T13El Microscopio Electrónico: Fundamentos

El Microscopio Electrónico

• El microscopio electrónico revolucionó la investigación, primero con el de transmisión y luego con el de barrido.
• En los últimos 20 años, surgieron diversos modelos que impulsaron la investigación en medicina, biología y nuevas tecnologías.

Generalidades del Microscopio Electrónico

• Inventado a principios del siglo XX, mejoró significativamente a finales de los años 30, dando origen al microscopio electrónico de transmisión y de barrido.
• Utiliza electrones en lugar de luz visible, ofreciendo un mayor poder de aumento.
• Sus componentes principales son: fuente de electrones, lentes electromagnéticas, cámara de vacío y pantalla fluorescente.
• La fuente de electrones es un hilo de wolframio (tungsteno) que, al calentarse, aumenta la energía de los electrones.
• Las lentes electromagnéticas producen campos eléctricos y magnéticos para converger o divergir los electrones.
• La cámara de vacío es necesaria para que los electrones sigan su trayectoria sin dispersión.
• La pantalla fluorescente capta el flujo de electrones, y se conecta a un ordenador para mostrar la imagen.

Poder de Resolución

• Es la capacidad de distinguir detalles muy finos en una imagen.
• La resolución del ojo humano es de aproximadamente 0,1 milímetros.
• La resolución se define como la distancia mínima medible entre dos puntos para distinguirlos por separado.
• El haz de electrones atraviesa una lente, formando una imagen difusa llamada disco de Airy.
• El proceso se debe al efecto de difracción, influenciado por imperfecciones en la lente.
• Según Rayleigh, dos puntos se distinguen cuando el máximo de intensidad del disco de Airy coincide con el primer mínimo del segundo disco.
• Existen microscopios electrónicos simples (TEM y SEM) y compuestos (protónico, de excitación e iónico).

Tipos de Microscopios Electrónicos

• Microscopio electrónico de transmisión (TEM) y microscopio electrónico de barrido (SEM) son los que se estudian en detalle.
• Características de los microscopios:
  • TEM:
    • Observación a través de la muestra (transiluminación).
    • Requiere láminas muy finas de muestra en rejillas de cobre.
    • La muestra se observa en una pantalla fluorescente.
    • Resolución de 0,2 nm.
  • SEM:
    • Observación de la superficie de una muestra sólida (epiiluminación).
    • Escanea la superficie con un haz de electrones.
    • La muestra se ve en un monitor de televisión.
    • Resolución de 10 nm y aumento hasta 20000x.
    • Produce imágenes en 3D.

Microscopio Electrónico de Transmisión (TEM)

• Permite observar estructuras biológicas y no biológicas a escalas muy pequeñas.
• Requiere muestras muy finas para que los electrones las atraviesen.
• Componentes:
  • Platina: permite el movimiento de la muestra perpendicular al eje.
  • Columna: mantiene el vacío y permite el paso de electrones.
  • Sistema óptico: condensador, lente objetivo y lente proyectora.
  • Pantalla y cámara fotográfica.
• Procedimiento para visualizar un tejido:
  • Fijación con tetraóxido de osmio (OsO4) y glutaraldehído.
  • Contraste con Os04.
  • Deshidratación para evitar la dispersión de electrones.
  • Inclusión en óxido de propileno y/o resinas acrílicas.
  • Corte con ultramicrotomo (100 nm).
  • Visualización y captura mediante micrografías.

Aplicaciones del TEM

• Mayoritariamente en investigaciones biológicas y biomédicas
• Es una herramienta imprescindible en los laboratorios patológicos.
• Se utiliza en el sector metalúrgico y cristalografía.
• Comúnmente utilizado para:
  • Petrología y mineralogía.
  • Estudios de la estructura celular.
  • Histología e inmunohistoquímica.
  • Virología.
  • Citoquímica.
  • Estudios de componentes moleculares.
  • Estudio de enfermedades microbianas.
  • Análisis de muestras clínicas (orina, sangre, heces, biopsias, etc).

Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)

• A diferencia del TEM, el haz de electrones incide sobre la superficie de la muestra sin atravesarla, permitiendo visualizar la estructura tridimensional.
• Componentes similares al TEM:
  • Sistema de vacío
  • Filamento
  • Lentes electromagnéticas
  • Dispositivo de escaneo
  • Detector de electrones secundarios
  • Pantalla
• Procedimiento para visualizar un tejido:
  • Fijación
  • Deshidratación con fluidos de transición
  • No se realiza corte
  • Contraste con grafito u oro.
  • Visualización y captura mediante micrografías

Aplicaciones del SEM

• Se usa en multitud de estudios, desde la industria petroquímica hasta la medicina forense.
• Áreas destacadas:
  • Geología (estudio morfológico y estructural de minerales)
  • Odontología (estudio del esmalte dental y microorganismos en superficies vestibulares)
  • Control y calidad de productos.
  • Industria textil (análisis de fibras).
  • Estudio morfológico de pruebas en medicina forense.
  • Botánica, medicina y biomedicina (restauración).
  • Electrónica.
  • Biología celular (observación de células y tejidos).

Microanálisis (AEM)

• Es un tipo de microscopía electrónica analítica que utiliza tanto el TEM como el SEM.
• Equipamiento requiere bobinas para escanear la muestra, y un dispositivo auxiliar que captura la emisión de rayos X mediante espectroscopia de dispersión de energía (EDX) y la pérdida de energía de los electrones (EELS).
• Otras técnicas incluyen catodoluminiscencia y espectroscopia de Auger.
• La espectroscopia de Auger se basa en la emisión de electrones secundarios y es útil para estudiar muestras con bajo número atómico.
• La catodoluminiscencia consiste en la emisión de fotones de una muestra bombardeada por electrones y sirve para estudiar las impurezas de un material.

Variantes de la Microscopía Electrónica

• La microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) combina los modelos TEM y SEM. Utiliza un haz de electrones como el TEM, requiriendo muestras finas, e identifica además otras señales como electrones secundarios, rayos X, etc.
• La STEM utiliza sistemas de campo claro y campo oscuro para generar la imagen.
• Diferencias basadas en el detector:
  • Imagen de STEM en campo claro: baja resolución, alto contraste y ruido.
  • Imagen de STEM en campo oscuro: menos ruido, pero menor resolución, salvo en muestras de gran grosor.

Caso práctico 1: “Caracterización de defectos en sólidos”

• La técnica más utilizada es la microscopía electrónica (TEM, SEM, STEM).
• Permite observar defectos en sólidos desde micrómetros hasta nanómetros.
• Se pueden observar defectos lineales (dislocaciones), fracturas, microgrietas y maclas.

Caso práctico 2: “¿Cómo se forma la imagen en el microscopio electrónico?”

• El procedimiento requiere:
  • Un haz de electrones dirigido a la muestra.
  • Emisión de señales detectadas y transformadas en imágenes.
  • Formación de la imagen en una pantalla fluorescente (TEM) o monitor de televisión (SEM).

Posibles Problemas con Microscopía Electrónica

• Similares a los del microscopio óptico, basados en las aberraciones (desviaciones en el enfoque).
• Tipos de aberraciones:
  • Esféricas: incapacidad para focalizar el haz, mitigada por monocromadores.
  • Cromáticas: causadas por diferentes energías de los electrones, generando imágenes borrosas y eliminadas por la unión lentes con diferentes índices de refracción-
  • Astigmatismo: asimetría en el campo magnético, causando imágenes poco nítidas y distorsionadas.

Resumen y resolución del caso práctico de la unidad

• El microscopio electrónico inventado en el siglo XX mejoró el aumento y resolución gracias a su composición.
• Tipos principales:
  • TEM (estudios en virología y enfermedades microbianas, observando a través de cortes finos).
  • SEM (industria textil, electrónica, medicina forense, observando la superficie de muestras sólidas).
• La microscopía electrónica de transmisión de barridos (STEM) es una combinación de ambos.
• Al igual que el microscopio óptico, existen problemas relacionados con la observación de las imágenes, como las aberraciones y astigmatismo, entre otros.
• Los avances permitieron el microscopio iónico (haz de iones enfocados FIB), utilizado en la industria de semiconductores y análisis de materiales biológicos.

Explora el microscopio electrónico, una herramienta esencial en medicina, biología y tecnología. Descubre sus componentes clave, desde la fuente de electrones hasta las lentes electromagnéticas, y cómo revolucionó la investigación científica.