Mikroskopio elektroniko

Mikroskopio elektronikoa, ikusi nahi den objektua “argiztatzeko” elektroiak erabiltzen dituen mikroskopioa da. Mikroskopio hauek teknika zuzenak erabiliz 50 pm-ko^[1] (50*10^-12m) bereizmena lortu dezakete, praktikan x10.000.000 inguruko irudi handiagotze batera itzultzen dena. Abantaila guzti hauek, mikroskopio optiko batekin alderatuz, elektroiaren uhin luzera argiarena baino 100.000 aldiz txikiagoa izan daitekeelako daude justifikatuta.

Mikroskopio mota hauek ikerkuntzan: mikroorganismoak, zelulak, molekula handiak, metalak, kristalak... ikertzeko erabiltzen dira eta industrian: oso txikiak diren produktuen kalitate kontrol edo hutsegite probak egiteko.

Historia

Lehen lente elektromagnetikoa asmatu ondoren (1926), elektroiekin zebilen mikroskopioen ideia esnatu zen. 1931. urtean Ernst Ruska fisikariak eta Max Knoll ingeniari elektrikoak x400eko irudi handitzea zuen mikroskopio elektronikoaren prototipo bat aurkeztu zuten.^[2] Bi urte geroago, mikroskopio optikoek lortu zezaketen handiagotze maila maximoa gainditzen zuen mikroskopio elektroniko bat eraiki zuen Ernst Ruskak.^[2] Merkatuko lehen mikroskopio elektronikoa 1938an aurkeztu zen.^[3]

1931an, Siemens enpresak mikroskopio elektronikoa patentatu zuen nahiz eta ikerkuntzarik ez zuen egin eta, 1937an, Ruska eta von Borries ordaindu zituen mikroskopio honen garapena egiteko. Gainera Ruskaren anaia kontratatu zuten zeregin biologikoetan sakontzeko. Horren ostean, 1939an lehen mikroskopio komertziala merkaturatu zuten.

1937. urtean beste mikroskopio mota bat asmatu zuen Manfred von Ardenne fisikariak, eskaneatze mikroskopio elektronikoa, alegia.^[4]

Gaur egun eraikitzen diren transmisio mikroskopio elektronikoak oraindik ere Ruskaren prototipo hartan oinarrituta daude.

Funtzionamendua

Elektroi eta materiaren arteko elkar eragitearen ondorioz sortutako seinaleak ilustratzen dituen diagrama.

Mikroskopio elektroniko batean elektroi kanoi batek milioika elektroi segundoko igortzen ditu energia zinetiko jakin batekin, elektroien korronte hau elektroiek osatutako izpi bezala uler daiteke. Elektroi kanoiaren zehaztasuna ez denez nahikoa, elektroien izpia lente elektrostatiko eta lente elektromagnetiko berezi batzuen zehar igarotze da non elektroien fluxuaren norabidea fokatzen da. Fokatutako izpi hau aztertu beharreko laginaren aurka proiektatzen da, elektroi askok lagina arazorik gabe zeharkatzen dute, baina beste askok haien norabidea zeharo aldatzen dute, fenomeno honetatik laginaren morfologiaren gaineko informazioa lortu daiteke. Honetaz gain, elektroi batzuek laginarekin talka egiterakoan mekanismo askoren eraginez energia galduko dute, energia hau detekta daitezken seinale bezala igortzen da (adibidez x izpiak) eta laginari buruzko informazio gehigarria eman dezakete, informazio iturri hauei esker laginaren topologia eta konposaketa sakonki azter daiteke.

