Elektronmikroskoop

Elektronmikroskoop on elektronoptiline seade, mis annab väikestest objektidest suurendatud kujutisi elektronide kimbu – elektronsondi – abil. Elektronkimpe kujundavad, koondavad ja suunavad elektronmikroskoobis elektronläätsed . Kuna elektroni lainepikkus võib olla 100 000 korda väikesem nähtavast lainepikkusest, siis võrreldes valgusmikroskoobiga on elektronmikroskoobil palju suurem lahutusvõime. Elektronmikroskoobiga on võimalik saavutada kuni 10 000 000-kordne suurendus, samas kui valgusmikroskoobid on piiratud kuni 2000-kordse suurenduseni.

Elektronmikroskoope kasutatakse bioloogiliste ja anorgaaniliste proovide, näiteks mikroorganismide, rakkude, molekulide, biopsiamaterjalide ja kristallide uurimiseks. Tööstuslikult kasutatakse elektronmikroskoopi kvaliteedikontrolliks ja rikkeanalüüsiks. Kaasaegsed elektronmikroskoobid suudavad luua mikrograafe, kasutades selleks spetsiaalseid digitaalkaameraid või kaadrimuundureid .

Ajalugu

Esimese elektronmikroskoobi prototüübi konstrueerisid 1931. aastal saksa füüsik Ernst Ruska ja elektriinsener Max Knoll . Kaks aastat hiljem, aastal 1933, ehitas Ruska elektronmikroskoobi, mis ületas valgusmikroskoobiga saavutatava võimaliku lahutuvuse . Esimese pildi skaneeriva elektronmikroskoobiga tegi 1935. aastal Max Knoll, näidates elektronide kanaliseerumist räniterase kristallis . Esimese tööstusliku transmissioonelektronmikroskoobi ehitas Siemens-Shuckert aastal 1939 . Esimese tööstusliku skaneeriva elektronmikroskoobi tootis 1965. aastal Cambridge Scientific Instrument Company .

Liigid

Transmissioonelektronmikroskoop (TEM)

Tegu on esimese elektronmikroskoobi liigiga. TEM kasutab kujutise saamiseks kõrgepingelist elektronide voogu. Antud voog tekitatakse elektronikahuriga, mille elektronide allikaks on enamasti volframniit. Elektronkiirt kiirendatakse anoodiga tüüpiliselt +100 keV juures katoodi suhtes. Seejärel fokuseeritakse see elektrostaatiliste ja elektromagnetiliste läätsede abil ning suunatakse läbi proovi, millest elektronid lähevad osaliselt läbi ja osaliselt hajuvad. Elektronide hajumine tekitab kujutise, mida fokuseeritakse ja suurendatakse ning projitseeritakse fotoplaadile, digitaalse kaamera sensorile või fluorestseeruvale ekraanile, mis on valmistatud 10–100 μm läbimõõduga tsinksulfaadi osakestest. Ekraani saab vaadata läbi spetsiaalse klaasiga kaetud akna, mille ees kasutatakse vaadeldavast täiendava suurenduse saavutamiseks veel ettelükatavat binokulaari.
Transmissioonelektronmikroskoobi resolutsioon on peamiselt piiratud sfäärilise aberratsiooni tõttu. Kõrglahutuvus transmissioonelektronmikroskoobis korrigeeritakse riistvara aberratsiooni mõju vähendamiseks, nii on võimalik saada pilte resolutsiooniga 0,5 ongströmit ja 50 miljoni kordseid suurendusi .
Elektrondifraktsioon on üks tähtsamatest TEM-i rakendusviisidest. Selle eelis röntgenkristallograafia ees on see, et uuritav proov ei pea olema üksik kristall ega polükristalliline pulber, kuid see peab olema äärmiselt peenike – umbes 100 nanomeetrit. Bioloogilised proovid peavad olema keemiliselt fikseeritud, dehüdreeritud ja asetatud polümeervaigu sisse.

Skaneeriv elektronmikroskoop (SEM)

Sarnaselt TEM-iga loob skaneeriv elektronmikroskoop proovist kujutise elektronide vooga, kuid SEM-i kiir ei kanna endaga kaasas informatsiooni tervest kujutisest . Pildid on saadud kombates uuritavat proovi fokuseeritud elektronkiirega, mida skaneeritakse üle ristkülikukujulise ala. Elektronid interakteeruvad pinnal asuvate aatomitega, tekitades signaale, mis sisaldavad informatsiooni pinna kuju, koostise, elektrijuhtivuse ja muude omaduste kohta.
Üldiselt on SEM-i tekitatud piltide resolutsioon umbes suurusjärgu võrra halvem kui TEM-il. Skaneeriva elektronmikroskoobi pilt põhineb pinnaprotsessidel, mistõttu on see võimeline tekitama pilte proovidest, mis on mitme sentimeetri suurused ning tänu laiale teravussügavusele on tekkiv kujutis kolmemõõtmeline . Lisaks eksisteerib skaneeriv keskkonnaelektronmikroskoop (ESEM), mis suudab mikrograafe luua proovidest, mis on märjad või asetsevad nõrgas vaakumis.

Reflektoorne elektronmikroskoop (REM)

Reflektoorne elektronmikroskoop kasutab samuti elektronkiirt, mida suunatakse uuritavale pinnale, kuid detekteeritakse peegeldunud kiirest elastselt hajunud elektrone. REM-i kasutatakse tavaliselt koos peegeldunud kõrgeenergeetilise elektronide difraktsiooniga (RHEED) ja peegeldunud kõrgeenergeetilise energiakadude spektroskoopiaga (RHELS) .

Proovieksemplari valmistamine

Elektronmikroskoobi all vaatlemiseks peab materjale eelnevalt töötlema, et luua sobivat proovi. Selleks kasutatavad meetodid erinevad sõltuvalt uuritavast proovist ja tehtavast analüüsist:
Dehüdratsioon – külmkuivatamine või vee asendamine orgaaniliste lahustega, näiteks etanooli või atsetooniga.
Juhtiva kihiga katmine – kõrgvaakumis aurustamisega kaetakse proov üliõhukese hea elektrijuhtivusega aine kihiga. Seda tehakse, et vähendada staatilise elektri kogunemist proovi pinnale. Katvateks materjalideks on näiteks kuld, grafiit, volfram ning kulla ja pallaadiumi segu.
Keemiline fikseerimine – kasutatakse bioloogiliste proovide puhul, et makromolekulaarset struktuuri säilitada. Fiksatsioon saavutatakse proteiinide ristsidumisel aldehüüdidega.
Krüofikseerimine – proov külmutatakse vedelas etaanis ja säilitatakse vedelas lämmastikus või vedelas heeliumis, et vesi moodustaks amorfse jää. See säilitab proovi hetkeseisu lahuses. Antud tehnikast on arenenud krüo-elektronmikroskoopia.
Maandamine – juhtivale kihile elektrilaengu kogunemise vältimiseks ühendatakse see elektriliselt maandusvardaga. Ühenduse loomiseks kasutatakse enamasti elektrit juhtivat liimi.
Negatiivne värvimine – lahus, mis sisaldab nanoosakesi või peent bioloogilist materjali (näiteks viirusi või bakteeriat), segatakse lahjendatud elektronidele läbipaistmatu lahusega, näiteks ammooniummolübdaadi või fosforvolframhappega. Segu asetatakse sobivalt kaetud elektronmikroskoobi võrele ja kuivatatakse. Parimate tulemuste jaoks tasub võimalikult kiiresti preparaati TEM-iga vaadelda. Negatiivset värvimist kasutatakse mikrobioloogias kiireks identifitseerimiseks.

Puudused

Elektronmikroskoopide ehitamine ja hooldus on kallis, samuti peavad kõrge suurendusvõimega mikroskoobid paiknema stabiilsetes ehitistes, mõnikord isegi maa all. Lisaks vajavad elektronmikroskoobid eriteenuseid, näiteks magnetvälja nõrgendavaid süsteeme.
Proove peab enamasti jälgima vaakumis, et õhumolekulid ei hajutaks elektrone. Ainsaks erandiks on skaneeriv keskkonnaelektronmikroskoop, mis lubab hüdreeritud proove vaadelda ka rõhkudel kuni 20 Torri.
Skaneeriv elektronmikroskoop, mis töötab kõrgvaakumis, saab pilte teha vaid elektrit hästi juhtivatest proovidest. Mittejuhtivaid proove tuleb katta materjaliga, mis juhiks elektrit. Enamasti kasutatakse selleks materjaliks kulla ja pallaadiumi sulamit, süsinikku või osmiumit. Samuti on võimalik mittejuhtivaid proove jälgida tänapäevaste mikroskoopide madalpingerežiimiga. 
Hüdreeritud materjale ehk peaaegu kõiki bioloogilisi proove tuleb eelnevalt töödelda, et neid stabiliseerida, vähendada nende paksust ja suurendada optilist kontrastsust.

Rakendused

Pooljuhid ja andmekandjad
 Vooluringi redigeerimine 
 Defekti analüüs 
 Veaanalüüs 
Bioteadused
 Diagnostiline elektronmikroskoopia
 Krüobioloogia
 Proteiini lokaliseerimine
 Elektro tomograafia
 Krüo-elektronmikroskoopia
 Toksikoloogia 
 Strukturaalbioloogia
 Koestiku 3D kujutamine
 Viroloogia
 Vitrifikatsioon

Materjaliuuringud
Elektronkiire indutseeritud sadestus
Materjalide kvalifikatsioon 
Meditsiinilised uuringud
Nanoprototüpeerimine
Nanometroloogia
Seadmete katsetamine
Tööstus
Kõrgresolutsiooniline pildistamine
2D- ja 3D-mikrotasemel karakteriseerimine
Osakeste detekteerimine ja iseloomustamine
Proovide valmistamine
Kriminalistika 
Mineraalainete vabanemise analüüs
Naftakeemia
Veaanalüüs

Vaata ka
 Fluorestsentsmikroskoop
 Mikroskoop
 Nanotehnoloogia

Viited

Mikroskoopia