Resumen: Un microscopio electrónico de barrido crea una imagen ampliada de la superficie de un objeto. Su funcionamiento se basa en recorrer la muestra con un haz muy concentrado de electrones,




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fecha de publicación08.03.2016
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Microscopia electrónica

de barrido y transmisión

Universidad nacional de san Agustín

MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO Y TRANSMISIÓN

Condori Castillo Alex Giraldo, Universidad Nacional De San Agustín

RESUMEN: Un microscopio electrónico de barrido crea una imagen ampliada de la superficie de un objeto. Su funcionamiento se basa en recorrer la muestra con un haz muy concentrado de electrones, de forma parecida al barrido de un haz de electrones por la pantalla de una televisión. A medida que el haz de electrones barre la muestra, se presenta toda la imagen de la misma en el monitor. Los microscopios electrónicos de barrido pueden ampliar los objetos 200.000 veces o más. Este tipo de microscopio es muy útil porque, al contrario que los TEM o los microscopios ópticos, produce imágenes tridimensionales realistas de la superficie del objeto. El microscopio electrónico de transmisión emite un haz de electrones dirigido hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada de la muestra. Los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz visible, pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas.

PALABRAS CLAVES: microscopia electrónica de barrido, microscopia electrónica de transmisión.

Summary: A scanning electron microscope creates an enlarged image of the surface of an object. Its operation is based on the sample go with a highly concentrated beam of electrons, similar to scanning an electron beam across the screen of a television. As the electron beam scans the sample, the entire image thereof is displayed on the monitor. Scanning electron microscopes can magnify objects 200,000 times or more. This type of microscope is very useful because, unlike the TEM or optical microscopes, produce realistic three-dimensional images of the object surface. The transmission electron microscope emits an electron beam directed towards the object to be increased. A portion of the electrons bounce or are absorbed by the object and others cross forming a magnified image of the sample. Electrons have a much lower wave length than visible light, can show much smaller structures.

Keywords: scanning electron microscopy, transmission electron microscopy.

Alex Giraldo Condori Castillo

alex.02.alexgiraldo@outlook.es


INTRODUCCIÓN:
Un microscopio electrónico no utiliza lentes de vidrio como lo es en microscopía de luz. Los electrones fueron enfocados con éxito por primera vez con un electro magneto diseñado por Busch en 1927. Y en 1931 E.Ruska incorporó este sistema para su primer microscopio electrónico construido junto con Max Knoll. Por el diseño del Microscopio electrónico de transmisión, E. Ruska obtuvo el premio nobel de física en el año 1986 compartiéndolo con Gerd Binnig y Heinrich Rohrer por el microscopio de efecto túnel. Para la fabricación de una lente electromagnética se necesitan 2 partes. Primero es un núcleo cilíndrico simétrico de un material magnético, generalmente de acero blando (bajo contenido de Carbono), llamado pieza polar. El claro del diámetro interno del cilindro (bore) es el área donde el campo magnético estará actuando sobre los electrones que pasen a través de él. Este campo debe ser simétrico a lo largo del eje y las líneas de campo en la lente magnética son normalmente el camino de los rayos.

 Metalurgia: Control de calidad y estudio de fatiga de materiales, características texturales. Plástica: medición de espesores y conteo de capas. Forense: análisis de restos de fulminantes de armas de fuego. Química: tamaño de partículas en polvos farmacéuticos. Caucho: análisis de cenizas contaminantes y de residuos.  Importaciones: análisis de joyas y elementos con sospecha de presencia de metales preciosos.

En el MEB, un campo magnético permite enfocar los rayos catódicos (electrones) y obtener una imagen tridimensional, permitiendo la observación y la caracterización de materiales orgánicos e inorgánicos, proporciona aumentos de 200.000 diámetros.

El MEB tiene una resolución de 10 nm y una profundidad de foco de 10 mm, mucho menor que el microscopio electrónico de transmisión. La ventaja del MEB es que proporciona imágenes tridimensionales, ya que éste específicamente examina la superficie de las estructuras.

