Mikroskop elektronowy – mędrca szkiełko i uzbrojone oko

0
10
Wirus polio

Mikroskop optyczny odsłonił świat w skali niedostępnej ludzkiemu spojrzeniu. Jednak choć mógł powiększać nawet tysiąckrotnie, było to wciąż zbyt mało aby badać struktury na poziomie komórek czy wirusów. Przyczyną była tu ograniczona rozdzielczość optyki związana z dyfrakcją światła, która powoduje że dwa sąsiednie punkty stają się nierozróżnialne gdy odległość między nimi zbliża się do długości fali świetlnej. Ograniczenie to można pokonać stosując inny rodzaj promieniowania.

Pomysł wykorzystania strumienia elektronów

Gdy pod koniec XIX wieku odkryto elektrony, powstał pomysł aby zajrzeć w głąb materii z wykorzystaniem znacznie krótszej fali niż w przypadku światła optycznego. Powstało urządzenie wykorzystujące w ramach obrazowania wiązkę elektronów pozwalającą badać rzeczywistość na poziomie atomowym. Rozdzielczość mikroskopu stała się zależna od energii elektronów – wyższe energie przenoszą bowiem krótsze fale.

Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przez Einsteina (1905) wskazało na istnienie fotonów – cząstek światła, które ujawniło w ten sposób swoją dualistyczną, falowo-korpuskularną naturę. W roku 1924 Louis de Broglie zaryzykował tezę w ramach której wszystkie cząstki elementarne miały cechować ów dualizm. Fala, która je reprezentowała miała mieć długość zależną od pędu danej cząstki. Fotony charakteryzowały się niewielkim pędem i dlatego długość fali z nimi skorelowanej była stosunkowo duża. Elektrony posiadały znacznie większy pęd, przez co fala je reprezentująca miała mniejszą długość. Wykorzystując wiązkę elektronów teoretycznie można było zajrzeć głębiej.

Ernst Ruska i jego prototyp

Ernst Ruska i fragment kolumny mikroskopu elektronowego

Prototyp elektronowego mikroskopu transmisyjnego powstał w 1931 roku. Jego konstruktorem był Ernst Ruska, wówczas świeży absolwent Politechniki Berlińskiej. W projekcie zrealizowanym wspólnie z Maksem Knollem wykorzystał cewkę magnetyczną działającą w roli soczewki elektronowej. W kolejnych latach doskonalił projekt wykorzystując serię kilku cewek do budowy coraz bardziej funkcjonalnego urządzenia. Za swoje dokonania w dziedzinie optyki elektronowej uhonorowany został w 1986 roku nagrodą Nobla.

Projekt Rudenberga 

Równolegle do prac Ruska rodziły się opracowania Reinholda Rudenberga, który motywowany chorobą swego syna starał się odkryć świat wirusów. Również w 1931 roku, pracodawca Rudenberga, niemiecki Siemens AG, opatentował jego pomysł wykorzystania wiązki elektronów soczewkowanych elektrostatycznie zamiast klasycznego promieniowania świetlnego w ramach obrazowania optycznego. 

Pod banderą Siemensa

Gdy w roku 1937 Ernst Ruska znalazł zatrudnienie w Siemensie siły naukowców zostały połączone. Ruska wykorzystał patenty Siemensa i w 1939 roku zaprezentowany został w pełni działający mikroskop elektronowy. Efektem jego działania była prezentacja pierwszych obrazów przedstawiających budowę wirusów. 

Choć prototyp zaprojektowany przez Ruska miał jeszcze powiększenie mniejsze od ówczesnych mikroskopów optycznych, branża obrazowania elektronowego bardzo szybko zaczęła się rozwijać. Zaraz po zakończeniu wojny pojawiły się konstrukcje oferujące obrazowanie na poziomie 100 000 razy.  

Budowa i działanie

Jeden z wczesnych mikroskopów elektronowych

Stworzony w latach trzydziestych mikroskop był modelem transmisyjnym. W mikroskopach tego typu analizowany i obrazowany jest jednocześnie duży obszar powierzchni preparatu (w przeciwieństwie do mikroskopów skaningowych, gdzie analiza dotyczy punktowego obszaru, a obrazowanie następuje w wyniku syntezy informacji ze wszystkich skanowanych sektorów).

Mikroskop transmisyjny zbudowany został z trzech podstawowych modułów – katodowego działka elektronowego, przedziału zawierającego próbkę oraz zespołu soczewek elektromagnetycznych sterujących wiązką elektronów. Próbka musi mieć tu strukturę bardzo cienkiego plasterka, jej właściwe przygotowanie jest niezwykle trudne i ogranicza zakres skanowania. Wiązka elektronów rozpędzona zostaje pomiędzy katodą i anodą uzyskując energię zależną od napięcia pomiędzy elektrodami. Wzrost tego napięcia pozwala na zwiększenie pędu elektronów, z przez to zmniejsza długości fali.

Wystrzelone z katody elektrony przenikają badaną próbkę zbierając dane na temat jej struktury. Elektromagnetyczne soczewki pełnią tutaj tę samą rolę jak optyka tradycyjnego mikroskopu – mają skupiać wiązkę elektronów, tak jak soczewka optyczna skupia wiązkę światła. W mikroskopie transmisyjnym występują soczewki: kształtujące wiązkę (kondensorowe), skupiające wiązkę (obiektywowe) i przesyłające obraz na ekran lub inny rodzaj rejestratora (projekcyjne). Uznawane są za kluczowy element urządzenia. Wiązka elektronów kształtowana jest przez soczewki kondensora i soczewki obiektywu. Ważną właściwością soczewek elektromagnetycznych jest możliwość zmiany ich “ogniskowych” poprzez regulację natężenia prądu przez nie płynącego. Odpowiedni układ tych soczewek umożliwia także kontrolę zbieżności wiązki – szerokie wiązki wykorzystywane są w mikroskopii transmisyjnej, wiązki skupione w urządzeniach skaningowych.

Zebrane przez wiązkę informacje przesyłane są do zespołu zapisującego – obraz jest wyświetlany na ekranie (w pionierskich konstrukcjach był on elektronoluminescencyjny) albo fotografowany (współcześnie na ogół przesyłany jest do pamięci komputera albo wykorzystywane są detektory w postaci matryc CCD). Całość konstrukcji zamknięta jest w tzw. kolumnie mikroskopu gdzie w ramach prawidłowego działania musi zostać zachowana próżnia.

Doniosłość wynalazku

Mikroskopy elektronowe wykorzystywane są praktycznie we wszystkich dziedzinach nauki. Zastosowanie znalazły m.in. podczas badania preparatów biologicznych, wiązań chemicznych, analizy struktury materiałów, ilości i rodzaju pierwiastków chemicznych, i choć nie miały takiego oddźwięku społecznego jak inne nowatorskie urządzenia, przez wielu ekspertów uznawane są za największy wynalazek XX wieku. Mędrca szkiełko stało się nad wyraz wysublimowane. 

0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments