Díky elektronovým mikroskopům vědci odhalují spoustu neprobádaných oblastí například v medicíně, výzkumu nových léčiv, archeologii, kriminalistice nebo leteckém průmyslu.
Historie elektronové mikroskopie v Brně se začala psát v roce 1947, kdy byly do tehdejšího Československa v rámci poválečné pomoci dodány první dva elektronové mikroskopy.
Podle nich začali vědci na půdě Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky Vysokého učení v Brně experimentovat s elektronovými čočkami.
O pár let později tým pod vedeném profesora Aleše Bláhy, do kterého patřil Armin Delong, Vladimír Drahoš, Ladislav Zobač a konstruktér Jan Speciálny, sestrojil první československý komerčně dostupný elektronový mikroskop Tesla BS 241.
Na úspěch prvního tým navázal stolním elektronovým mikroskopem Tesla BS 242, který oslnil i světovou porotu na výstavě EXPO 1958 v Bruselu.
Aktuálně v Brně působí tři významní producenti elektronových mikroskopů: Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments, kteří ročně celkem vyrobí zhruba 700 kusů těchto přístrojů.
Optický mikroskop pro zobrazení využívá světelných paprsků.
V elektronovém nahrazují světlo elektrony a místo skleněných čoček se využívají čočky elektromagnetické.
A protože vlnová délka elektronů je podstatně kratší než u viditelného světla, má elektronový mikroskop také vyšší rozlišovací schopnost, díky čemuž dosahuje mnohem vyššího zvětšení než optický mikroskop.
Optický mikroskop zvětšuje při obyčejném světle cca 1500 x.
Oproti tomu elektronové mikroskopy dokážou zvětšit pozorovaný objekt až milionkrát.
Princip fungování elektronového mikroskopu krásně shrnul Pavel Liška v jednom z dílů NEZkreslené vědy.
Elektronový mikroskop nepracuje se světlem, ale s elektrony, proto jsou všechny snímky v odstínech šedi.
Existují dva základní druhy elektronových mikroskopů - prozařovací (transmisní elektronová mikroskopie - TEM) a rastrovací (skenovací elektronová mikroskopie - SEM).
U prozařovacího elektronového mikroskopu elektrony procházejí skrz zkoumaný vzorek a poté jsou detekovány.
Je zapotřebí používat tenké vzorky a vysoké energie, aby mohly elektrony zkoumaným předmětem projít.
Velikost elektronových mikroskopů je velmi rozmanitá.
Některé elektronové mikroskopy jsou velmi kompaktní a pohodlně se vejdou na stůl.
Vždy záleží na konkrétním druhu přístroje.
Naše brněnské oddělení kvality ovzduší je jako jediné pracoviště ČHMÚ vybaveno skenovacím elektronovým mikroskopem (MIRA3, Tescan).
Pokud nahlédneme do historie elektronové mikroskopie (elektron byl jako částice objeven J. J. Thomsonem v roce 1897), první prototyp elektronového mikroskopu na světě pochází z rukou německých vědců Ernesta Rusky a Maxe Knolla, jeho fotografii zveřejnili ve své publikaci již v roce 1932.
Vývoj a výroba elektronových mikroskopů v bývalém Československu a Česku jsou již po desetiletí úzce spjaty s Brnem.
Tým profesora Aleše Bláhy a jeho studentů Armina Delonga, Vladimíra Drahoše, Ladislava Zobače a dalších již roku 1951 uvedl do sériové výroby první elektronový mikroskop s označením Tesla BS 241.
V té době vyráběly elektronové mikroskopy jen tři země na světě.
V roce 1958, na světové výstavě EXPO v Bruselu, získal elektronový mikroskop Tesla BS 242 zlatou medaili.
V dalších letech vznikaly nové prototypy elektronových mikroskopů v Ústavu přístrojové techniky ČSAV pod „taktovkou“ jeho spoluzakladatele a dlouholetého ředitele ústavu, prof. Armina Delonga.
Podnik Tesla Brno s více než 3000 vyrobených elektronových mikroskopů byl tedy svého času velmi úspěšný podnik, nicméně „neustál“ převratné změny počátku 90.
