STEM para microscopía electrónica de transmisión de barrido ) es un tipo de modelo cuyo principio operativo combina ciertos aspectos del microscopio electrónico de barrido y el microscopio electrónico de transmisión. Una fuente de electrones enfoca un haz de electrones que atraviesa la muestra. Un sistema de lentes magnéticas permite que este rayo barra la superficie de la muestra a analizar.
Los materiales destinados a ser vistos con un microscopio electrónico pueden requerir procesamiento para producir una muestra adecuada. La técnica requerida varía según el modelo y el análisis requerido:
Los microscopios electrónicos son costosos de construir y mantener, pero los costos de fabricación y funcionamiento de los sistemas de microscopía confocal ahora superan los de los microscopios electrónicos básicos. Los microscopios electrónicos son más dinámicos que estáticos en su funcionamiento, y requieren el suministro de alto voltaje muy estable, corrientes extremadamente estables a cada bobina / lente electromagnética, vacío o ultravacío bombeado continuamente y enfriamiento mediante agua en circulación, lentes y bombas. Como son muy sensibles a vibraciones y campos magnéticos externos, los microscopios, para permitir resoluciones más altas, deben estar alojados en edificios estables (a veces subterráneos), con sistemas especiales como los sistemas de cancelación de campo magnético. Algunos microscopios electrónicos de escritorio de bajo voltaje tienen capacidades MET de muy bajo voltaje (alrededor de 5 kV), sin voltaje de suministro estricto, agua de enfriamiento o aislamiento de vibraciones. Son mucho más baratos de comprar y mucho más fáciles de instalar y mantener, pero no tienen la misma resolución ultra alta (escala atómica) que los instrumentos más grandes.
Las muestras generalmente deben examinarse al vacío porque las moléculas que componen el aire dispersan los electrones. Una excepción es el microscopio electrónico de barrido ambiental, que permite observar muestras hidratadas a baja presión (hasta 2,7 kPa) en un ambiente húmedo. Los microscopios electrónicos de barrido suelen ser más eficientes para materiales semiconductores o conductores, pero los materiales no conductores pueden procesarse mediante microscopios electrónicos de barrido ambiental. Una técnica de preparación consiste en recubrir la muestra con una capa de unos pocos nanómetros de material conductor, como oro, de una máquina de pulverización catódica, pero este proceso puede alterar las muestras delicadas.
Las muestras pequeñas y estables como nanotubos de carbono , frústulas de diatomeas y pequeños cristales de minerales ( por ejemplo, fibras de asbesto ) no requieren un tratamiento especial antes de ser examinadas en el microscopio electrónico. En cuanto a las muestras de materiales hidratados, casi todas las muestras biológicas deben prepararse de diversas formas para estabilizarlas, reducir su espesor (cortes ultrafinos) y aumentar su contraste (tinción). Estos procesos pueden dar lugar a artefactos , pero generalmente pueden identificarse comparando los resultados obtenidos utilizando métodos de preparación radicalmente diferentes. Los científicos que trabajan en el campo generalmente creen, después de comparar los resultados de diferentes técnicas de preparación, que no hay razón para que todas produzcan artefactos similares y que, por lo tanto, es razonable creer que las imágenes proporcionadas por microscopía electrónica corresponden a la realidad de los seres vivos. células. Además, los resultados de mayor resolución se han comparado directamente con los resultados de la cristalografía con rayos X , lo que proporciona una confirmación independiente de la validez de esta técnica. Desde la década de 1980 , el análisis de muestras congeladas o vitrificadas también se ha vuelto cada vez más utilizado por los científicos, que confirman la validez de esta técnica.