Il microscopio elettronico

Storia e caratteristiche principali

Il microscopio elettronico è un apparecchio dotato di altissimo potere risolutivo che permette l’osservazione di campioni di grandezze infinitesimali, grazie alle proprietà ondulatorie di uno o più fasci di elettroni.

La nascita della microscopia elettronica risale alla descrizione dettagliata, pubblicata nel 1932 sugli Annalen der Physik, degli esperimenti condotti da Max Knoll ed Ernst Ruska al Politecnico di Berlino, che permisero di ottenere per la prima volta l’immagine di un fascio modulato di elettroni tramite l’uso di due lenti magnetiche. La considerazione cardine per la progettazione dei microscopi elettronici è associata alle ricerche del fisico francese de Broglie: egli formulò l’ipotesi che anche le particelle materiali potevano comportarsi come i fasci di luce, ed essere quindi dotate di proprietà fisiche ondulatorie.

Il principale vantaggio di questo strumento è associato ad un notevole potere di risoluzione: mentre la luce visibile ha una lunghezza d’onda il cui valore si aggira mediamente intorno ai 5000 A, un fascio di elettroni accelerati a circa 100 kV può vantare una lunghezza d’onda di circa 0.05 A. Questo vuol dire che si ottiene una risoluzione più grande, rispetto la luce, di circa 100 000 volte!

Componenti e funzionalità

Nonostante vi siano numerose tipologie di microscopio elettronico, queste sono accumunate da alcune componenti comuni:

  • Sorgente di elettroni: fornisce un fascio di elettroni che attraversa il campione da analizzare (cannone elettronico);
  • Pompa a vuoto: crea il vuoto nell’apposita camera, nella quale è contenuto il campione, e nel tubo principale, nel quale passa il fascio di elettroni;
  • Lenti: si può distinguere un condensatore magnetico che indirizza il fascio di elettroni sul campione da osservare. Si ha poi una prima lente magnetica che funge da obbiettivo, e una seconda lente magnetica, che funge da proiettore e blocca gli elettroni nel campo ottico del sistema;
  • Detector emissione secondaria: rilevatore che cattura gli elettroni secondari emessi come conseguenza dell’attraversamento del campione da parte degli elettroni primari;
  • Lastra fotografica, pellicola o schermo fluorescente: elemento che serve a raccogliere le immagini restituite al microscopio.

In un microscopio elettronico la sorgente degli elettroni è rappresentata da un filamento di tungsteno molto sottile a forma di “V”. Gli elettroni, poi, passano nel condensatore magnetico attraverso un foro che si trova nell’anodo (il condensatore ha lo scopo di regolare l’intensità stessa della convergenza del fascio di elettroni). Il fascio elettronico va poi a colpire il campione da osservare, su cui poi subisce la diffrazione. Le parti del campione che provocano una maggiore deviazione della radiazione sono quelle più spesse e più dense, che risulteranno quindi più scure nell’immagine risultante. Per regolare la nitidezza dell’immagine si effettua una regolazione della corrente, più precisamente nell’avvolgimento dell’obiettivo magnetico. Replicando questa azione sul proiettore si può regolare l’ingrandimento stesso dell’immagine.

Il microscopio elettronico a scansione (SEM)

Il microscopio elettronico a scansione (Scanning Electron Microscope, SEM) è una variante di microscopio elettronico utilizzata per l’osservazione della superficie dei campioni. Gli elettroni, generati da una sorgente e focalizzati sulla superficie da osservare, interagiscono con il campione originando una serie di segnali per ogni punto colpito. Questi vengono raccolti e rielaborati e la loro intensità viene utilizzata per produrre un’immagine ingrandita del campione, comodamente visibile su un monitor. È, quindi, possibile ricostruire la topografia della superficie del campione effettuando una scansione bidimensionale del campione con la sonda elettronica e misurando il flusso di elettroni secondari generato.

