Microscopios electrónicos

Con los microscopios electrónicos llegamos al final del camino de la microscopía en el laboratorio. Hay que tener en cuenta que en estas entradas se han estado tratando las generalidades de cada tipo de microscopía. Unas generalidades que encontraremos en cualquier medio docente o cualquier libro de forma más o menos completa y que aún no abarcan los nuevos avances en microscopía, sobre todo en el terreno de la electrónica.

En cualquier caso, al final de la entrada, intentaré ofrecer algunas pinceladas de los nuevos avances sobre microscopios electrónicos. El fin de esta particularidad será ofrecer un punto de vista de hacia donde se dirige la evolución de la microscopía electrónica.

Microscopios electrónicos

Los microscopios electrónicos utilizan un haz de electrones en lugar de un haz luminoso. El objetivo es el mismo, poner de manifiesto los detalles del objeto en estudio. La ampliación de la imagen se basa en la propiedad que tienen los electrones de ser desviados por campos electrostáticos o magnéticos, del mismo modo que un rayo luminoso se desvía al atravesar una lente.

El microscopio electrónico posee un poder de resolución muy superior al de un microscopio óptico. La “pega” fundamental es que su coste también es muy superior en cualquiera de los tipos de microscopios electrónicos:

  • Microscopio electrónico de transmisión
  • Microscopio electrónico de barrido

El microscopio electrónico de transmisión

El primer microscopio electrónico de transmisión (TEM) fue desarrollado entre 1931 y 1933 por Ernst Ruska y su equipo. Se trata de una tecnología capaz de aumentar un millón de veces el objeto. A pesar del gran poder de amplificación, no sirve para la observación de microorganismos o células vivas. Además, debido a su alto coste, se utiliza principalmente en investigación.

En el microscopio electrónico de transmisión, el haz de electrones atraviesa la muestra. Ésta debe ser extremadamente delgada, del orden de unos cientos de ángstroms, nunca superior a un par de miles. Para obtener cortes tan finos se debe recurrir a un ultramicrotomo.

Las preparaciones se tratan con sustancias con gran capacidad de dispersión de electrones. El fin de utilizar estas sustancias es la de aumentar el contraste. El ácido ósmico (tetróxido de osmio), permanganato, uranio, lantano o plomo son este tipo de sustancias.

Partes de un microscopio electrónico de transmisión

  • Cañón de electrones: También denominado cátodo o fuente de electrones. Este elemento emite los electrones que atraviesan la muestra. Suele ser una lámpara con un filamento de tungsteno, un filamento de hexaboruro de lantano o un emisor de efecto de campo. Los tres generadores están ordenados de menor a mayor vacío como requirimiento fundamental de funcionamiento.
  • Ánodo acelerador de electrones: Debe estar conectado a una fuente de alimentación de alta tensión.
  • Lentes magnéticas: Crean campos que dirigen y enfocan el haz de electrones. Su funcionamiento es similar al de las lentes ópticas con los rayos de luz en los microscopios ópticos.
  • Sistema de vacío: Para un correcto funcionamiento del microscopio, todos los elementos que lo componen deben funcionar en un sistema de baja presión o de vacío. Esto es debido a que las moléculas del aire son capaces de desviar los electrones. El microscopio electrónico de transmisión debe operar en presiones que van desde los 10-8 hasta los 10-4 pascales.
  • Portaobjetos: Donde se sitúa la muestra con su pertinente preparación. Se puede desplazar de manera lateral.
  • Placa fotográfica o pantalla fluorescente: Transforma la imagen electrónica en imagen visible.
  • Sistema de registro: Por normal general es un ordenador. Es el medio a través del cual visualizamos esa imagen visible que nos proporciona la placa fotográfica.

Microscopios electrónicos

El microscopio electrónico de barrido

Este microscopio forma la imagen con los electrones reflejados por el objeto, y no por los que lo han atravesado, como ocurre en el microscopio electrónico de transmisión. El funcionamiento consiste en un haz de electrones que “barre” la superficie de la muestra. Ésta, además, debe ser previamente tratada con sustancias de contraste como el tetróxido de osmio.

El microscopio electrónico de barrido (SEM) no tiene tanto poder de resolución como el de transmisión. Pero cuenta con el aliciente de producir imágenes tridimiensionales de los objetos de la muestra. De este modo se pueden estudiar microorganismos y células vivas.