Microscopia electrónica

La microscopía electrónica es una técnica que requiere instrumentos de alta complejidad y personal altamente especializado. Se utilizan la microscopía electrónica de transmisión o convencional y la de barrido.

La microscopía electrónica de barrido y de transmisión es utilizada como una de las técnicas más versátiles en el estudio y análisis de las características micro estructural de objetos sólidos. Estas técnicas nos permiten observar muestras relacionadas con el campo de la ciencia de materiales y de materiales biológicos. Otra característica importante de microscopía electrónica de barrido (SEM) es que podemos observar muestras en tres dimensiones en contraste con la microscopía electrónica de transmisión (TEM) en donde las muestras son observadas en dos dimensiones, lo cual representa una pérdida en información relacionada con el espesor. Además de que para ésta última técnica la preparación de la muestra debe ser lo suficientemente delgada como para ser transparente al haz de electrones. La versatilidad de la microscopía electrónica de barrido respecto a transmisión se deriva en gran medida de la gran variedad de interacciones que sufre el haz de electrones en el espécimen y la preparación. Las interacciones pueden dar información sobre la composición del espécimen, topografía, cristalografía, potencial eléctrico, campo magnético local, etc. En el TEM como en el SEM las interacciones pueden ser divididas en dos clases.

Como la velocidad depende del potencial acelerador en el caso de los electrones, se puede decir que la longitud de onda asociada al electrón solo es función del voltaje.

Analizando datos experimentales se obtiene que la longitud de onda efectiva de un haz electrónico es aproximadamente 100000 veces menor que la onda de la luz visible.

La ecuación fundamental de la mecánica cuántica expresa que la longitud de onda de una partícula en movimiento es función de su velocidad y de su masa:

= h/mv

h: cte. de Planck m: masa del electrón v: velocidad

Microscopía electrónica de transmisión

En esta técnica la preparación teñida es traspasada por un haz de electrones, lo cual proporciona la imagen ultra fina sobre una pantalla ad hoc. El microscopio electrónico de transmisión es capaz de generar un haz de electrones a alta tensión (80kV) y concentrarlo sobre la preparación mediante un complejo sistema de campos electromagnéticos equivalentes a las "lentes" del microscopio de luz.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/19/simplesemandtem.jpg/800px-simplesemandtem.jpg

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/scheme_tem.es.png

Estructura:

Debido a que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz visible, pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas.

Las partes principales de un microscopio electrónico de transmisión son:

-Cañón de electrones, que emite los electrones que chocan o atraviesan el espécimen (dependiendo que tipo de microscopio electrónico es), creando una imagen aumentada.

-Lentes magnéticas para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los microscopios ópticos no funcionan con los electrones.

-Sistema de vacío es una parte muy importante del microscopio electrónico. Debido a que los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire, se debe hacer un vacío casi total en el interior de un microscopio de estas características.

-Placa fotográfica o pantalla fluorescente que se coloca detrás del objeto a visualizar para registrar la imagen aumentada.

Sistema de registro que muestra la imagen que producen los electrones, que suele ser un ordenador.

El microscopio electrónico de transmisión emite un haz de electrones dirigido hacia el objeto que se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan o son absorbidos por el objeto y otros lo atraviesan formando una imagen aumentada de la muestra.

Sistema de vacío

Para conseguir el flujo ininterrumpido de electrones, el TEM debe operar a bajas presiones, típicamente en el orden de 10^{-4} a 10^{-8} Pa. La necesidad de esto se debe a dos razones: primero, permitir una diferencia de voltaje entre el cátodo y tierra sin que se produzca un arco voltaico. Segundo, reducir la frecuencia de las colisiones de los electrones con los átomos del aire a niveles despreciables. Ya que el TEM, contrariamente a un CRT, es un sistema que debe permitir la reposición de componentes, la inserción de muestras y, particularmente en modelos antiguos, el cambio de carrete de película, se hace imprescindible la posibilidad de reproducir el vacío regularmente. Por ello los TEMs están equipados con sistemas de bombeo completos y su sellado de vacío no es permanente.

