Elektronová mikroskopie
Elektronová, protože místo záření fotonů používá záření elektronů. Elektromagnetické vlnění elektronů má řádově nižší vlnovou délku než vlnění fotonů (550 nm bílé světlo versus 0,004 nm elektronové záření), proto poskytuje mnohem vyšší rozlišení (reálně 0,1 nm vs. 200 nm). Elektrony jsou emitovány katodou a převáděny na viditelný obraz na fluorescenčním stínítku podobně jako u televizoru. Zaostřování probíhá „čočkami“, kterými jsou výkonné elektromagnety. Preparát musí být „obarven“ atomy těžkých kovů, které pohlcují elektrony. Pokud je některá struktura obarvena víc, a některá méně, vznikne na stínítku obrázek s různými stupni šedi.
Transmisní elektronová mikroskopie (TEM)
Transmise = elektrony procházejí velmi tenkým řezem tkáně.
Prozařovací elektronový mikroskop je optický přístroj, který místo světelného svazku používá elektrickým polem urychlené elektrony a místo skleněných čoček jsou použity elektromagnetické čočky. Dráha pohybujících se elektronů je ovlivněna magnetickým polem stejně jako světelný paprsek skleněnými čočkami. Obraz v elektronovém mikroskopu je pozorován na luminiscenčním stínítku nebo snímán kamerou. Aby nedocházelo k interakcím elektronů s atmosférou, je celý systém umístěn ve vakuu. Protože mezní rozlišovací schopnost (viz též Rozlišení mikroskopu) mikroskopu je úměrná vlnové délce použitého záření, umožňuje elektronové záření s podstatně kratší vlnovou délkou než má viditelné světlo dosáhnout mnohem vyšší rozlišovací schopnosti.
Vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí mikroskopu. U komerčně vyráběných mikroskopů se používá urychlovacího napětí od 100 do 400 kV, vlnová délka elektronů je pak 3,7·10-3 nm pro 100 kV a 1,6·10-3 nm pro 400 kV, zatímco vlnová délka viditelného světla je 400 - 750 nm. Rozdíl je až 5 řádů!
První pokusy s prozařovacím elektronovým mikroskopem, ale i jeho úspěšnou realizaci v roce 1931 uskutečnil německý vědec Ernest Ruska. Za svůj objev získal v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku
Prozařovací elektronový mikroskop může poskytnout komplexní informaci o mikrostruktuře , krystalografii, chemickém složení, ale i o dalších vlastnostech zkoumaného vzorku. Záleží na tom, jakou informaci pocházející z interakce elektronového svazku se zkoumaným vzorkem využijeme.
Obr.Interakce svazku elektronů s pevnou látkou a její typické odezvy. E0 je energie primárních elektronů, ΔE je charakteristická ztráta, Θ je Braggův úhel.
Při dopadu elektronů na vzorek dochází k různým typům interakcí. V prozařovací elektronové mikroskopii se využívá hlavně pružného, téměř pružného a nepružného rozptylu.
- Při pružném rozptylu se mění směr pohybu elektronů, ale nemění se jeho energie. Odchylky velké většiny pružně rozptýlených elektronů od původního směru jsou velké. Při téměř pružném rozptylu se mění směr pohybu i energie, změna energie je malá, několik setin eV.
- Při nepružném rozptylu je změna energie značná, naproti tomu změna směru poměrně malá, většina jich projde clonou v objektivu.
Urychlené elektrony dopadající na krystalickou látku jsou rozptylovány jednotlivými atomy mřížky. Difrakci na krystalových rovinách studoval Bragg. Zákon, který stanovil pro rentgenové paprsky, platí i pro elektrony urychlené v elektronovém mikroskopu
n ×· λ = 2d × sin Θ
kde n je celé číslo, λ je vlnová délka primárních elektronů, d je mezirovinná vzdálenost, Θ je úhel rozptylu (Braggův úhel).
V prozařovací elektronové mikroskopii se obvykle používají tenké vzorky o tloušťce 10 - 500 nm. Pro elektrony difraktující na takto tenkých vzorcích neplatí Braggův zákon zcela přesně, určuje však směr, v němž je difraktovaná intenzita maximální. Braggovy úhly pro elektrony jsou malé, přibližně 1°.
Nepružný rozptyl se řídí poměrně složitými mechanismy. Hlavním efektem nepružného rozptylu je ztráta energie primárních elektronů. Ztráta je způsobena excitací některého z elektronů v atomové slupce do energeticky vyššího stavu. Aby celková energie zůstala zachována, musí primární elektron energii ztratit. Tato ztráta je charakteristická jak pro daný prvek, tak pro jeho chemickou vazbu. Primární elektron může ztratit energii na všech diskrétních úrovních elektronového obalu. Daný prvek či sloučenina jsou pak charakterizovány přesně definovanými píky v energetickém spektru prošlých elektronů. Rozdělení prošlých elektronů v závislosti na jejich energii se provede magnetickým analyzátorem (někdy zvaným magnetický hranol), který je schematicky zobrazen na obr..
Obr.: Schéma magnetického spektrometru
Elektrony jsou v něm zakřiveny magnetickým polem analyzátoru v závislosti na energii. Na výstupu se získá energetické spektrum, které je zaznamenáno pomocí kamery a digitálně zpracováno. Vyhodnocením spektra získáme informace o chemickém složení zkoumané oblasti.
Další možností je využití energetického spektra elektronů k tvorbě chemického obrazu, tzv. chemického mapování . Pomocí clony jsou vybrány elektrony určité energie a ty jsou užitím přídavného optického systému promítnuty a tvoří obraz pozorované oblasti. V místech zvýšené intenzity je přítomen prvek, jehož charakteristická energetická ztráta byla clonou vybrána.
Rastrovací mikroskop (Tandem Scanning Microscope, TSM) patentovali v roce 1966 Petráň a Hadravský. Jejich mikroskop byl první komerčně využitý rastrovací mikroskop na světě.
Optický rastrovací mikroskop (TSM) je specifický v tom, že umožňuje vidět věci, dosud přímo neviditelné: živé buňky a jejich součásti u živočichů i rostlin, strukturu živých kostí a zubů, mikrofosílie v nepřekonatelném rozlišení do hloubky závisející na průhlednosti předmětu.
Pricip fungování TSM je jednoduchý: zaostřená předmětová rovina je osvětlována jenom v několika bodech. Světelný odraz od předmětové roviny přechází do obrazové roviny, kde světlo z osvětlených bodů prochází geometricky odpovídajicími otvory řádkujícího kotouče. Skoro všechno světlo rozptýlené a odražené v nezaostřených vrstvách předmětu je zachyceno řádkujícím kotoučem.
V součastnosti získané zkušenosti ukazují neohraničené možnosti pro použití TSM v různých vědeckých oborech, ve výzkumu, ale taky v průmyslu např.: lékařský výzkum, klinická praxe, buněčná biologie, botanika, zoologie, cytologie, histologie, patologie, paleontologie, geologie, materiálový výzkum, polovodoče, petrochemický průmysl, potravinářský průmysl, stomatologie, ortopedie, chemie, konstrukce materialů, keramické a sklářské technologie, historie umění, kosmetika, neurologie, oftalmologie atd.
Další informace
Jaroslava Vávrová
.