Partes de un microscopio electrónico de barrido

  • Cañón de electrones: Al igual que en el microscopio electrónico de transmisión, se trata de un filamento de tungsteno, un filamento de hexaboruro de lantano o un emisor de efecto de campo. Los tres generadores están ordenados de menor a mayor vacío como requirimiento fundamental de funcionamiento.
  • Ánodo acelerador de electrones: Debe estar conectado a una fuente de alimentación de alta tensión.
  • Lentes magnéticas: Crean campos que dirigen y enfocan el haz de electrones. Su funcionamiento es similar al de las lentes ópticas con los rayos de luz en los microscopios ópticos.
  • Portaobjetos: Donde se sitúa la muestra con su pertinente preparación.
  • Generador de barrido: Es el encargado de dirigir el haz de electrones en su recorrido sobre la muestra.
  • Detectores de electrones: También llamados colectores de electrones. Recogen los electrones procedentes de la muestra.
  • Sistema de vacío: Para un correcto funcionamiento del microscopio, todos los elementos que lo componen deben funcionar en un sistema de baja presión o de vacío. Esto es debido a que las moléculas del aire son capaces de desviar los electrones.
  • Amplificador: Amplía la imagen y la muestra por pantalla (televisión o monitor de ordenador).

El microscopio electrónico de barrido tendrá más o menos funcionalidad según el número de receptores/detectores de electrones que tenga. Si echáis un vistazo a esta página de la Universidad Politécnica de Valencia veréis que allí cuentan con hasta cinco detectores diferentes, tanto de electrones como de Rayos X.

Para representar el funcionamiento del SEM, me guiaré por los detectores presentes en la página de la Wikipedia.

Funcionamiento del microscopio electrónico de barrido

Si nos guiamos por el microscopio electrónico de barrido construído en el ejemplo de la wikipedia, vemos tres detectores diferentes. Cito textualmente, con una pequeña modificación:

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 los detectores es el que detecta electrones secundarios, y es con el que se hacen 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 espectrográfico de la composición de la muestra.

Microscopios electrónicos

Los electrones secundarios de baja energía (<50 eV) se pueden utilizar para dar un tipo de imagen. Otra técnica relacionada consiste en detectar los electrones transmitidos a través de la muestra mientras se escanea. A esta técnica se le denomina STEM, del inglés Scanning Transmission Electron Microscopy. A partir de estos electrones se construye la imagen con una ventaja adicional sobre la técnica TEM (Microscopía electrónica de transmisión), ya que reduce el daño por radiación, debido a que el haz no es estacionario sino que se mueve barriendo la muestra.

Microscopios electrónicos en la actualidad

Al principio de esta entrada dejaba un link a una noticia que comienza con un perfecto resumen, que reza lo siguiente:

Los físicos alemanes Maximilian Haider, Harald Rose y Knut Urban han sido reconocidos con el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas por “aumentar el poder de resolución del microscopio electrónico al desarrollar una óptica electrónica que permite precisión subatómica”.

Recomiendo encarecidamente su lectura, ya que se trata de un avance que ha costado muchos años de investigación y que puede ser decisiva para el despegue del campo de la nanotecnología. Amén de las particularidades que pueda aportar al diagnóstico clínico y biomédico.

Otro avance significativo en la microscopía se dio con la construcción de uno de los microscopios electrónicos más potentes del mundo, en Madrid. El poder de resolución de dicho microscopio es de 0.05 nm. Los microscopios electrónicos más potentes eran capaces de alcanzar límites de resolución de 0.2 nm, siendo lo convencional distancias entre dos puntos del orden de 4 o 5 nm.

Microscopios electrónicosImagen propiedad de Marca España

Se trata de un microscopio de transmisión con cuatro detectores STEM, entre otros detectores. Es decir, aunque se trate de un TEM, cuenta con tecnología y detectores propios de un microscopio electrónico de barrido, tal y como habíamos descrito con anterioridad.

Estas noticias nos dan muestras claras de que el objetivo, de la evolución de la microscopía, sigue siendo aumentar la resolución de los microscopios. Objetivo que no impide que se recurra a otras tecnologías en constante evolución para mejorar las prestaciones generales de los microscopios. Un ejemplo claro serían los ordenadores. Así como la capacidad que tienen éstos de tratar las imágenes y la información recogidas desde los detectores.

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