Zkušenosti a potenciál odborníků ze společnosti Tesla však nepřišly vniveč a na jejím místě vyrostly hned tři úspěšné firmy zabývající se vývojem a výrobou elektronových mikroskopů - Tescan, Thermo Fisher Scientific (dříve FEI) a Delong Instruments.
Celá třetina celosvětové produkce elektronových mikroskopů tak pochází z České republiky resp.
Základní vlastností každého mikroskopu je jeho rozlišovací schopnost, tedy schopnost zobrazovat odděleně drobné detaily pozorovaného objektu.
Lidské oko vidí ve vzdálenosti 25 cm (konvenční zraková délka) dva body předmětu odděleně, jsou-li od sebe vzdáleny nejméně 0,1 mm.
Použijeme-li optického přístroje, např. světelného mikroskopu, můžeme odděleně vidět body, které jsou mnohem blíž u sebe, nicméně již koncem 19. století ukázali nezávisle na sobě Lord Rayleigh a E. Abbe, že mez rozlišení světelného mikroskopu omezená difrakcí světla je i v případě nejkvalitnějších objektivů s velkými aperturami rovna přibližně polovině vlnové délky použitého světelného záření, tj. cca 200 nm v případě světla fialové barvy.
Tento požadavek dokonale splňují elektrony, které můžeme díky jejich zápornému náboji urychlovat a tím snižovat vlnovou délku elektronového paprsku.
Mez rozlišení tak klesá na jednotky až desetiny nm v případě skenovacího resp. A jak elektronový mikroskop funguje?
Pozn. Titulní snímek zobrazuje okem neviditelné prachové částice rozptýlené v ovzduší.
První komerčně využitelný transmisní elektronový mikroskop byl vyroben v roce 1939 firmou Siemens.
Tento typ mikroskopu je svou konstrukcí a principem činnosti bližší světelnému mikroskopu, který zobrazuje pro světlo průsvitný vzorek.
Základní princip činnosti TEM, který je schematicky zobrazen na obr. Základem je zdroj elektronů, který produkuje tzv. primární elektrony.
Ty jsou ještě před opuštěním zdroje elektronů zformovány do svazku, v němž jsou elektrony s přibližně stejnou kinetickou energií.
Svazek elektronů je urychlován pomocí anody, která současně formuje i trajektorii elektronů.
Zásadním rozdílem vzhledem k SEM je umístění a vlastnosti vzorku.
Elektrony se vzorkem interagují a procházejí do dalších částí elektronového mikroskopu.
Pomocí projekčních čoček jsou formovány tak, aby většina elektronů dopadla do detektoru.
Obr. Elektrony, které reagují se vzorkem různými způsoby, jsou detekovány odlišně.
A proto mohou vytvořit různé typy obrazů téhož vzorku.
První možností interakce je průchod elektronů vzorkem (viz obr. 211).
Takto prošlé elektrony nepředávají vzorku svou energii; tu předají až detektorům, ve kterých jsou detektovány.
Tento typ elektronů se podílí na obrazu označovaném jako BF (Back Focal).
Obr. Druhou možností je absorpce primárního elektronu (viz obr. 212).
V tomto případě předává primární elektron svou kinetickou energii jinému elektronu v elektronovém obalu atomu vzorku.
Další osud tohoto elektronu je závislý na energetickém stavu, ve kterém se atom nachází.
Obr. Třetí možností interakce elektronu s materiálem vzorku je nepružný rozptyl elektronu v elektrostatickém poli ostatních elektronů (viz obr. 213) nebo pružný rozptyl v elektrostatickém poli atomového jádra.
Závisí totiž na vzájemné hmotnosti interagujících objektů.
Tento typ interakce se podílí na vzniku DF (Dark Fieldd) obrazu; na něm jsou světlé plochy odpovídající místům vzorku, která rozptylují elektrony.
Současně má tento typ interakce vliv i na ED (Electron Diffraction) obraz, který je dán difrakcí elektronů.
Obr. Čtvrtou možností interakce primárních elektronů s elektrony v atomovém obalu atomů vzorku je vznik charakteristického rentgenového záření.
Primární elektron vyrazí jiný elektron na nižší energetickou hladinu (nebo z atomu ven) a na jeho místo přejde elektron z vyšší energetické hladiny.
