Fundamentos del microscopia electrónico y su aplicación en la investigación textil.

COLABORACIONES Fundamentos del microscopio electrónico y su aplicación en la investigación textil por A. Naik, Ing HISTORIA El primer microscopio óptico fue diseñado por Antoa Van Leeuwenhock en el año 1675 y fue considerado como un juguete científico al que se le dio el nombre de "vidrio de nlosca" ya que primariamente se usaba para observar insectos. Posteriormente el microscopio óptico fue recibiendo notables mejoras. El microscopio dectrónim es el relsultado de diversos experimentos y concepciones teóricas. Tiene su origen ea 101s experimentos de Sir J. J. Thomson quien estudió los rayos catódicos en tubos con gases enrarecidos (1). En el año 1924 de Broghe (2) propuso su teoría de la naturaleza ondulatoria de las partículas materiales. Después (de unos años Buscih (3) demostró que un rayo de electrones atravesando un campo magnético o !eléctrico oonverge al foco y basándose en esto construyó la primera lente magnética en 1926. Davisson y Thomson (4) compartieron el premio Nobel por el doscubrimiento de la difracción del electrón. Padre e hijo J. J. Thomsoa y G. P. Thomson (5) jugaron un papel fundamental m la historia del desa!rrollo del microscopio electrónico. Las propieldadeis de una partícula cargada con electrones fueron explotadas por ~inoll y ~uska (6) y construyeron el primer microscopio electrónico de lente magnética, utilizando un rayo de 60.000 vdtios y obteniendo imágenes sobre una pantalla fluorescente. Las primeras microfotografías de materiales biológicos fueron conseguidas por Martoa (7) en 1934. E1 primer microscop~io dectrónico de transmisión que operó en Estadols Unild~os en 1939 fue construido en la Universidad de Toronto por A. Prabus y J. Hiller bajo la dirección de E. Burton. Este microscopio era muy similar al tipo desarrollado por Van Borries y Ruska (8) como instru~mento colmerciail. En la actualidad, se dispone de un número considerable de mi~roscopios, que pueden clasificarse fundamentalmente en dos grupos: - Microscopios 6pticos. - Microscopios electrónicos de transmisión y de barrido. MICKOSCOPIO OPTICO El ojo puelde disoriminar dols objetos si están situados no más cerca de 0,l mm., miranldo desld'e una distancia normal de 25 cm. Elslte es un facaor límite del ojo humano y cualquier otro detalle más pequeño que éste, debe ser aumentado para ser visto. Se puede usar una lupa o un microscopio para aumentar la imagen. El objetivo del microscopio es el de hacer distinguir los detalles estructurales de la muestra a observar. Esta habilida~d las expresada en términos de apertura numérica o "N. A.". Por apertura numérica de un sistema óptico se entiende, según Abbé, el producm !da1 índice de refracciívn "n" del medio que se encuentra delante del sistema y el seno del semiángulo "a" de abertura de este sistema. A = n. Sen u n (aire) = 1, a (agua = 1,33, n caoeite de inmersión) = 1,52 Para explicar es~te conoepto más detalladamente podemos dar dos ejemplos. Al tenor aire entre d cubreobjetos y la lente frolntal del objetivo -cosa dada en un sistema secoentonces es el fenómeno de la reflexión total el que limita el haz de rayos cónicos. Pero si se utiliza en cambio, un medio (de mayor índice de refracción como aceite (de inmarsión, entonces no existe ninguna refracción al salir el haz de sayos del cubreobjetos debido a la homogeneidad del media y el haz de rayos cónicos, captado por el objetivo del micro~scopio es limitado por la abertura del objetivo. Los objetivos y condensadores del microscopio están señalados con este valor de "N. A.". El valor máximo de "N. A." de un objetivo es 1,4. El poder de resolución -la distancia más eistreoha entre dos puntos que puede observarse claramente en la imagen de un sistema ópticoviene dada polr la fórmula, siendo R la distancia