Tanto el microscopio óptico y electrónico, son instrumentos de gran utilidad en la investigación científica gracias a su poder de resolución y aumento, pero con el microscopio electrónico es posible aumentar imágenes de muestras hasta niveles muy superiores a los del microscopio óptico. En este artículo, nos vamos a centrar en el microscopio electrónico y sus partes, su funcionamiento y los principales tipos de microscopía electrónica.
¿Qué es un microscopio electrónico?
Aunque lo pueda parecer por su nombre, no debemos confundirnos, pues el microscopio electrónico no se trata de un microscopio que funcione con energía eléctrica. En realidad, a diferencia de los microscopios ópticos, los electrónicos no usan los fotones de la luz solar, sino que emplean un haz de electrones, los cuales, al tener una longitud de onda menor, permiten discernir objetos mucho más pequeños con mayor facilidad. La energía que se maneja en estos sistemas está representada por una unidad denominada electronvoltio (eV). Un microscopio electrónico de barrido convencional puede alcanzar del orden de 30 KeV (1 KeV = 103 eV).
El funcionamiento de un microscopio electrónico se basa en utilizar electrones producidos por un filamento de tungsteno, acelerados a gran velocidad mediante un ánodo, y que impactan con la muestra a observar dentro de una cámara de vacío. La longitud de onda con la que se mueve un electrón es inversamente proporcional a su velocidad, lo que significa que si los electrones son acelerados a altas velocidades, pueden obtenerse longitudes de onda muy cortas, lo cual favorece la resolución y el número de aumentos.
Existen diferentes tipos de microscopio electrónico, pero su principio de funcionamiento se basa siempre en capturar los electrones dispersados por la muestra o los que pasan a su través, para así poder reconstruir una imagen. Los electrones que logran atravesar la muestra, dibujarán una silueta, después de haber pasado por una serie de lentes electromagnéticos (imanes que concentran los electrones) que ampliarán la imagen. Controlando la velocidad de los electrones, se logran obtener más o menos aumentos.
Sin embargo, para obtener dicha imagen de la muestra, el microscopio electrónico requiere encerrar la muestra en una cámara donde se produce el vacío, y debido a ello, no es posible observar muestras biológicas vivas en los microscopios electrónicos. Por ello, para la observación de las muestras, se suelen llevar a cabo técnicas como la fijación química o la criofijación, la inclusión en resinas (criosustitución), y la réplica metálica.
Además, cabe indicar que los microscopios electrónicos producen imágenes sin ninguna clase de información de color, puesto que este es una propiedad de la luz y no hay una forma posible de reproducir este fenómeno mediante los electrones; sin embargo, es posible colorear las imágenes posteriormente, aplicando técnicas de retoque digital mediante ordenador.
En cuanto al poder de resolución del microscopio electrónico, dado que la muestra puede ser iluminada con longitudes de onda 100000 veces más pequeñas que en el caso del microscopio óptico, la resolución es mucho mayor y permite aumentos de hasta 10000000x.
Microscopio electrónico historia
En la evolución del microscopio, el electrónico fue el último en aparecer, y lo hizo en el siglo XX gracias a los avances en el campo de la física de las partículas (en concreto de la naturaleza ondulatoria del electrón) de la mano de Louis-Victor de Broglie, quien obtuvo el Premio Nobel en 1929.
Con estos nuevos conceptos, los ingenieros alemanes Ernst Ruska y Max Knoll, enseguida se pusieron a construir el primer prototipo de microscopio electrónico con la intención de alcanzar aumentos a un nivel sin precedentes, y en el año 1931, presentaron su primer prototipo funcional. Sin embargo, el aumento obtenido con este primer prototipo, estaba incluso lejos del que se podía obtener con un microscopio óptico convencional. Esto no les desanimó en absoluto y dos años más tarde, en 1933, fueron capaces de construir un microscopio electrónico con mayor aumento que el de un microscopio óptico. Posteriormente, en 1938, Siemens empezó a comercializar el primer microscopio electrónico de transmisión, y en 1989, Ruska recibió el Premio Nobel de Física por sus aportaciones.
Asimismo, a finales de los años treinta, Manfred von Ardenne empezó a desarrollar un nuevo tipo de microscopio electrónico: el microscopio electrónico de barrido, en el que los electrones no atraviesan la muestra, sino que son parcialmente reflejados.
