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. Skenovací (řádkovací) elektronový mikroskop (SEM) je podobně jako klasický mikroskop optický přístroj. Na rozdíl od běžných světelných mikroskopů využívá jako zdroj záření elektrony namísto fotonů a elektromagnetických čoček namísto čoček skleněných. Celý vnitřní prostor mikroskopu, jak samotný elektronový svazek, tak i vzorek, jsou ve vakuu, aby nedocházelo k interakci elektronů s vnější atmosférou.
Rozlišení a zvětšení elektronových mikroskopů se určují díky velmi krátké vlnové délce elektronů. Mez rozlišení tedy klesá na jednotky až desetiny nm v případě skenovacího resp. SEM. Jak elektronový mikroskop funguje? Elektronový paprsek vytváří obrazy v odstínech šedi, které nesou informaci o tvaru a složení částic. Základní princip TEM spočívá ve zdroji elektronů, který produkuje primární elektrony, urychluje je a formuje svazek. Prvky interakce mezi elektrony a vzorkem lze rozlišit na několik typů obrazů: BF (Back Focal), DF (Dark Field), EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) a další, včetně rentgenového záření pro prvkovou analýzu.
U 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. V TEM dopadají elektrony na výrazně větší plochu povrchu vzorku, a proto mohou po průchodu vzorkem vytvořit difrakční obrazec. Rozlišovací schopnost a maximální použitelné zvětšení optického mikroskopu jsou omezeny rozsahem vlnových délek viditelného světla. 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 a STM patří mezi SPM techniky, které umožňují popis rozložení sil na povrchu a v případě STM dosahují až atomárního rozlišení bez náročné vzorkové přípravy.
Praktické aplikace a ukázky využití elektronových mikroskopů se týkají analýzy prachu a nanočástic. Mezi signály SEM patří sekundární elektrony (SE) a zpětně odražené elektrony (BSE). SE informace o topografii, zatímco BSE poskytuje materiálovou informaci a při vysokém úhlu pohledu i difrakční módy EBSD. Při detekci chemického složení se používá EDS/WDS, které umožňují identifikaci prvků a jejich koncentrací. Rozdíl mezi EDS a WDS spočívá v rychlosti a přesnosti: EDS je rychlejší s detekčními limity kolem desetin hmotnostního podílu, zatímco WDS poskytuje vyšší přesnost s limity v jednotkách setin procenta. Augerovy elektrony umožňují prvkovou analýzu a katodoluminiscenci poskytuje barevný obraz interakcí. SEM-FIB mikroskopy umožňují in-situ mikroobrábění vzorků a nanoindentaci pro mechanické vlastnosti.
Pro velikost částic existují jak optické, tak elektronové metody. U optických mikroskopů lze stanovovat částice od cca 500 nanometrů po milimetry, ale pro elektronové se spodní hranice posouvá na stovky až desítky nanometrů. Pro přesné stanovení velikosti částic platí ISO standardy: 100 pixelů na částici pro velikost a 1000 pixelů pro tvar. Mezi další metody patří trajektorie částic v roztoku (Particle Tracking Analysis, PTA) a MADLS pro stanovení velikostí a koncentrací v širokém rozsahu. MADLS umožňuje určovat koncentraci částic pod hranicí detekce NanoSight a pracuje rychleji než konvenční mikroskopické metody.
Kde se takové analýzy hodí? Zvláště ve vývoji vakcín a léčiv, včetně cílené dopravy a uvolňování léčiv, v čistých prostorech a při sledování nanotoxikologie. Nanopóry a minerály či organické částice lze identifikovat pomocí kombinace SEM/TEM a EDS/EBSD technik. Praktické ukázky zahrnují zlato na uhlíkové podložce, diamantové vrstvy pro biokompatibilitu, či nanodráty pro potenciální senzory a fotovoltaické aplikace.
Pro popsání hlavních zjištění lze použít i tabulky a ilustrace z pramene, nicméně samotný text je soustředěn na popis průměrů, metod a aplikací spojených s měřením a identifikací částic. Pro ilustraci zobrazíme, že kontext zahrnuje jak historické milníky Brna v oblasti TEM a SEM, tak moderní přístroje a jejich kapacity pro analýzu vzdušného prachu a nanočástic.
V Brně tedy moderní SEM a TEM systémy umožňují přesně analyzovat vzdušný prach s vysokou přesností. Příprava vzorků pro TEM vyžaduje tenké řezy o tloušťce kolem 100 nm a používá se kryogenní metoda pro zachování ultrastruktury buněk. Při SEM je vzorek často naprášen kovovou vrstvou pro vodivost a pro získání kvalitních obrazů topografie a chemického složení.
Hlavní poznámkou z vývoje je, že rozdělení mikroskopů na TEM a SEM odpovídá rozdílným způsobům interakce elektronů se vzorkem a odlišným multimodálním obrazům, které lze získat. TEM zobrazuje vnitřní struktury a umožňuje difrakční analýzy; SEM se zaměřuje na povrch a 3D topografii s možností chemické analýzy.
tags: #mereni #prumeru #castit #elektronovy #mikroskop