El microscopio electrónico

Microscopio electrónico
Microscopio electrónico en la universidad de Regensburg (Fuente: High Contrast, Licencia: CC-BY-3.0-DE)

El microscopio electrónico es un instrumento de gran utilidad en la investigación científica gracias a su gran poder de aumento. Mediante este tipo de microscopio es posible aumentar imágenes de muestras hasta niveles muy superiores a los del microscopio óptico.

Para entender cómo funciona un microscopio electrónico es necesario definir algunos conceptos físicos. Uno de estos conceptos es la longitud de onda.

Dada una onda periódica, la longitud de onda es la distancia entre dos ciclos consecutivos. En el caso de la luz visible, cada onda de un determinado color tiene una longitud de onda específica. Este concepto es importante en el campo de la microscopía óptica porque está relacionado con el máximo aumento que puede alcanzarse. El máximo aumento de un microscopio es proporcional a la longitud de onda del medio con el que se observa. A menores longitudes de onda, mayor resolución puede obtenerse. Por este motivo, el máximo aumento que se puede obtener con un microscopio óptico difícilmente supera los 1500 aumentos.



El principio de funcionamiento de un microscopio electrónico se basa en utilizar electrones en lugar de luz visible. La longitud de onda con la que se mueve un electrón es inversamente proporcional a su velocidad. Esto significa que si los electrones son acelerados a altas velocidades pueden obtenerse longitudes de onda muy cortas.

Un microscopio electrónico utiliza esta idea para observar las muestras. A un nivel muy básico consiste en una fuente de electrones que son acelerados a gran velocidad. Estos electrones impactan con la muestra de modo equivalente a como la luz podría iluminarla. Algunos de estos electrones son reflejados por la muestra y otros la atraviesan. Mediante la detección estos electrones es posible reconstruir una imagen de la muestra.

Los microscopios ópticos pueden clasificarse entre microscopios de luz transmitida y microscopios de luz reflejada. De un modo similar, dependiendo de la técnica utilizada en los microscopios electrónicos, puede distinguirse entre microscopios electrónicos de transmisión y microscopios electrónicos de barrido.

A continuación presentamos los elementos principales de este tipo de microscopio. También presentamos brevemente la historia de este invento y una explicación en detalle de los distintos tipos de microscopio electrónico.


Partes del microscopio electrónico

Las partes principales de un microscopio electrónico incluyen aquellos elementos utilizados para generar electrones y dirigirlos hacia la muestra. Esto incluye:

Fuente de electrones

Es equivalente a la fuente de luz en un microscopio óptico. En este caso es necesario disponer de un emisor de electrones. En general se utiliza un filamento de tungsteno. Este filamento es calentado de modo que la energía de sus átomos y electrones aumenta. A partir de un cierto nivel energético los electrones poseen suficiente energía para escapar de sus átomos. Estos electrones libres son a continuación dirigidos hacia la muestra.

Lentes electromagnéticas

Los microscopios ópticos utilizan lentes convergentes y divergentes para desviar los rayos de luz y aumentar así la imagen de la muestra. Este mismo procedimiento no puede ser aplicado para desviar la trayectoria de los electrones. En lugar de utilizar lentes de vidrio, los microscopios electrónicos utilizan lentes electromagnéticas. Estas lentes generan campos eléctricos y magnéticos de modo que su interacción con los electrones hace que sus trayectorias diverjan o converjan en un punto.

Cámara de vacío

El procedimiento expuesto anteriormente debe llevarse a cabo dentro de una cámara de vacío. De lo contrario, los electrones interactuarían con las moléculas del aire y no sería posible determinar sus trayectorias adecuadamente. La muestra que se observa debe colocarse también dentro de la cámara de vacío. Este es uno de los motivos por el cual no es posible observar muestras vivas con un microscopio electrónico.