El sistema de visualización en un TEM puede consistir en una pantalla de fósforo para observación directa por el operador y opcionalmente en un sistema de registro de imágenes tales como película o una retina CCD combinada con una pantalla de fósforo. Normalmente estos sistemas de visualización pueden ser intercambiados a conveniencia del operador.

Base teórica

Teóricamente la resolución máxima d alcanzable con un microscopio óptico se encuentra en principio limitada por la longitud de onda \lambda de la luz que se utiliza para examinar la muestra, y por la apertura numérica \textrm{na} del sistema.

d=\frac{\lambda}{2\,n\,\sin\alpha}\approx\frac{\lambda}{2\,\textrm{na}}

Los físicos de principios del siglo XX teorizaron sobre posibles maneras de superar las limitaciones impuestas por la relativamente grande longitud de onda de la luz visible (de 400 a 700 nm) mediante el uso de electrones. Como toda la materia, los electrones exhiben propiedades tanto de onda como de partícula (como ya propuso Louis-Víctor de Broglie). Como consecuencia se puede hacer que un haz de electrones se comporte como un haz de radiación electromagnética. La longitud de onda del electrón se obtiene igualando la ecuación de Broglie a la energía cinética de un electrón. Debe introducirse una corrección relativista adicional, ya que los electrones en un equipo TEM alcanzan velocidades próximas a la de la luz  \textrm{c}.

\lambda_e\approx\frac{h}{\sqrt{2m_0e\left(1+\frac{e}{2m_0c^2}\right)}}

En un microscopio electrónico los electrones se producen generalmente en un filamento, normalmente de tungsteno, parecido al de una bombilla, mediante un proceso conocido como emisión termoiónica o bien mediante emisión de campo. Los electrones emitidos se aceleran entonces con ayuda de un potencial eléctrico (medido en V, o voltios) y se focalizan mediante lentes electrostáticas o electromagnéticas.

Aplicaciones

La principal función del microscopio electrónico de transmisión es estudio de los metales y minerales y el estudio de las células a nivel molecular. Siendo así un papel muy importante en la industria de la metalurgia. A su vez se utiliza en la microbiología, para observar la estructura de los virus. También es usado en la anatomía patológica, para diagnosticar partiendo de la ultra estructura celular

Microscopía electrónica de barrido

La microscopía electrónica de barrido permite el estudio de superficies celulares. La imagen se obtiene rastreando la superficie de la muestra con un haz electrónico ultra fino. Las señales generadas se recolectan, amplifican y captan en un tubo de rayos catódicos.

El microscopio electrónico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscope), inventado en 1937 por Manfred von Ardenne, es aquel que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen. Tiene una gran profundidad de campo, la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra. También produce imágenes de alta resolución, de forma que las características más ínfimas de la muestra pueden ser examinadas con gran amplificación. La preparación de las muestras es relativamente fácil ya que la mayoría de los SEM sólo requieren que estas sean conductoras. De esta forma, la muestra generalmente es recubierta con una capa de carbono o una capa delgada de un metal como el oro para conferirle carácter conductor. Posteriormente, se barre la superficie con electrones acelerados que viajan a través del cañón. Un detector formado por lentes basadas en electroimanes, mide la cantidad e intensidad de electrones que devuelve la muestra, siendo capaz de mostrar figuras en tres dimensiones mediante imagen digital. Su resolución está entre 4 y 20 nm, dependiendo del microscopio.

Utilización

En el microscopio electrónico de barrido es necesario acelerar los electrones en un campo eléctrico, para aprovechar de esta manera su comportamiento ondulatorio, lo cual se lleva a cabo en la columna del microscopio, donde se aceleran mediante una diferencia de potencial de 1000 a 30000 voltios. Los electrones acelerados por un voltaje pequeño se utilizan para muestras muy sensibles, como podrían ser las muestras biológicas sin preparación adicional o muestras muy aislantes. Los voltajes elevados se utilizan para muestras metálicas, ya que éstas en general no sufren daños como las biológicas y de esta manera se aprovecha la menor longitud de onda para tener una mejor resolución. Los electrones acelerados salen del cañón, y se enfocan mediante las lentes condensadora y objetiva, cuya función es reducir la imagen del filamento, de manera que incida en la muestra un haz de electrones lo más pequeño posible (para así tener una mejor resolución). Con las bobinas deflectoras se barre este fino haz de electrones sobre la muestra, punto por punto y línea por línea.

Cuando el haz incide sobre la muestra, se producen muchas interacciones entre los electrones del mismo haz, y los átomos de la muestra; puede haber, por ejemplo, electrones que reboten como las bolas de billar. Por otra parte, la energía que pierden los electrones al "chocar" contra la muestra puede hacer que otros electrones salgan despedidos (electrones secundarios), y producir rayos X, electrones Auger, etc. El más común de éstos es el que detecta electrones secundarios, y es con él que se hace la mayoría de las imágenes de microscopios de barrido.

También podemos adquirir la señal de rayos X que se produce cuando se desprenden estos mismos de la muestra, y posteriormente hacer un análisis espectro gráfico de la composición de la muestra.

Se utilizan ampliamente en la biología celular. Aunque permite una menor capacidad de aumento que el microscopio electrónico de transmisión, éste permite apreciar con mayor facilidad texturas y objetos en tres dimensiones que se hayan pulverizado metálicamente antes de su observación. Por esta razón solamente pueden observarse organismos muertos, y no se puede ir más allá de la textura externa que se quiera ver. Los microscopios electrónicos sólo pueden ofrecer imágenes en blanco y negro puesto que no utilizan la luz visible.

Este instrumento permite la observación y caracterización superficial de materiales inorgánicos y orgánicos, entregando información morfológica del material analizado. A partir de él se producen distintos tipos de señal que se generan desde la muestra y se utilizan para examinar muchas de sus características. Con él se pueden observar los aspectos morfológicos de zonas microscópicas de diversos materiales, además del procesamiento y análisis de las imágenes obtenidas.

http://media2.picsearch.com/is?57p6tmvefh-nmd5wmwi0jocdcezalhxmwb8f2yklyjm&height=168

http://media2.picsearch.com/is?58pnbmjnyqxlrzop9m5lr3sh1ljccrftz3qksytzwoi&height=128

Diferencias entre la microscopia electrónica de barrido y transmisión

La emisión secundaria se utiliza en la construcción de la imagen en el MEB, el cual a diferencia de los MET, posee un haz móvil de electrones que “barre” o recorre el espécimen en áreas seleccionadas.

El microscopio electrónico de transmisión trabaja de manera similar al microscopio de luz excepto que usa electrones en lugar de haces luminosos. Necesita una muestra cortada en porciones de grosor minúsculo para que al bañarla con electrones muchos de ellos puedan atravesarla (otros serán reflejados, desviados o absorbidos) y se forme una imagen con ellos en una pantalla sensible colocada del otro lado. 

En cambio el de barrido se basa también en arrojar electrones sobre la muestra, pero con la diferencia de que dicha muestra se cubre antes de una minúscula capa de metal que permite que dichos electrones se reflejen y se dirijan a un detector que mide la intensidad y dirección de dichos electrones, gracias a esto la muestra no tiene que ser tan delgada y la imagen que resulta, a pesar de no tener tanto aumento como el de transmisión tiene mejor detalle y permite apreciar mejor muestras en tres dimensiones.



REFERENCIAS

lagunes, a. (15 de noviembre de 2011). slide share. Recuperado el 6 de setiembre de 2015, de slide share: http://es.slideshare.net/andi_lake/microscopia-electronica-de-transmision?related=1

vega, j. A. (27 de agosto de 2013). slide share. Recuperado el 6 de setiembre de 2015 , de slide share: http://es.slideshare.net/vegabner/microscopia-electronica-de-barrido

wikipedia. (s.f.). Recuperado el 6 de setiembre de 2015, de wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electr%C3%B3nico_de_transmisi%C3%B3n



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