Motak

Transmisio mikroskopio elektronikoa (TEM)

TEM motako mikroskopioen funtzionamendua

TEM-ek aztertu nahi den objetua zeharkatu duten elektroiak detektatzen ditu. Hau da, elektroiak azeleratu eta bideratu ostean, gorputzarekin egiten dute talka. Talkaren ondorioz, elektroiek gorputza modifikatzen dute. Errezeptoreak aldaketa hori neurtu eta datu horrekin irudia sortzen dute. Irudiaren bereizmena aberrazio esferikoak, astigmatismoaren antzeko efektuak, mugatzen du. Hala ere, badaude "hardware bidezko zuzenketa" deritzen teknikak, irudiaren bereizmena 50 pikometrotara jaitsi dutenak. Detektatutako elektroiek lagina zeharkatu dutenez, haren barne-egiturari buruzko informazioa dute. Hau dela eta, ez da gainazaleko irudirik lortzen baina plano desberdinetan laginak dituen egiturak ikusten dira.

Mota honetako mikroskopioek desabantaila nagusi bat dute. Elektroiek gorputza zeharkatu behar dutenez, derrigorrezkoa da objetu horiek lodiera oso txikia edukitzea (gehienez 100 nanometro). Fintasun hori lortzeko, laginak deshidratatu, kimikoki tratatu eta erretxinan bainatu behar dira, aztertze-prozesua garestituz. Bestalde, TEM-ek bakarrik lor ditzakete bi dimentsiotako irudiak.

Eskaneatze mikroskopio elektronikoa (SEM)

SEM motako mikroskopioen funtzionamendua

SEM-ek aztertu nahi den objetuarekin talka egiten duten elektroien energia galera detektatzen du. Galera hau beroan edo frekuentzia baxuko uhinetan eman daiteke, besteak beste. Mota honetako mikroskopio elektronikoak erabiliz, gorputzak ez dute zertan izan hain finak, izan ere, zentimetro gutxi batzutara ere hel daiteke aztertu behar den objetuaren lodiera. Gainera, hiru dimentsiotako irudiak sor ditzake.

Hala ere, baditu desabantaila batzuk, nagusiena TEM-ek baino bereizmen eskasagoa dutela izanik. Hala ere ez dute aberrazio esferikoa pairatzen.

Islapen mikroskopio elektronikoa (REM):

TEM-aren antzeko mekanismoa erabiltzen du, desberdintasun txiki batekin. Hauek, elastikoki sakabanatutako elektroiak detektatzen ditu, energia zinetikoa oreka zentroan mantendu baina norabidez aldazen dutenak.

Eskaneatze-transmisio mikroskopio elektronikoa (STEM):

Irudia sortzeko "Annular dark-field imaging" izeneko teknika bat erabiltzen dute.

Desabantailak

Mikroskopio elektronikoen desabantailarik handiena, honelako bat eraikitzea eta mantentzearen prezioan dago. Prezioa desabantaila txikia ez balitz, ezin daiteke mikroskopio elektronikoa edozein mediotan erabili. Mikroskopioa dagoen eraikina oso egonkorra izan behar da (askotan lur azpian muntatzen dira mikroskopioak) eta kanpoko eremu magnetikoetatik islatuta egon behar da.

Mikroskopio motaren arabera laginaren tamaina oso txikia izan behar da eta askotan hutsean egin behar da laginaren azterketa, bestela elektroiak seinale faltsuak igorriko zituzten oxigeno molekulekin talka egiterakoan.

Eskaneatze mikroskopio elektronikoa hutsean erabiltzean, aztertzen diren laginak eroale elektrikoak izan behar dute, beraz eroaleak ez diren laginak metalezko geruza mehe batez (urrea, platinoa, karbonoa ...) estali behar dira azterketarako.

Laginen prestaketa

Lagin motak eta lagin tamaina

Mikroskopio elektronikoaren bidez ikertu daitezkeen laginak sei taldetan sailkatu daitezke: metalak, material ez-organikoak (material zeramikoak, arroka eta mineralak, gailu mikroelektronikoak edo fosilak), material organikoak (material naturalak, zuntzak edo janariak esate baterako), polimero organikoak, organismo eta material biologikoak eta lagin hezeak. Bakoitzarentzat prestaketa ezberdina izan daiteke. Laginak ekipoaren arabera prestatu behar dira. Orokorrean, SEM-an TEM-an baino lagin handiagoak kargatzea da posible. Laginaren tamaina egokia zein den definitzea zaila da: handiegia bada ez da ikergarria izango eta txikiegia bada lagin hori adierazgarria ez izatea gerta daiteke. Gainera, batzuetan ez da erraza laginaren tamaina egokitzea, adibidez arroka bat ikertzerakoan.

