Um microscópio eletrônico (EM) é um tipo de microscópio que usa um feixe de elétrons para iluminar uma amostra e criar uma imagem bastante ampliada. Foi inventado em 1931 por engenheiros alemães. Os microscópios eletrônicos têm maior poder de resolução do que os microscópios ópticos que usam radiação eletromagnética visível . Eles podem obter ampliaçõesmuito maior até 2 milhões de vezes, enquanto os melhores microscópios ópticos são limitados a uma ampliação de 2.000 vezes. Esses dois tipos de microscópios têm uma resolução limitada, ditada pelo comprimento de onda da radiação que usam. A maior resolução e ampliação do microscópio eletrônico se deve ao fato de que o comprimento de onda De Broglie de um elétron é muito menor do que o comprimento de onda de um fóton de luz visível.
O microscópio eletrônico usa lentes eletrostáticas e eletromagnéticas para formar a imagem, controlando o feixe de elétrons e para fazê-lo convergir em um plano específico em relação à amostra. O princípio é semelhante ao do microscópio óptico, que usa lentes de vidro para focar a luz na amostra ou através dela para formar uma imagem.
Seguindo as elaborações teóricas de Louis de Broglie em 1923, foi possível provar em 1926 que campos magnéticos ou eletrostáticos poderiam ser usados como lentes para feixes de elétrons.
O primeiro protótipo de microscópio eletrônico foi construído em 1931 pelos engenheiros alemães Ernst Ruska e Max Knoll . Esse primeiro instrumento ampliou objetos quatrocentas vezes, no máximo. Dois anos depois, Russjai construiu um microscópio eletrônico que ultrapassava a resolução possível de um microscópio óptico. Reinhold Rudenberg , diretor científico da Siemens , patenteou o microscópio eletrônico em 1931 , estimulado por uma doença na família, para tornar visível o vírus da poliomielite. Em 1937, a Siemens começou a financiar Ruska e Bodo von Borries para desenvolver um microscópio eletrônico. A Siemens também contratou o irmão de Helmut Ruska para trabalhar em aplicações, principalmente com espécimes biológicos.
Durante a mesma década, Manfred von Ardenne começou sua pesquisa com o microscópio eletrônico de varredura e seu microscópio eletrônico universal. A Siemens produziu o primeiro microscópio eletrônico disponível comercialmente em 1938. O primeiro microscópio eletrônico dos Estados Unidos foi construído na Universidade de Toronto em 1938 por Eli Franklin Burton (em) e os alunos Cecil Hall , James Hillier e Albert Prebus . O primeiro microscópio eletrônico de transmissão foi construído pela Siemens em 1939. A realização de um microscópio eletrônico de alta resolução só foi possível depois da invenção do estigmador por Hillier, em 1946, nos laboratórios da RCA. Embora os microscópios eletrônicos modernos possam ampliar objetos em até dois milhões de vezes, eles ainda são baseados no protótipo de Ruska. O microscópio eletrônico é parte essencial do equipamento de muitos laboratórios. Os pesquisadores os usam para examinar materiais biológicos (como microrganismos e células ), uma ampla variedade de moléculas , amostras de biópsia médica, metais e estruturas de cristal e características de diferentes superfícies. O microscópio eletrônico também é amplamente utilizado para inspeção, garantia de qualidade e análise de falhas de aplicações na indústria, incluindo, mas não se limitando a, fabricação de dispositivos semicondutores .
A forma original do microscópio eletrônico, o microscópio eletrônico de transmissão (TEM), usa o tungstênio como o cátodo da fonte de elétrons . O feixe de elétrons é acelerado por um ânodo geralmente a 100 keV (40 a 400 keV) em relação ao cátodo , concentrado por lentes eletrostáticas e eletromagnéticas, e transmitido ao alvo que é parcialmente transparente para os elétrons e em partes os espalha. Quando emerge da amostra, o feixe de elétrons carrega informações sobre a estrutura da amostra, que é amplificada pelo sistema de lentes da objetiva do microscópio. A variação espacial desta informação (a "imagem") é vista projetando a imagem eletrônica ampliada em um cintilador , como sulfeto de zinco ou fósforo . A imagem pode ser gravada fotograficamente expondo um filme ou placa fotográfica diretamente no feixe de elétrons ou uma placa de fósforo de alta resolução pode ser acoplada por meio de um sistema óptico ou uma fibra óptica ao sensor de uma câmera CCD ( Charge-Coupled Device ) . A imagem detectada pelo CCD pode ser exibida em um monitor ou direcionada a um computador.
A resolução é limitada principalmente pela aberração esférica , mas uma nova geração de corretores esféricos aumenta a resolução. O software de correção de aberração esférica para TEM de alta resolução (HRTEM) permitiu a produção de imagens com resolução suficiente para mostrar os átomos de carbono em diamantes, separados por apenas 0,89 ångström (89 picômetros ) e átomos de silício a 0,78 ångström (78 picômetros) a 50 aumento de milhões de vezes. A capacidade de determinar a posição de átomos em materiais fez do HRTEM uma ferramenta importante para pesquisa e desenvolvimento em nanotecnologia .