Detector (Pantalla fluorescente)

Una vez los electrones han impactado contra la muestra es necesario medir algún tipo de información para poder reconstruir la imagen de la muestra. Una opción consiste en utilizar una pantalla fluorescente. Esta pantalla reacciona de modo distinto según cual sea el número de electrones que impactan en ella. De este modo es posible detectar las zonas donde impactan más o menos electrones y deducir así la imagen de la muestra. Existen alternativas a las pantallas fluorescentes, por ejemplo, sensores CCD.

A continuación, la información capturada por la pantalla fluorescente es transmitida a un ordenador que puede asignar colores artificiales a la imagen obtenida. En los microscopios ópticos estos componentes no son necesarios porque la luz proveniente de la muestra es directamente observada con el ojo humano. Dado que nuestros ojos no están preparados para detectar electrones debemos incorporar este elemento detector en un microscopio electrónico.

Partes del microscopio electrónico
Partes del microscopio electrónico

Tipos de microscopios electrónicos

Existen dos tipos principales de microscopios electrónicos. Los microscopios electrónicos de transmisión y los microscopios electrónicos de barrido. A continuación presentamos sus detalles:

Microscopio electrónico de transmisión (MET)

La principal característica del microscopio electrónico de transmisión es que se utilizan los electrones que atraviesan la muestra.

En primer lugar los electrones son conducidos hacia la muestra mediante las lentes electromagnéticas. Cuando los electrones impactan contra la muestra, algunos de ellos consiguen atravesarla y otros son dispersados. Los electrones que pueden pasar al otro lado de la muestra son capturados por un detector dando lugar así a una imagen.

La cantidad de electrones que atraviesa la muestra sin desviarse varía en función de las características internas de la muestra. Dicho de otro modo, hay partes de la muestra que presentan más transparencia a los electrones que otras. Esto da lugar a zonas más oscuras (menos electrones atraviesan la muestra y llegan al detector) y zonas más claras (más electrones atraviesan la muestra y llegan al detector).

Para utilizar esta técnica es necesario preparar la muestra para que sea muy delgada (espesor inferior a 2000 ángstroms). De lo contrario, demasiado espesor impide que los electrones puedan atravesarla.

Leucocito (Glóbulo blanco) observado con un microscopio electrónico de transmisión
Leucocito (Glóbulo blanco) observado con un microscopio electrónico de transmisión

Esta técnica de microscopía es muy útil para visualizar los detalles internos de una muestra, por ejemplo, estructuras cristalinas. A nivel conceptual esta técnica es similar a realizar una radiografía de la muestra.

La principal limitación que tiene esta técnica es que no permite extraer información de la superficie de la muestra. Es decir, no permite observar detalles como la forma o rugosidad de la muestra que se observa. Para observar este tipo de características es necesario utilizar la microscopía electrónica de barrido.

Video explicativo del microscopio electrónico de transmisión:

(Subtítulos disponibles en español) / Autor: Jubobroff / Licencia: CC-BY-SA 4.0

Microscopio electrónico de barrido (MEB)

En el microscopio electrónico de barrido también es necesario que los electrones impacten contra la muestra. En este caso, los electrones no iluminan toda la muestra simultáneamente sino que se hace un escaneado recorriendo los distintos puntos de la muestra.

Cuando los electrones impactan con la muestra estos pierden parte de su energía debido a distintas interacciones. Parte de su energía inicial se transforma en calor o en emisiones de rayos X. Además, se produce también la emisión de electrones que se desprenden de la superficie de la muestra. Estos electrones se conocen como electrones secundarios.

El principio de funcionamiento de los microscopios electrónicos de barrido se basa en medir alguna de estas propiedades para extraer información de la muestra observada. Generalmente, esto consiste en medir la cantidad de electrones secundarios que emite la superficie cuando es bombardeada con electrones.

Grano de polen observado con un microscopio electrónico de barrido
Grano de polen observado con un microscopio electrónico de barrido

Esta técnica de microscopía es muy útil para observar los detalles de la superficie de microorganismos. Es habitual realizar una preparación de la muestra depositando primero una capa de metal sobre la muestra. De esta forma, existen más electrones secundarios que pueden desprenderse cuando se aplica el haz principal de electrones. Este proceso de preparación es en general más sencillo que el que se debe realizar para la microscopía electrónica de transmisión.