Y recientemente, 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.
Así pues, los nuevos microscopios de transmisión, son capaces de distinguir entre átomos y llegar a aumentos de 50 millones de veces. De hecho, actualmente, en las preparaciones histológicas, lo que limita la claridad de las imágenes es la preparación de las muestras, más que la capacidad del propio microscopio.
¿Y qué se puede ver en un microscopio electrónico? Pues, en primer lugar, todas aquellas estructuras celulares que están por debajo del límite de resolución del microscopio óptico, como orgánulos, membranas, estructuras citosólicas, complejos moleculares de la matriz extracelular o virus. Así que, si te has preguntado cómo es que los científicos están tan seguros de cosas como la forma de algunos virus, bacterias, y las estructuras que los componen, la respuesta está en los microscopios electrónicos. Y todas estas observaciones con ellos, ha ayudado enormemente al entendimiento de la microbiología y la histología, lo que se traduce en grandes avances científicos para la medicina.
Por otro lado, los que se sientan más inclinados hacia la tecnología que a las ciencias médicas o biológicas, seguro que también se alegrarán de saber que esos impresionantes chips con arquitecturas de 20nm o menos son posibles gracias a microscopios electrónicos que permiten a investigadores visualizar en detalle cosas tan pequeñas como el complejo entramado de un microchip de millones de transistores. En concreto, en el estudio de los circuitos integrados, se suele utilizar el microscopio electrónico debido a que el campo eléctrico modifica la trayectoria de los electrones, por lo que en un circuito integrado en funcionamiento visto bajo el microscopio electrónico, se puede apreciar el potencial al que está cada elemento del circuito.
Y por otra parte, ya desde hace tiempo se llevan usando también los microscopios electrónicos de transmisión en el campo de la geología, donde la cristalografía de electrones es un método utilizado para determinar la disposición de átomos en sólidos a través de un microscopio electrónico de transmisión.
Microscopio electrónico partes
En cuanto al microscopio electrónico y sus partes, aunque haya varios tipos con ciertas diferencias, todos los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos básicos, donde se incluyen aquellos utilizados para generar electrones y dirigirlos hacia la muestra. Las partes o elementos básicos que componen un microscopio electrónico son:
- Fuente o cañón de electrones: el emisor de electrones es el equivalente a la fuente de luz de un microscopio óptico. En general, se suele emplear un filamento de tungsteno, el cual es calentado para que aumente la energía de sus átomos y electrones, y así se puedan separar los electrones de los átomos al alcanzar un nivel de energía determinado.
- Lentes electromagnéticas: se utilizan lentes magnéticas para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones libres hacia la muestra. Así pues, estas lentes, al generar campos eléctricos y magnéticos que su interactúan con los electrones, hacen que sus trayectorias diverjan o converjan en un punto.
- Cámara de vacío: el sistema de vacío es una parte relevante del microscopio electrónico. Los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire, de forma que tiene que hacerse vacío en el interior del microscopio en el que también debe insertarse la muestra a observar.
- Detector o pantalla fluorescente: todos los microscopios electrónicos cuentan con un sistema que registra o muestra la imagen que producen los electrones. 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. También existen alternativas a las pantallas fluorescentes, como sensores CCD. Por último, la información capturada por la pantalla fluorescente o el detector, es transmitida a un ordenador que puede asignar colores artificiales a la imagen obtenida.
En la siguiente imagen, se comparan las partes y el funcionamiento de un microscopio óptico, electrónico de transmisión y electrónico de barrido.
Tipos de microscopios electrónicos
Los dos tipos de microscopio electrónico más utilizados son el microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido.
Microscopio electrónico de transmisión, MET o TEM microscopio
La principal característica del microscopio electrónico de transmisión, es que utiliza los electrones que atraviesan la muestra al impactar contra ella, y no los dispersados. Estos electrones que pueden pasar al otro lado de la muestra, son capturados por un detector dando lugar así a una imagen.