Laginen eraldaketa

Hasteko laginen esposizioa hobetu behar da, hau da, ikusi nahi den atala azaleratu mikroskopioaren bidez irudi ahalik eta argiena lortzeko. Metaletan, zerrekin leundu egiten da gainazala eta analisi kimikorik egingo ez bada leunketa kimikoa azido edo baseekin egin daiteke ere bai. Lagin inorganiko lehorretarako prozedura berdina bete daiteke, baina kontuan hartu behar da hauek hauskorragoak direla eta aplikatutako indar mekanikoak leunagoak izan behar direla. Material organikoaren esposizioa hobetzeko gainazala moztu daiteke laban batekin, baina tratamendu kimikoa ezin da erabili lagin hauek oso sentikorrak direlako. Prozedura antzekoa da polimero organikoentzat baina hauek gogortasun handiagoa izan dezakete. Lagin biologikoak orokorrean egonkortu behar dira erretxinen bidez, baina mozteko errazak dira.

Lagin hezeek arazo handiagoak aurkezten dituzte: lagin hauek zuzenean neurtzeko euskarri sekundario bereziak behar izango dituzte, zeinak baporea askatzeko gai diren. Bestela, lagin hauek deshidratatzea da posible, baina lehortze prozedurek gatzen kristalizazioa eta presio osmotikoaren aldaketak sor dezakete. Teknika erabilienak honetarako aire bidezko lehorketa eta deshidratazio kimikoa dira. Azken honetan ura konposatu organiko batekin erreakzionarazten da likido organiko bat lortzeko eta honela ura eliminatzeko.

Aipatzekoa da lagina aurretiaz garbitu behar dela gainazalean erantsita geratzen diren gantzak eliminatzeko. Berriz ere, metalak eta lagin inorganikoak kimikoki tratatzea posible da detergente eta disolbatzaile organikoekin. Beste laginak, zeinak sentikorragoak diren, aire korronteak, mikro-aspiragailuak eta ura erabiliz garbitzen dira.

Gainazalean sor daitezkeen karga estatikoak eliminatu behar dira, laginera zuzendutako elektroiak laginaren gainazalean mugitzea ahalbidetuz. Horretarako laginaren gainazala elektrikoki eroankorra egin behar da, geruza metaliko bat erantsiz edo baldintza esperimentalak aldatuz karga gutxiago sortzeko gainazalean.

Laginen kokapena

Laginak mikroskopioan eutsita geratzea garrantzitsua da, analisian zehar momentu oro orientazio egokian egon dadin. Kontuan hartu behar da analisian sortzen den elektrizitate estatikoa eliminatzeko euskarri eroaleak erabili behar direla. Beraz, soilik eroankortasun elektriko altuko laginak, hots, metalikoak, ikertu ahal izango dira mikroskopio elektronikoz euskarririk gabe. Euskarrien artean bi mota daude: primarioak eta sekundarioak. Primarioak euskarri metalikoak dira, aluminio edo aluminio-aleazioz egindakoak, elektrizitatea eroateko diseinatuta daudenak. Euskarri hauek ez dira beti lagina eusteko egokiak eta kasu hauetan euskarri sekundarioak erabili behar dira: hauek egitura bereziak dituzte euskarri primarioekin lotzeko eta hauen erabilpena laginaren itxurarekin erlazio hurbilagoa du. Adibidez, partikulak ikusteko polimero edo beira xafletan eusten dira, edo material biopsiatua ikertzeko barrunbe hutseko orratzak erabiltzen dira.

Aplikazioak

Zirkuitu integratuetan: zirkuitu integratuen azterketa mikroskopio elektronikoaren bidez egiten da, eremu elektrikoak elektroien noranzkoa aldatzen dute. Ondorioz, zirkuitu integratuko elementuen potentziala ikus daiteke mikroskopio elektronikoarekin.
Kalitate kontrolerako: eremu honetan mikroskopio elektronikoak oso erabilia dira, ekoizten diren produktuak bete behar dituzten kalitate arauak aztertzeko, eta ea erabiltzeko prest dauden jakiteko.
Odontologian: mikroskopio elektronikoak alor honetan aplikazio ugari ditu. Adibidez, esmaltearen egoera aztertzeko oso eraginkorra da eta baita ahoko gaixotasunak aurkitzeko ere erabil daiteke.
Geologian: geologian dituen aplikazioak ugariak dira; adibidez mineralen azterketan, mineralen purutasuna neurtzeko eta hauen egitura atomikoa hobeto ikusteko.
Toxikologian: mikroskopio elektronikoei esker hobeto ikus daitezke toxinak, bereizmen handiagorekin ikusten baitira, era eraginkorragoan aztertuak izatea ahalbidetzen duena.
Metalurgian: batez ere, materialen irmotasuna neurtzen da; hau da, materialek zenbat indar jasan dezaketen apurtu arte.
Arkeologian: mikroskopio elektronikoak antzinako objektuak aztertzeko eta bere garaia hobeto zehazteko erabiltzen dira, eta fosiletan berriz, egitura atomikoa ikusteko.
Medikuntzan: izakien zelulak garbiago aztertu ahal dira, beraien portaerak aztertzeko oso baliagarriak bihurtuz mikroskopio hauek.
Kimikan: mikroskopio elektronikoarekin hainbat osagai kimikoen egitura ikus daiteke, eta beraz haien izaera eta beste elementuekin eratzen dituzten erreakzioak aztertzea errazago bihurtzen da.
Faltsutzeetan: mikroskopio elektrikoarekin hainbat faltsutze detektatu ahal dira, hala nola, artelanak, edota beste edozein eratako artikuluak.

Erreferentziak

↑ (Ingelesez) Erni, Rolf; Rossell, MD; Kisielowski, C; Dahmen, U (2009). "Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe". Physical Review Letters. 102 (9): 096101. Bibcode:2009PhRvL.102i6101E. doi:10.1103/PhysRevLett.102.096101. PMID 19392535.
↑ ^a ^b (Ingelesez) Ruska, Ernst (1986). "Ernst Ruska Autobiography". Nobel Foundation.
↑ (Ingelesez) http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/ElectronMicroscope/EM_HistOverview.htm
↑ (Alemanez) von Ardenne, M; Beischer, D (1940). "Untersuchung von metalloxyd-rauchen mit dem universal-elektronenmikroskop". Zeitschrift Electrochemie. 46: 270–277. doi:10.1002/bbpc.19400460406.

Ikus, gainera

Mikroskopio

Kanpo estekak

Datuak: Q132560
Multimedia: Electron microscopes / Q132560

[1] (Ingelesez) Erni, Rolf; Rossell, MD; Kisielowski, C; Dahmen, U (2009). "Atomic-Resolution Imaging with a Sub-50-pm Electron Probe". Physical Review Letters. 102 (9): 096101. Bibcode:2009PhRvL.102i6101E. doi:10.1103/PhysRevLett.102.096101. PMID 19392535.

[RuskaAutobiography-2] (Ingelesez) Ruska, Ernst (1986). "Ernst Ruska Autobiography". Nobel Foundation.

[3] (Ingelesez) http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/ElectronMicroscope/EM_HistOverview.htm

[4] (Alemanez) von Ardenne, M; Beischer, D (1940). "Untersuchung von metalloxyd-rauchen mit dem universal-elektronenmikroskop". Zeitschrift Electrochemie. 46: 270–277. doi:10.1002/bbpc.19400460406.

[1]

[2]

[3]

[4]