 Schema generale di funzionamento di un SEM
Figura 1- Schema generale di funzionamento di un SEM

Il SEM è composto fondamentalmente da due parti: la colonna e la camera dei campioni. La colonna, lunga circa 1 metro, costituisce la parte superiore dello strumento, ed è proprio al suo interno che avviene la generazione e la focalizzazione del fascio elettronico. Questi elettroni, che senza opportuno controllo sarebbero molto “indisciplinati”, sono accelerati lungo l’asse della colonna e focalizzati su un’area molto piccola del campione. Grazie all’utilizzo di opportuni campi magnetici, il fascio elettronico può essere indirizzato su un punto qualunque della superficie del campione e, quindi, costretto ad eseguire la scansione di una certa porzione di superficie secondo un percorso a linee parallele ed equidistanti. L’ingrandimento finale dell’immagine (limite massimo 5nm) è dato dal rapporto fra la dimensione dello schermo sul quale si osserva l’immagine e la dimensione reale della porzione di campione su cui avviene la scansione dal fascio: più piccola è l’area scandita più alto sarà l’ingrandimento. Inoltre, più lenta è la scansione, ovvero più tempo il fascio si ferma su ogni punto della superficie, più nitida risulta l’immagine stessa del campione osservato.

cellule di un tessuto in fase di aggregazione mette in evidenza le potenzialità del SEM anche con campioni molto delicati come le componenti organiche
Figura 2- Cellule di un tessuto in fase di aggregazione mette in evidenza le potenzialità del SEM anche con campioni molto delicati come le componenti organiche

Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM)

Il microscopio elettronico a trasmissione (Trasmission Elettron Microscope, TEM) è il “tipo originale” di microscopio elettronico, il quale dirige un fascio di elettroni ad alta tensione verso l’esemplare per illuminarlo, al fine di creare un’immagine ingrandita del campione. L’immagine ottenuta è in bianco e nero ma può essere colorata digitalmente (il limite massimo di ingrandimento è di 0.3 nm).

 In questo tipo di microscopio elettronico il fascio di elettroni, prima di colpire il campione da esaminare, passa in una zona dove è stato creato artificialmente il vuoto, e solo successivamente passa attraverso il materiale da esaminare.

rappresentazione schematica di un TEM
Figura 3- Rappresentazione schematica di un TEM

La limitazione più significativa del TEM è rappresentata dalla necessità di avere campioni molto sottili, solitamente meno di 100 nanometri. Di conseguenza, la maggior parte degli esemplari biologici devono essere fissati e disidratati chimicamente prima di poter essere osservati.

l'immagine mostra la sezione trasversale di un capillare catturata facendo uso di un TEM
Figura 4 – L’immagine mostra la sezione trasversale di un capillare catturata facendo uso di un TEM. La macchia scura al centro del capillare è un globulo rosso

Il microscopio ionico

Il microscopio ionico è una tipologia di microscopio elettronico noto anche come microscopio a trasmissione di campo. In questo modello, l’oggetto da osservare, sottoposto a campi elettrici molto intensi, è anche la sorgente degli elettroni (o degli ioni positivi) utilizzati per la visualizzazione. Col microscopio ionico la definizione arriva al livello atomico e si possono avere ingrandimenti di un milione di diametri.

Uno sguardo verso il Nobel

Nel corso dei secoli gli studiosi hanno messo a punto strumenti sempre più potenti per osservare “l’infinitamente piccolo”. In particolare, Anton van Leeuwenhoek, uno scienziato olandese, fu il primo a realizzare un vero microscopio capace di potente ingrandimento. Grazie ad esso fece molte scoperte biologiche: fu il primo ad osservare e descrivere batteri, lieviti e corpuscoli presenti nel sangue. Il microscopio elettronico, invece, fu realizzato allo scopo di esaminare strutture troppo fini per poter essere risolte con i microscopi ottici, esso ha infatti un potere risolutivo circa 2000 volte superiore a quello dei microscopi ordinari.

Lo sviluppo delle tecnologie microelettroniche, dunque, vanta una storia importante e in continuo progresso. Risale, infatti, al non lontano 2017 la tecnica rivoluzionaria che è stata insignita del Premio Nobel per la Chimica: si tratta della microscopia elettronica criogenica a trasmissione (Cryo-TEM).

Vincitori del Nobel per la Chimica del 2017
Figura 5 – Vincitori del Nobel per la Chimica 2017. Da sinistra verso destra Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard Henderson

La scoperta di Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson, ha permesso di arrivare a vedere ogni singola struttura con una risoluzione di pochi miliardesimi di metro e di scandagliare atomo per atomo la materia per restituire agli scienziati la struttura tridimensionale di macromolecole biologiche come il Dna, l’Rna o le proteine. Ma soprattutto, ha reso possibile osservare anche strutture fragili che difficilmente avrebbero resistito all’impatto con gli elettroni. Nel 2017, fu proprio grazie al Cryo-TEM che gli scienziati ricostruirono per intero la struttura tridimensionale del virus Zika.

Fonti

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