Elektronimikroskooppi

Siemens Elmiskop 1A -elektronimikroskooppi

Aikuinen mäkärä (Simulium yahense). Jokisokeutta aiheuttava parasiitti (Onchocerca volvulus) näkyvissä hyönteisen tuntosarvessa. Elektronimikroskooppikuvan suurennos 100×.

Elektronimikroskooppi (EM) on mikroskooppi, jossa käytetään näkyvän valon sijasta elektronisuihkua. Tämä mahdollistaa tavallista valomikroskooppia huomattavasti pienempien yksityiskohtien havaitsemisen. Ensimmäisen elektronimikroskoopin rakensi saksalainen fyysikko Ernst Ruska vuonna 1932 toisen saksalaisen fyysikon Max Knollin kanssa. Ruskalle myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1986. Suomen ensimmäisen elektronimikroskoopin rakensi Alvar Wilska.

Elektronimikroskoopin erottelukyky on parhaimmillaan noin 2 nanometriä. Sillä voidaan siis erottaa huomattavasti pienempiä rakenteita kuin valomikroskoopilla. Elektronimikroskoopilla voidaan erottaa solusta eri soluorganelleja, kun taas valomikroskoopilla erotetaan lähinnä solukalvo, solulima ja tuma.

Ernst Ruskan vuoden 1933 elektronimikroskoopin kopio museoituna.

Historia

Valon aaltomaisuuden ja elektronin löytymisen jälkeen usea fyysikko oli ehdottanut sellaisen mikroskoopin rakentamista, jossa käytettäisiin näkyvää valoa lyhyempiä aallonpituuksia, koska silloin on teoriassa mahdollista saada näkyviin pienempiä yksityiskohtia. Yksi näistä tiedemiehistä oli Leó Szilárd. Hans Busch oli vuonna 1926 julkaisut artikkelin, jossa kuvattiin magneettilinssien toimintaperiaate.

Vuonna 1930 Siemens-Schuckertwerken tutkimusjohtajan Reinhold Rudenbergin (1883–1961) poika sairastui polioon. Polion aiheuttaa virus, jotka ovat liian pieniä nähtäväksi mikroskoopilla. Rudenberg alkoi selvittää ongelmaa teoreettisista tutkimuksista ja esitti ajatuksen mikroskoopista, jossa valo on korvattu elektronisuihkulla ja lasilinssit elektrostaattisilla linsseillä. Siemens-Schuckertwerke, joka on nykyään osa Siemens AG:ta, patentoi periaatteen 1931. Ernst Ruska rakensi vuonna 1932 ollessaan vielä jatko-opiskelijana protolaitteen, joka saatiin toimimaan, vaikka suurennus ei tällä ollut ajan parhaimpia valomikroskooppeja parempi. Siemens palkkasi Ruskan vuonna 1937 kehittämään laitetta biologian tutkimusvälineeksi ja vuonna 1939 saatiin markkinoille ensimmäinen kaupallinen TEM-mikroskooppi. Ernst Ruska ja hänen lääkäriveljensä Helmut Ruska ottivat ensimmäiset kuvat viruksista.

Nykyään elektronimikroskoopeilla päästään 2 miljoonan suurennuksiin ja laitteen eri muunnelmista on tullut tieteen tärkeimpiä tutkimusvälineitä.

Elektronimikroskoopin toimintaperiaate

Elektronimikroskoopit jaetaan kahteen perustyyppiin: läpäisyelektronimikroskooppeihin ja pyyhkäisyelektronimikroskooppeihin. Lisäksi voidaan käyttää näiden tekniikoiden yhdistelmää.

1. Läpäisyelektronimikroskoopilla (TEM, Transmission Electron Microscope) kuva muodostetaan fluoresoivalle levylle. Tämä tapahtuu siten, että näytteen läpi ohjataan elektroneja magneettilinssien avulla.
2. Pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM, Scanning Electron Microscope) kuva muodostetaan näyttöruudulle elektroneista, jotka irtoavat tai heijastuvat näytteen pinnasta. Näin saatu pintakuva näyttää pinnanmuodot hyvin yksityiskohtaisesti.
3. Kolmas tekniikka yhdistää edellä mainitut kaksi perustyyppiä. Sitä kutsutaan pyyhkäisy-läpivalaisuelektronimikroskoopiksi (STEM, Scanning Transmission Electron Microscope). Mikroskoopilla skannataan ohuen näytteen pintaa elektronisuihkulla ja muodostetaan kuva läpimenneiden elektronien avulla.
4. Näytteiden pinnanmuotoja voidaan kuvata myös pyyhkäisytunnelointimikroskoopilla, joskin sen toimintaperiaate poikkeaa täysin tavanomaisista elektronimikroskoopeista.

Elektronitykki ja säteen ohjaus

Elektronimikroskoopin elektronisuihku muodostetaan mikroskoopin ylimmässä osassa, elektronitykissä. Tykki on sisältä tyhjiö, niin kuin koko mikroskoopin sisäosat. Tykin sisällä on hehkulanka, josta irrotetaan elektroneja korkean jännitteen (20–1000 kV) avulla. Kiihdytetyt elektronit ohjataan mikroskoopin optiikkaan, joka koostuu sähkömagneettilinsseistä ja apertuureista. Elektronisuihku käyttäytyy kuten hiukkassuihku ja sitä voidaan fokusoida ja poikkeuttaa magneettilinssien avulla.

Elektronidiffraktio

Elektronisuihku käyttäytyy kiteisessä materiaalissa kuin aaltoliike, eli siroaa kiderakenteen edellyttämällä tavalla, kuten röntgenaallot. Siksi elektronimikroskooppi antaakin hyvät mahdollisuudet tutkia myös aineen kiderakennetta samanaikaisesti mikroskooppisen tutkimuksen kanssa.

Analyysilaitteet

Elektronisuihku herättää näytteessä myös röntgensäteilyä, jonka spektriä analysoimalla päästään kiinni tutkittavan materiaalin kemialliseen koostumukseen. Röntgenspektrometrejä on sekä energia- (EDS) että aaltodispersiivisiä (WDS). Läpivalaisumikroskoopissa voidaan mitata myös elektronien näytteen läpäistessään menettämä energia, ns. energy-loss-spektri, joka kertoo myös näytteen koostumuksesta.

Muut oheislaitteet

Elektroniikan ja tietotekniikan kehittyminen on mahdollistanut myös ns. kuva-analyysin teon elektronimikroskoopissa. Näin esimerkiksi sulkeuma-analyysin teko SEM:iin kytketyn röntgenanalysaattorin ja kuva-analysaattorin avulla on antanut sulametallurgiaan uutta ulottuvuutta.

Merkittäviä mikroskooppimalleja

• Philips EM100 1940-luku
• RCA EMU-2 1940-luku
• Siemens Elmiskop 1 1952
• Siemens Elmiskop 1A 1964
• Philips EM300 ~1965
• JEOL 120CX ~1969
• JEOL 200CX ~1975

Katso myös

• Tunnelointimikroskooppi
• Atomivoimamikroskooppi

Lähteet

• Chaline, Eric: 50 konetta, jotka muuttivat maailmaa (50 Machines that Changed the Course of History). Suom. Veli-Pekka Ketola. Quid Publishing, (suom. versio Moreeni 2013), 2012. ISBN 978-952-254-160-4. Suomi