El aumento que alcanzan este tipo de microscopios es menor que el que se puede obtener con un microscopio electrónico de transmisión. Sin embargo, la información tridimensional que proporciona esta técnica lo convierte en un instrumento muy útil para determinados tipos de muestras.

Video explicativo del microscopio electrónico de barrido:

(Subtítulos disponibles en español) / Autor: Jubobroff / Licencia: CC-BY-SA 4.0

Historia del microscopio electrónico

El microscopio electrónico es un invento del siglo XX que fue posible gracias a los avances en el campo de la física de las partículas. Uno de los avances importantes fue el descubrimiento de la naturaleza ondulatoria del electrón por parte de Louis-Victor de Broglie. Esto le valió el premio Nobel en 1929.

Los ingenieros alemanes Ernst Ruska y Max Knoll se dieron cuenta de que estos conocimientos justificaban la viabilidad del microscopio electrónico. En seguida se pusieron a construir el primer prototipo con la intención de alcanzar aumentos a un nivel sin precedentes. En 1931 presentaron su primer prototipo funcional. Esto demostró que era posible construir un microscopio electrónico. No obstante, el aumento obtenido con este primer prototipo estaba lejos del que se podía obtener con un microscopio convencional. Mientras que un microscopio óptico puede alcanzar aumentos cerca de 1500x, este primer prototipo solo alcanzaba los 400x.

Los resultados fueron, sin embargo, muy prometedores y solo dos años más tarde fueron capaces de construir un microscopio electrónico con mayor aumento que el de un microscopio óptico. En 1938 Siemens empezó a comercializar el primer microscopio electrónico.

Los microscopios electrónicos construidos por Ernst Ruska eran microscopios electrónicos de transmisión. Esto significa que los electrones atraviesan la muestra y a continuación impactan contra un detector que reconstruye la imagen. Este principio es el mismo que se utiliza en los microscopios electrónicos de transmisión actuales, llegando a alcanzar aumentos de 2000000x.

A finales de los años treinta, Manfred von Ardenne empezó a desarrollar un nuevo tipo de microscopio electrónico: el microscopio electrónico de barrido. En este microscopio los electrones no atraviesan la muestra sino que son parcialmente reflejados. Con los procedimientos adecuados resulta posible también reconstruir la imagen de la muestra.

El microscopio electrónico resultó ser de gran utilidad una vez alcanzó la madurez tecnológica. Ernst Ruska recibió en 1989 el premio Nobel de física por sus aportaciones en este campo.

En el año 2010 el centro de investigación Jülich de Alemania empezó a construir el microscopio electrónico más potente del mundo. Su construcción costó 15 millones de euros y duró dos años. Este microscopio, conocido con el nombre PICO, puede alcanzar una resolución de 50 picómetros.


Resumen

  • El microscopio electrónico es un tipo de microscopio con una capacidad de aumento muy superior a la del microscopio óptico.
  • Su principio de funcionamiento se basa en utilizar electrones en lugar de luz para obtener una imagen de la muestra.
  • Las partes principales del microscopio electrónico son: una fuente de electrones, un conjunto de lentes electromagnéticas, una cámara de vacío y una pantalla fluorescente. Adicionalmente es necesario un ordenador para operar el microscopio y procesar las imágenes obtenidas.
  • Los dos principales tipos de microscopio electrónico son el microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido.
  • El microscopio electrónico de transmisión es utilizado para observar las estructuras internas de una muestra. En cierto modo, es similar a hacer una radiografía de la muestra con un gran aumento.
  • El microscopio electrónico de barrido se utiliza para visualizar la forma tridimensional o topografía de una muestra.

Material adicional

Colección de imágenes obtenidas con el microscopio electrónico: