Elektronmikroskopet

Grundbeskrivelse

Sommerfugl set med et SEM. De første to billeder er set med det blotte øje og det tredje viser strukturen i sommerfuglevingen set gennem et optisk mikroskop. De sidste fire billeder er optaget med et Skanning Elektron Mikroskop (SEM) ved forskellige forstørrelser. (Wikimedia Commons)

De første elektronmikroskoper blev konstrueret i 1930'erne som næste skridt i udviklingen af mikroskoper. Det optiske mikroskop havde indtil da sat grænsen for, hvor små objekter man kunne se.

På mange måder minder elektronmikroskopet om det optiske mikroskop. Det optiske mikroskop udnytter en stråle af fotoner i form af synligt lys, hvorimod elektron-mikroskopet benytter en tynd elektronstråle. Og hvor et optisk mikroskop benytter linser til at fokusere lyset, benytter man magneter i elektronmikroskopet.

Billedtagning i de første elektron-mikroskoper fungerede meget lig røntgen-billedtagning ved, at en elektronstråle rettes mod prøven, som den passerer igennem, og derefter rammer en flourescerende skærm. En sensor på den anden side af skærmen opfanger, hvor meget der er sluppet igennem. 

Elektronstråler kan ses som en form for lysstråler under de rette omstændigheder. Elektroner kan have bølgelængder, der er langt mindre end bølgelængden af lyset i et optisk mikroskop. Derfor er det muligt at se objekter, der er op mod 9 millioner gange mindre end det, der er synligt i et optisk mikroskop. Det der bestemmer, hvor små genstande man kan se, er bølgelængden af belysningen (altså almindeligt lys eller elektroner).

Uddybende beskrivelse

Der er mange forskellige versioner af elektronmikroskopet, men de to mest almindeligt brugte er Transmissions Elektron Mikroskopet (TEM) og Skanning Elektron Mikroskopet (SEM).

Fælles for de to metoder er, at de kræver et kraftigt vakuum, og at selve prøven eller dens overflade, er elektrisk ledende. Hvilket er grunden til, at f.eks. insekter, pollen og iskrystaller belægges med et lag metal (evt. guld) inden de kan skannes.

TEM

Opbygning af Transmissions Elektron Mikroskopet (TEM). (Chano Birkelind)

TEM er den klassiske form for elektron-mikroskopi. Det bruges, når man har med en prøve at gøre, hvis tykkelse er af samme størrelsesorden, som den strækning en elektron kan rejse uden at støde ind i andre partikler (mean free path, \(\lambda_{mfp}\) ).

Mikroskopet fungerer som sagt meget som det optiske mikroskop.
I et optisk mikroskop fokuserer en række linser strålen mod prøven. Lyset, der er sluppet igennem, forstærkes derpå af endnu en række linser, før det når ens øje.

På samme måde benyttes magneter, i stedet for linser, til at fokusere elektronstrålen mod prøven i et elektron-mikroskop. Strålen forstærkes herpå, ligesom med det synlige lys, i den næste række magneter, før det rammer en flourecerende skærm. Et kamera på den anden side optager, hvor meget elektronstrålen har ændret sig. 

Det er muligt at opnå billeder med så høj en opløsning, at selve strukturen af atomgitteret er synlig på billederne.

SEM

Opløsningen af et SEM er på skalaer mindre end en nanometer, og man kan derfor få meget detaljeret information om mikroskopiske objekter.

Opbygning af Skannings Elektron Mikroskopet (SEM). (Chano Birkelind)

Skannings elektron mikroskopet virker ved, at man lader elektronstrålen feje hen over prøvens overflade i et rastermønster (prøven skannes ét punkt eller pixel i én linie ad gangen). Hvor strålen rammer bliver elektronerne reflekteret, eller sekundære elektroner, som de kaldes, dannes af efterfølgende ioniserende stråling og udsendes.

Mængden af de sekundære elektroner afhænger af vinklen mellem strålen og prøvens overflade. På en flad overflade vil den overvejende del af sekundære elektroner blive optaget i prøven, mens de for en vinklet overflade vil være delvist fri af prøven, og flere elektroner vil blive frigivet.  Elektrondetektorerne måler så mængden af hhv. reflekterede og sekundære elektroner. 

Mængden af elektroner kombineret med strålens position til hver måling giver et detaljeret billede af prøvens overflade. 

Pollen set med et skannings elektron mikroskop. (Wikimedia commons)

De karakteristiske 3-dimensionelle billeder, man ofte ser af SEM skanningen, skyldes, at den sidste linse før prøven fokuserer strålen sådan, at den krydser, hvor man ønsker sit fokus. Strålens diameter tiltager over og under overkrydsningen, hvor strålen konvergerer (samles) mod fokuspunktet, mens den under krydset divergerer (spredes). Det betyder så, at bredden af strålen er 2 pixel bred i en vis afstand d/2 over og under strålen. Den øgede diameter over og under fokus gør, at billedet i disse områder er meget sløret, mens det i fokuspunktet er skarpt. Effekten bliver, at SEM har en fantastisk dybde effekt, hvilket kommer til udtryk i de flotte billeder af biologiske materialer, man ofte præsenteres for.

Chano Birkelind