Velkjente ting ser nesten fremmede ut når de blir observert med elektronmikroskop. Her er varianter av pollen.
Elektronmikroskop er en fellesbetegnelse for mikroskop som «belyser» objektet som studeres med elektroner i stedet for lys og som kan gi meget store forstørrelser.
Bølgelengden for elektroner er om lag 1/100 000 av bølgelengden for synlig lys. Siden oppløsningsevnen for en mikroskopisk avbildning er om lag halvparten av bølgelengden for den benyttede stråling (Abbes regel), vil detaljrikdommen i et elektronmikroskopisk bilde være mye større enn et lysmikroskopisk bilde.
Etter at Abbes regel ble kjent i 1873, ble det forsøkt å øke detaljrikdommen i avbildningene ved bruk av ultrafiolett lys. Materialproblemer gjorde at den nedre bølgelengdegrense likevel bare kunne reduseres fra 400 til 200 nm. Ved oppdagelsen av den kortbølgede røntgenstrålingen øynet man en mulighet, men man kjente på det tidspunkt ikke metoder for avbøyning av røntgenstråler.
Den franske fysiker Louis de Broglie fremsatte i 1924 den hypotese at et elektron i bevegelse kan beskrives både som partikkel og som bølge. Teorien ble bekreftet kort tid etter. Dessuten fant man at elektronstråler kunne avbøyes i elektriske og magnetiske felt.
Et elektron kan beskrives med mange av de samme lovene som benyttes for lys i optikken. Omkring 1930 konstruerte den tyske ingeniøren Ernst Ruska de første elektromagnetiske linser til avbøyning av elektroner, og i slutten av 1930-årene kom det første kommersielle elektronmikroskop, konstruert av tyskerne Max Knoll og Ernst Ruska, på markedet. I 1986 fikk Ruska Nobelprisen i fysikk for sitt pionerarbeid med elektronmikroskopet.
Nobelprisen i kjemi for 2017 ble tildelt for utviklingen av metoden kryoelektronmikroskopi, som er er en elektronmikroskop-metode for å bestemme molekylstrukturen av organiske og biologiske molekyler som er løst i frossent, amorft vann.
Elektronmikroskop. Vanlige mikroskop kan kun vise detaljer som er større enn bølgelengden for det lyset som benyttes. For vanlig lys er denne grensen like under 1/1000 mm. En elektronstråle har en bølgelengde som er en milliondel av det synlige lysets, og den gir derfor tilsvarende bedre oppløselighet. Over: Transmisjonselektronmikroskop. Mikroskopet gir et gjennomlyst bilde av prøvematerialet på en skjerm som fotograferes fra undersiden.
Transmisjonselektronmikroskopet (TEM, eng. Transmission Electron Microscope) er bygd opp analogt med et lysmikroskop for studier av tynne preparater ved gjennomlysning. Det består av strålingskilde, kondensorlinse, objektivlinse og en projeksjonslinse som tilsvarer et okular. En billedskjerm utgjør øyet som ser i et lysmikroskop. Strålingskilden er en elektronkanon, til erstatning for en glødelampe i lysmikroskopet.
Elektronene sendes ut (emitteres) fra en nålformet motstandsoppvarmet, glødende tråd av wolfram (eller lantanheksaborid, LaB6) som er gitt et høyt negativt elektrisk potensial (100–1000 kV) i forhold til jordede anodeplater plassert like under. De negativt ladede elektronene trekkes mot anoden. Geometrien til det elektriske feltet er slik at elektronene styres gjennom hull i anodeplatene og videre mot linsene og objektet i mikroskopet. Den konvergente strålebunten parallelliseres i kondensorlinsen og treffer objektet som ligger i objektivlinsens brennplan.
Det bilde som dannes blir forstørret i objektiv- og projeksjonslinsen, og selve bildet dannes på en fluorescerende skjerm som blir lysere der den treffes av mange elektroner. Alternativt treffer elektronene direkte en fotografisk film som dermed eksponeres, og et bilde fås ved fremkalling av filmen. Man får på denne måten et forstørret bilde av objektets indre struktur.
På grunn av elektronenes kraftige vekselvirkning med atomer/materie generelt, må hele strålegangen og preparatet befinne seg i høyvakuum. Dette betinger at prøvene man studerer er tørre og ikke dekomponerer under vakuumbetingelser. Av samme grunn må preparatene være særdeles tynne. For biologiske prøver, som vesentlig inneholder lette grunnstoffer, er ½0 000 mm (50 nm) en typisk tykkelse. For metaller, som består av tyngre atomer, bør preparatene være tynnere, for eksempel. 10 nm. Dette krever spesielle prepareringsmetoder, enten ved knusing eller ved etsing med elektrokjemiske eller fysikalske metoder. Alternativt kan ca. 50 nm tynne skiver lages ved snitting med en mikrotom ved hjelp av diamantkniv.
For at man skal få dannet et godt bilde, må det skapes kontrast når elektronstrålen passerer gjennom preparatet. Dette oppnås normalt direkte ved at elektronene spres i forskjellig grad, avhengig av tykkelse og hvilke typer av atomer som er til stede. Billedkontrast oppnås ved at bildet kun dannes av de elektroner som ikke blir spredt ut i ulike retninger.
Preparater av meget små partikler som bakterier, røykstøv og liknende plasseres typisk på en tynn bærehinne av for eksempel plast, metall eller karbon. For tykke preparater kan man gjøre bruk av en avtrykksteknikk. Avtrykket vil da gjengi topografiske forhold i overflaten helt nøyaktig.
