Elektronová mikroskopie - Když fotony nestačí

Elektronová mikroskopie. Už od pradávna nás zajímalo složení světa v našem okolí, což některé vedlo k nápadu vynalézt způsob, kterým bychom jej mohli pozorovat více zblízka.

A přesně tento nápad zrealizoval nizozemský brusič skla Zachariáš Janssen (1580 – 1638). Napadlo ho vybrousit čočku tak, aby výrazně zvětšovala objekty, na které byla namířená. Tímto dal za vznik prvnímu drobnohledu – mikroskopu.

O další vylepšení našeho primitivního mikroskopu se zasloužil Holanďan Antonie van Leeuwenhoek (1632 – 1723), který vybrousil hned několik čoček a sestavil je nad sebe tak, že dosáhly silného zvětšovacího efektu – až 275x! V roce 1665 se anglickému fyzikovi a chemikovi Robertu Hookovi podařilo sestrojit složený mikroskop s více čočkami. Toto jsou však pouze počátky.

Současná světelná mikroskopie

V dnešní době jsme schopni pomocí světelné mikroskopie dosáhnout zvětšení až 1500x (se speciálním imerzním objektivem). Stále nás však trápí rozlišovací schopnost, která nás v tomto případě omezuje pouze na pozorování ve vlnových délkách viditelného spektra, čili od 250 nm až do cca 780 nm, což nám znemožňuje objekty zkoumat více „do hloubky“. Rozlišovací schopnost je vzdálenost dvou rozpoznatelných bodů, která činí polovinu vlnové délky záření, ve kterém objekt pozorujeme. Mez rozlišovací schopnosti u světelných mikroskopů je cca 200 nm. A přesně tato okolnost nás vedla k otázce, proč nepoužít pro pozorování jiný zdroj záření než proud fotonů.

Elektronová mikroskopie 01 — Lucie Škardová – tetrahyména, TEM, 80000x

Elektrony jako nový zdroj?

V tomto duchu byla vynalezena elektronová mikroskopie (EM). Jejímu vynálezu však předcházelo hned několik zásadních objevů. Prvním a nejdůležitějším objevem byl objev elektronu, o který se zasloužil J. J. Thompson v roce 1897.

Studoval tehdy elektrickou vodivost plynů, konkrétně katodové záření. Zjistil, že pokud se tlak v katodové trubici (skleněná trubice se zředěným plynem, na jejíž koncích jsou připevněny elektrody) při zapojení k el. proudu sníží na hodnotu nižší než 1 Pa, katoda emituje proud částic – elektronů.

V roce 1923 pak Luis de Broglie publikoval práci o vlnovém charakteru těchto částic, což okamžitě rozšířilo obzory v rozlišovacích schopnostech mikroskopů. Vlnová délka záření elektronů je podstatně nižší než u viditelného světla (125 nm), tudíž můžeme objekty pozorovat v mnohonásobně větším zvětšení (až 1 000 000x)!

Elektronová mikroskopie 02 — Lucie Škardová – detail motýlí šupiny, SEM, 800x

O vynalezení elektronového mikroskopu jako takového se však zasloužila dvojice vědců Max Knoll a Ernst Ruska v roce 1928 na Vysoké škole technické v Berlíně. Sestrojili první elektronový mikroskop
TEM – transmisní elektronový mikroskop. V roce 1932 publikovali první jimi pořízené fotografie z tohoto mikroskopu a zároveň vysvětlili princip fungování elektromagnetických čoček (navázali na práci Hanse Busche, který v roce 1926 publikoval práci o vychylování elektronových paprsků magnetickými solenoidy).

O komercializaci transmisních EM se pak postarala firma Siemens a Halske v roce 1939. Nobelovu cenu za zkonstruování elektronového mikroskopu dostal Ruska až v roce 1986.

Jak takový elektronový mikroskop funguje?

Elektronová mikroskopie funguje principiálně tak, že místo proudu fotonů (světlo), jako v klasické světelné mikroskopii, prochází čočkami proud elektronů, který dopadá na vzorek. Tento proud pak buďto vzorkem prochází – prosvěcuje ho, mluvíme tedy o Transmisní elektronové mikroskopii, nebo se od něj odráží čímž vysílá do detektoru sekundární elektrony. Tyto elektrony jsou pak přijímány jako signál, z něhož se následně utváří obraz (Skenovací elektronový mikroskop).

Kateřina Holubová – detail řezu šnečí ulity, SEM, 450x

Kde takové elektrony vzít?

Na to se nám nabízí hned několik způsobů. Nejčastěji používaným zdrojem elektronů je nažhavené wolframové vlákno. Takovýto zdroj si můžeme představit jako klasickou domácí žárovku, která však pracuje pod mnohem vyšším napětím (ne, domů se opravdu nehodí, pokud nechcete, aby vám po pokoji běhaly zbloudilé elektrony). Vlákno se žhaví na 2800 °C a pracuje v nižším vakuu než u jiných zdrojů.

Nevýhodou je však jeho nízká životnost – cca 1 měsíc. Dalším, často využívaným zdrojem je krystal z LaB₆ – boridu lanthanového. Používá se ve formě špičatého hrotu. Jeho výhodou je především jeho schopnost emitovat elektrony již při nižších teplotách než u wolframu (2100 °C). Je schopen emitovat až 10x větší množství. Také jeho životnost je větší – až 1 rok.

Chladnokrevný zdroj

Výše zmiňované zdroje se řadí k tzv. termoemisním, existují však i zdroje využívající „studenou emisi“ (autoemisní). Tato emise je vyvolávána silným elektrickým polem, které působí na hrot v němž je naleptané wolframové vlákno. Proti tomuto hrotu je postavena anoda (elektroda s kladným nábojem) a ta vytrhává elektrony z jeho povrchu. Pro práci s takovýmto zdrojem je potřeba velmi vysokých hodnot vakua a jeho životnost se opět pohybuje okolo jednoho roku.

Kristýna Zezulová – hlava vířníka, SEM, 50x

… a teď kudy mé elektrony?

Nyní máme vytvořený proud elektronů, ten však musíme správně usměrnit! A přesně k tomuto účelu slouží čočky. Tyto čočky však nejsou klasické, skleněné, jako ve světelné mikroskopii ale jsou elektromagnetické. Jedná se o prstence velmi čistého železa zasazené do cívek. Tyto čočky pracují pouze ve vakuu a mají pouze charakter spojek.

Bohužel mají i své nevýhody – vady. Jednou z takových vad je tzv. vada sférická, kdy čočka není schopna úplně zaostřit paprsky z bodového zdroje do jednoho konkrétního bodu, což má za následek zvětšení jinde, než na vyžadovaném místě (pohybujeme se v řádech nanometrů, takže se vám nemůže stát, že místo hlavičky vzorku třeba zaostříte nohu). Další vadou je tzv. osový astigmatismus (vychýlení). Ten je způsobený „nesymetrií“ magnetického pole čoček. Je většinou způsoben nečistotami zanesenými na jejich vnitřní plochy.