Ao contrário do TEM, onde o feixe de elétrons de alta voltagem carrega a imagem da amostra, o feixe de elétrons do microscópio eletrônico de varredura (SEM) não pode fornecer uma imagem em nenhum momento. O SEM produz imagens sondando a amostra com um feixe de elétrons, focalizado, é analisado em uma área retangular da amostra ( varredura raster (in) ). Em cada ponto da amostra, o feixe de elétrons incidente perde energia. Essa perda de energia é convertida em outras formas, como calor, emissão de elétrons secundários de baixa energia, emissão de luz ( catodoluminescência ) ou emissão de raios-X . O display SEM representa a intensidade variável de um desses sinais na imagem, em uma posição correspondente à posição do feixe na amostra quando o sinal foi gerado. Na imagem da formiga à direita, a imagem foi construída a partir de sinais produzidos por um detector de elétrons secundário, o modo de imagem convencional normal da maioria dos SEMs.
Normalmente, a resolução da imagem de um SEM é cerca de uma ordem de magnitude menor do que a de um TEM. No entanto, como a imagem SEM depende de processos de superfície ao invés de transmissão, ela é capaz de fornecer imagens de objetos de até vários centímetros com uma grande profundidade de campo, dependendo do design e configuração da câmera. Instrumento, e assim pode produzir imagens que são uma boa representação tridimensional da estrutura da amostra.
No microscópio eletrônico de reflexão , como no microscópio eletrônico de transmissão, um feixe de elétrons incide sobre uma superfície, mas, em vez de usar elétrons de transmissão (TEM) ou secundários (SEM), são os elétrons refletidos do feixe, dispersos pela elasticidade, que é detectou. Esta técnica é comumente associada com Difração de Elétrons de Alta Energia de Reflexão (RHEED) e Reflexão de Espectro de Perda de Alta Energia (RHELS). Outra variação é a Microscopia Eletrônica de Baixa Energia Spin-Polarizada (SPLEEM), que é usada para observar a microestrutura de domínios magnéticos.
O microscópio eletrônico de transmissão de varredura (MEBT, ou STEM para microscopia eletrônica de transmissão de varredura ) é um tipo de modelo cujo princípio operacional combina certos aspectos do microscópio eletrônico de varredura e do microscópio eletrônico de transmissão. Uma fonte de elétrons focaliza um feixe de elétrons que passa pela amostra. Um sistema de lentes magnéticas permite que este feixe varra a superfície da amostra a ser analisada.
Os materiais destinados a serem visualizados em um microscópio eletrônico podem exigir processamento para produzir uma amostra adequada. A técnica necessária varia dependendo do modelo e da análise necessária:
Os microscópios eletrônicos são caros para construir e manter, mas os custos de fabricação e operação dos sistemas de microscopia confocal agora excedem os dos microscópios eletrônicos básicos. Os microscópios eletrônicos são dinâmicos em vez de estáticos em sua operação, exigindo o fornecimento de alta tensão muito estável, correntes extremamente estáveis para cada bobina / lente eletromagnética, bombeamento contínuo de vácuo ou ultra-vácuo e resfriamento por circulação de água, lentes e bombas. Por serem muito sensíveis a vibrações e campos magnéticos externos, os microscópios, para permitir resoluções maiores, devem ser alojados em edifícios estáveis (às vezes subterrâneos), com sistemas especiais, como sistemas de cancelamento de campo magnético. Alguns microscópios eletrônicos de mesa de baixa voltagem têm recursos de MET de voltagem muito baixa (cerca de 5kV), sem voltagem de alimentação estrita, água de resfriamento ou isolamento de vibração. Eles são muito mais baratos de comprar e muito mais fáceis de instalar e manter, mas não têm a mesma resolução ultra-alta (escala atômica) que os instrumentos maiores.
As amostras geralmente devem ser examinadas no vácuo porque as moléculas que compõem o ar espalham elétrons. Uma exceção é o microscópio eletrônico de varredura ambiental, que permite que amostras hidratadas sejam observadas em baixa pressão (até 2,7 kPa) em um ambiente úmido. Os microscópios eletrônicos de varredura são geralmente mais eficientes para materiais semicondutores ou condutores, mas os materiais não condutores podem ser processados por microscópios eletrônicos de varredura ambientais. Uma técnica de preparação é revestir a amostra com uma camada de alguns nanômetros de material condutor, como ouro, de uma máquina de pulverização catódica, mas esse processo pode perturbar amostras delicadas.
Espécimes pequenos e estáveis, como nanotubos de carbono , frústulas de diatomáceas e pequenos cristais de minerais ( por exemplo, fibras de amianto ) não requerem tratamento especial antes de serem examinados ao microscópio eletrônico. Em relação às amostras de materiais hidratados, quase todos os espécimes biológicos devem ser preparados de várias formas para estabilizá-los, reduzir sua espessura (cortes ultrafinos) e aumentar seu contraste (coloração). Esses processos podem levar a artefatos , mas geralmente podem ser identificados pela comparação dos resultados obtidos por meio de métodos de preparação radicalmente diferentes. Os cientistas que trabalham no campo geralmente acreditam, depois de comparar os resultados de diferentes técnicas de preparação, que não há razão para que todos eles produzam artefatos semelhantes e que, portanto, é razoável acreditar que as imagens fornecidas pela microscopia eletrônica correspondem à realidade da vida células. Além disso, resultados de maior resolução foram diretamente comparados aos resultados da cristalografia com raios-X , fornecendo confirmação independente da validade desta técnica. Desde a década de 1980 , a análise de espécimes congelados ou vitrificados também passou a ser cada vez mais utilizada por cientistas, que confirmam a validade dessa técnica.