Avtrykksmaterialene er av samme type som bærehinnene. Slike avtrykkshinner vil være om lag like tykke og inneholde jevn fordeling av atomtyper. I utgangspunktet vil de gi liten kontrast, og spesielle skyggeleggingsteknikker benyttes derfor. Det samme gjelder for biologiske prøver. Slike prøver gis kontrast ved å behandle dem med osmiumtetraoksid, OsO4, eller med bly- og uranholdige salter.
Oppløsningen er normalt begrenset til om lag 1 nm. Dette er mye større enn hva som skulle forventes ut fra elektronets bølgelengde (Abbes formel), men oppløsningen blir i praksis begrenset av linsefeil og spredningsprosesser. Ved høyoppløsning-transmisjonselektronmikroskopi kan man få oppløsning på atomært nivå, ned mot 0,1 nm.
Transmisjonselektronmikroskopet benyttes til studier av både krystallinske og ikke-krystallinske prøver. For krystallinske materialer som for eksempel metaller, legeringer og keramer, fås en dominerende spredning fra krystallplan (se diffraksjon). Ved stor nok forstørrelse er det mulig å få et bilde av selve atomoppbyggingen (krystallstrukturen). Spredningsmønsteret kan avbildes i diffraktogrammer som gir informasjon om enhetscelle, symmetri og atomfordeling i materialet.
Undersøkelser i mikroskopet utføres normalt ved romtemperatur, men det finnes muligheter for så vel avkjøling som oppvarming. Ved å variere temperaturen kan man studere materialforandringer som følge av faseomvandlinger. Videre er det ofte gunstig å studere biologiske preparater ved lave temperaturer, siden slike prøver ofte er ustabile eller blir ødelagt gjennom oppvarming av den intense elektronstrålen. Levende celler kan ikke studeres pga. vakuumbetingelsene i mikroskopet.
Sveipelektronmikroskopet. Mikroskopet avbilder prøvens overflate og form. I anlegget sitter selve sveipelektronmikroskopet i den venstre delen. Prøven kan fotograferes direkte eller bildet kan studeres på en skjerm.
Den mest utbredte type elektronmikroskop er sveipelektronmikroskopet (SEM, eng. Scanning Electron Microscope). Tyskerne Manfred von Ardenne og Max Knoll beskrev prinsippene for SEM allerede i 1930-årene, men først i 1948 lyktes det forskere i Cambridge, Storbritannia, å bygge det første mikroskopet. Det finnes i dag en rekke produsenter av SEM.
I SEM-instrumentet blir elektronene fokusert til en meget tynn stråle, ned mot 1 nm, som styres (sveipes) frem og tilbake over prøven, mens en detektor registrerer spredde elektroner fra ethvert punkt på prøven. Detektorsignalet, som er proporsjonalt med antall spredde elektroner, styrer intensiteten til en elektronstråle som virker på et billedrør. Ved at de to elektronstrålene synkroniseres, blir punkt for punkt på prøvens overflate avbildet. Ved at elektronstrålene sveipes med stor hastighet, vil øyet ikke kunne følge bevegelsen, og man registrerer dermed hele bildet av prøven samtidig.
En stor styrke ved SEM er den store dybdeskarpheten som oppnås i bilder med enorm forstørrelse. Nedre oppløsningsgrense er om lag 2 nm (0,000002 mm). Kontrast i SEM-bilder fremkommer ved at spredde elektroner fra overflater rettet mot detektoren har størst sannsynlighet for å bli registrert. Man kan tenke seg at kontrasten som følge av prøvens topografi blir tilsvarende som om prøven hadde blitt belyst med en lampe plassert på detektorposisjon.
Sveipelektronmikroskopet er ofte kombinert med utstyr for kjemisk analyse. Som følge av elektronbestrålingen, vil prøvens atomer sende ut karakteristisk røntgenstråling. Analyse kan foretas over små prøvevolumer som kan velges ut fra et større bilde. Nedre grense for analysevolumet er betydelig større enn mikroskopets oppløsning, typisk 1000 nm. I og med at billeddannelsen skjer gjennom oppsamling av reflekterte (tilbakespredde) elektroner, er preparatets tykkelse uten betydning. Dermed er tillaging av prøver enkelt. Prøvene må imidlertid være elektrisk ledende, noe som er naturlig oppfylt for metaller og legeringer; ellers oppnås dette ved pådamping av karbon eller gull på ikke-ledende materialer (for eksempel biologiske preparater).
Av andre typer elektronmikroskop nevnes mikrosonde (elektronmikrosonde, EMP), sveiptransmisjonselektronmikroskop (STEM) og augerelektronmikroskop (AEM, eller sveip-Auger-elektronmikroskop, SAM).
Mikrosonden har dårligere oppløsning for billeddannelse enn SEM, men en høyere intensitet gir bedre nøyaktighet for kjemiske analyser. STEM kombinerer transmisjonsstudier av tynne preparater med kjemisk analyse, og den romlige oppløsning for analysen kan forbedres ned mot 2 nm. SAM er i utgangspunktet tilsvarende SEM, men i stedet for å registrere normale, spredde elektroner, detekteres de såkalte augerelektroner som er karakteristiske for de grunnstoffer som er til stede i prøven.
Elektronmikroskopiske teknikker videreutvikles kontinuerlig, særlig med hensyn til kontrast, romlig oppløsning og nye typer kombinasjonsinstrumenter. Utviklingen skyldes ikke minst økt bruk av avansert datateknikk til billedbehandling, beregninger ved kjemisk analyse og instrumentstyring.
Sveipeelektronmikroskopi. Strålegangene i et sveipeelektronmikroskop.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.