Para utilizar un microscopio electrónico de transmisión, debe cortarse la muestra en capas ultrafinas, no mayores de unos 2000 ángstroms, para que pueda ser atravesada por los electrones. Previamente, las secciones deben ser tratadas con metales pesados como el osmio, el plomo o el uranilo. La función de estos metales es similar a las tinciones usadas en el microscopio óptico, dar color a las estructuras celulares, pero sólo en tonalidades de grises.
La cantidad de electrones que atraviesa la muestra sin desviarse, varía en función de las características internas de la muestra, por lo que, hay partes de la misma 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).
Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar la imagen de un objeto hasta un millón de veces. 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.
Microscopio electrónico de barrido, MEB o SEM microscopio
En el microscopio electrónico de barrido (MEB) también es necesario que los electrones impacten contra la muestra, la cual está recubierta con una capa de metal delgado. En este caso, los electrones no iluminan toda la muestra simultáneamente, sino que se hace un escaneado recorriendo los distintos puntos de la muestra. Un detector mide la cantidad de electrones enviados que arroja la intensidad de la zona de muestra, siendo capaz de mostrar figuras en tres dimensiones, proyectadas en una imagen de TV.
Cuando los electrones impactan con la muestra, estos pierden parte de su energía debido a distintas interacciones. Así, parte de su energía inicial se transforma en calor o en emisiones de rayos X, y también se produce 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.
La resolución del microscopio electrónico de barrido está entre 3 y 20nm, dependiendo del microscopio. 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 proporcionan, los convierte en un instrumento muy útil para determinados tipos de muestras. Así pues, este tipo de microscopía electrónica sem, permite obtener imágenes de gran resolución en materiales pétreos, metálicos y orgánicos, y esta técnica de microscopía es muy útil para observar los detalles de la superficie de microorganismos o de tejidos.
Además, en este caso, el proceso de preparación de las muestras es más sencillo que el que se debe realizar para la microscopía electrónica de transmisión, ya que no es necesario cortar la muestra en capas.
Otros tipos de microscopio electrónico
El microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido, son los tipos de microscopio más destacados, pero además de ellos, existen otros tipos de microscopio electrónico.
El microscopio electrónico de barrido y transmisión (Scanning Transmission Electron Microscope, STEM), combina los elementos de ambos (de transmisión y de barrido), y puede mostrar los átomos individuales de un objeto.
Por su parte, el microanalizador de sonda de electrones es un microscopio electrónico que cuenta con un analizador de espectro de rayos X, y puede analizar los rayos X de alta energía que produce el objeto al ser bombardeado con electrones. Dado que la identidad de los diferentes átomos y moléculas de un material se puede conocer utilizando sus emisiones de rayos X, los analizadores de sonda de electrones no sólo proporcionan una imagen ampliada de la muestra, como hace un microscopio electrónico, sino que también proporcionan información sobre la composición química del material.
Microscopio electrónico precio y dónde comprar
Debido a su complejidad, tamaño y peso, los microscopios electrónicos de laboratorio no los puede comprar cualquiera, además que su precio es desorbitado para cualquier persona de a pié. Por ello, estos instrumentos son adquiridos por empresas de investigación de calidad, importantes laboratorios, universidades y centros similares, y en algunos de estos lugares ofrecen el servicio (entre otros) de permitir la observación de muestras llevadas por usuarios mediante el pago de una tarifa, la cual también incluye la preparación de la muestra.
Sin embargo, si alguien quiere montar un laboratorio o similar y desea un buen microscopio, los microscopios electrónicos de barrido (SEM) son los más populares y recomendados, los cuales están a la venta en algunas webs de Internet como Alibaba. En este caso, el microscopio electrónico de barrido precio, oscila desde los 50.000 € hasta 1.000.000 € o más. Así, nos podemos encontrar con microscopios electrónicos de barrido compactos, especiales para metales o microscopios metalográficos, vídeo miscroscopios, y microscopios electrónicos de barrido estándar muy completos.
Por otra parte, os recordamos que para un uso escolar o semi-profesional, hay una buena variedad de buenos microscopios ópticos, metalográficos, y “electrónicos” en Amazon, en donde podéis encontrar distintas marcas. Éstos seguro que os resultarán más que suficientes.
Fuentes: Wikipedia, Mundo Microscopio, Hipertextual y Atlas de Histología Vegetal y Animal Universidad de Vigo