Při tomto přechodu vyzáří kvantum rentgenového záření (viz obr. 214).
Tento typ interakce se podílí na EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) obrazu, pomocí kterého lze získat informace o prvcích přítomných ve vzorku.
Obr. V případě TEM lze navíc proměřit i difrakci elektronů, která v SEM nenastává.
Příčina je jednoduchá: SEM pracuje ve skenovacím režimu a na vzorek tedy dopadá úzký svazek primárních elektronů postupně do různých míst vzorku (vzorek je svazkem elektronů skenován).
V TEM dopadají elektrony na výrazně větší plochu povrchu vzorku, a proto mohou po průchodu vzorkem vytvořit difrakční obrazec.
Schematicky je tato situace zobrazena na obr. 215 a obr. 216.
Obr. Obr. Rozlišovací schopnost a maximální použitelné zvětšení optického mikroskopu jsou omezeny rozsahem vlnových délek viditelného světla.
Platí, že nejmenší vzdálenost dvou objektů, které lze v pod mikroskopu ještě rozpoznat, je polovina vlnové délky použitého světelného záření.
Fyzikální mez rozlišovací schopnosti optického mikroskopu je tak necelých 200 nm a maximální užitečné zvětšení mikroskopu s kvalitní optikou a imerzním objektivem nepřesáhne 1500×.
Vlnové délky urychlených elektronů jsou o mnoho řádů menší než vlnové délky fotonů viditelného světla.
AFM mikroskopie atomárních sil je založena na mapování rozložení atomárních sil na povrchu vzorku.
Tytoto síly jsou mapovány přiblížením hrotu k povrchu, čímž vzniká přitažlivá nebo odpudivá síla, která způsobí ohnutí nosníku, na němž je upevněn hrot.
Toto ohnutí je snímáno laserovým snímačem.
STM skenující tunelovací mikroskopie je jedna z metod SPM.
Její princip je založen na kvantové fyzice.
Mezi hrotem elektrody a zkoumaným vzorkem teče proud díky tunelovému jevu i když se hrot vzorku přímo nedotýká.
Při pohybu nad vzorkem se mění vzdálenost hrotu tak, aby tunelový proud zůstával stejný.
Jako jedna z mála metod je schopna poskytnout až atomární rozlišení, přičemž je zároveň vcelku jednoduchá.
Oproti ostatním metodám (transmisní elektronová mikroskopie, autoemisní iontová mikroskopie) nevyžaduje náročnou přípravu vzorku.
Teď se vraťme k prachu a ukážeme, jak mohou elektronové mikroskopy odhalit jeho složení a strukturu na nanoúrovni.
Prášek v ovzduší má často složité složení a mikrostrukturu, kterou lze studovat jen s vysokým zvětšením a vhodnou detekcí prvků.
EDX obraz umožňuje zjistit prvky přítomné ve vzorku a jejich relativní zastoupení.
Dark Field obraz vede k lepšímu rozlišení některých detailů, které by jinak zůstaly skryté.
Difrakce elektronů v TEM pak odhaluje krystalovou strukturu a možné fáze materiálu ve vzorku.
V praxi to znamená, že prachové částice mohou být identifikovány podle jejich chemického složení a krystalické struktury.
V Brně se k tomuto účelu používají moderní SEM a TEM systémy k analýze vzdušného prachu s vysokou přesností.
Transmission Electron Microscope (TEM) | How do Electron Microscopes Work?
Hlavní principy a praktické využití při studiu prachu
Mez rozlišení klesá na jednotky až desetiny nm v případě skenovacího mikroskopu, což umožňuje vizualizovat nanočástice prachu.
Elektronový paprsek vytváří obrazy v odstínech šedi, které nesou informaci o tvaru a složení částic.
Vysoké energetické elektrony procházející vzorkem poskytují silný kontrast mezi různými materiály v prachových částech.
Topografické i materiálové informace získáme z postupného zkoumání různých interakcí elektronů se vzorkem.
V praxi to znamená, že lze identifikovat minerály, organické zbytky i mikroorganismy obsažené v prachu.
A díky specializovaným technikám lze stanovit i relativní zastoupení prvků a jejich chemické prostředí.
tags: #elektronovy #mikroskop #prach