entre dos puntos en nanómetros (nm), h es la longitud de onda de la luz utilizada para la ilumina~ción en nm, y "N. A." es la apertura numérica indicada sobre el objetivo. El mínimo poder de resodución para un sistema óptico se puede conseguir usando la radiación ultravioleta, que tiene la menor longituld de onda aplicable. En resumen, puede decirse que no tiene sentido incrementar los aumentos del microscopio utilizando un ocular más potente, si la apertura del objetivo no basta para resolver la estructura del objeto. Más bien debe elegirse el valor, de tal manera que el aumento del microscopio tome un valor entre 500 y 1.000 veces mayor que la apertura dd objetivo. MICROSCOPIO ELECTRONICO Debido al limitado poder de resolución del microscopio óptico, se probaron varias fuentes de iluminación tales como rayos X de muy pequeña longitud de onda (0,5 nrn) sin tener éxito ya que no pudieron enfocar estos rayos. Sin embargo, las investigaciones que comenzaron en 1923 sobre difracción electrónica, sentaron las bases para la construcción del primer microscopio electrónico. Cuando los electrones son acellerados mediante una diferencia de ~otencial 1,23 de V volt., tienen la tongitud de onda h igual a . Así pues un electrón VTGLT- de 50 Kv. tiene h = 0,0055 nlm. Si sustituimos este valor en la fbrmula de la resolución R = A obtendremos R = 0,27 nm. Esta resolución es 1.000 2 N. A. veoes mayor que la de la luz blanca utilizada para la iluminación en el microscopio 6ptico. Se puede conseguir poder de resolución hasta 0,l nm (1 A) con los nuevos diseños del microscopio electrónico. La tabla núm. 1 resume las unidades de longitud utilizadals en el microscopio. La distancia de enfoqu~e del objetivo en el microscopio electrónico de 180 KV es de 1,1 mlnz. Este factor mejora la profundidad del campo y os cientos de veces mayor que la conseguida por el microscopio 6ptico. El microscopio electrónico moderno está basado en los principios generales de la lente eilectro~magnética. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE TRANSMISION (TEM) Eb mitcroscopio dectrónim más s~encillo es muy similar al microscopio óptico. A~mbos tienen lentes y condemsadolres para concentrar la iluminación sobre la muestra. Fig. 1. Microscopio electronico ~icroscopio optico de transmisión Puente de luz condensador Ohj etivo Ocular Fuente de electron Condensador no 1 Muestr @ Lente intermedio imagen final + Figura 1 .- Esquema simplificado.ilustrando la semejanza entre microscopio optico y microscopio electronico de transmisión. Los rayos de iluminación atraviesan la muestra y son enfocados por las lentes del objetivo y de proyección para forma^ una imagen aumentada sobre una pantalla fluorescente. Sin amba~go eil microscopio electrbnico es muoho más co~mpleijo. Para que los electronles puedan ser acerleradols hasta la velocidad prefijada, debe trabajarse en condiciones de alto vacío (lo-' a lo-' torr; 1 torr = 1 mm de mercurio a 0°C). El sistema central del microscopio electrónico incluyendo la pantalla fluorescente y el equipo fotolgrifiico, lo constituye un tubo hueco. El equipo eléstrico que suministra la corriente necesaria se halla generalmente situado a una cierta distan'cia para evitas la interferencia de los campos magnéticos dispe~rsadois. La mayoría de los micro~scopios están equipados con dispoisitivos de seguridad que no permiten conectar el filamento de alto voltaje hasta que no se ha conseguido d vacío apropiado (9). Las lentes magnéticas del microscopio electrónico están formadas por iinanes en forma de herradura. El imán puede ser permanente o de tipo dectromagn6tico. Variando la potencia de la corriente a la lente se consigue el efecto de variar la distancia foca1 de la liente conjtinuamente, lo cual es muy similar al sistema de "zo~om" . Sin emlbargo, normaJmen@e se prelselecciona la #corriente deseada. Se pueden ajustar los voltajes de aceleración en una gama que incluye 40, 60, 80 y 100 Kv, etc. Ajustando Kv a un nivel inferior, se consigue aumentar d contralste. Componentes del microscopio electrónico de transmisión (TEM) Cañón electrónico El tipo más [usado de cañón electrónico consiste de un filamento de alambre de tungsteno (10) doblado en forma de V. El electrodo de control se denomina cilindro de Wehndt, y tiene una apertura circular de 1 a 3 mm de diámetro centrada en el ápice del filamento. La superficie cóncava hace las funciones de ánodo, y utilizando una superficie convexa la imagen de la fuente electrónica puede reducirse en tamaño respecto al electrodo cóncavo. 1,a intensidad total dd haz de cátodo a ánodo puede ser de 10 a 400 microamperios, pero solamente una pequeña fracción die éste llega hasta la muestra. Condensadores Lols idos condensadores son capaces de dar una amplia gama de intensidad ajustando el cañón dewtrónico. Esto reduce el área iluminada en la mue'stra. Sin embargo, otras partes de la muestra también sufren los efectos del haz electrónico. El primer condensador reduce la image~n de la fuente mientras que el segundo coudensador olbtiene la ladeuuada intensida~d de iluminación. Plataforma para la colocación de la muestra La plataforma para colocar la muestra está situalda en frente del objetivo. Se introduce la muestra en la coiluimna del microscopio a través de una abertura. Objetivo El objetivo ea la lente más importante en eil microscopio ellectrónico. La distancia foca1 de esta lente está comprendida entre 1 y 5 milímetros, siendo 1,l mm la más frecuente\. Cuanto menor 0s la distancia focajl, mayor es la resolución. Debido a que el haz de imagen tiene la máxima apertura angular en el primer objetivo, esta lente controla la calidad de la imagen producida. Se puede corregir la aberración esférica usando un "stigmator", que es un dispositivo que permite ,introducir metal para compensar la inhornogeneidad inherente de la lente, y o~btener elevada resolución. Otro accesolrio importante, permite regular la apertura del objetivo, la cual limita la dispersión de lo's electrones, evitando así la degradación de la imagen. Esta apertura mejora el contraste siendo 20 y 40 micrómetros (pm) los más frecuentes. Lente intermedia La lente intermedia puede aumentar o disminuir la imagen. Se puede conseguir esto, alumentando o disminuyendo la potencia de la corriente a esta lente. Lente de proyección La lente (de pro~yecciírn corre'sponde al ocular del microscopio óptico. Su función es la de proyectar la imagen real sobre la pantalla fluorescente, y permite una amplia gama de aumentos. Se puede variar la ampliación de 100 X hasta 300.000 X usando lentes intermedias y de proyección. Cániara de observación La cámara de observación y la pantalla fluorescente están situadas en el fondo de la cohmna. La itmagen se enfoca sobre un punto marcado y el enfoque fino se consigue con ulnos binoculares de 6 y 20 X. El diámetro del punto de enfoque es de 100 ,pm, por 10 tanto la imagen debe ser mayor que [este diámetro para ser resuelta. La cámara de observación está protegida por un vidrio grueso de plomo para evitar la emisión de rayos X. Cáiiiara fotográfica La cámara fotográfica está situada debajo de la pantalla fluoresoente. La pantalla fluorescente está sujetada por m lado, y al quitar el paso del haz eleotrónico la imagen se centra sobre la pdícula fotográfica. Se puaden usar varios tipos de pelíciulals y placas de vidrio. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO SEM El primer microscopio eleictrónico de barrido fue desarrollado en 1930 en Alemania y en 1949 [en Estados Unidos y finalmente 'en Tnglaterra en 1950. Ei1 primer modelo comercial fue presentado en 1964 por "The Cambridge Scientific Instrument Company"; posteriormente muchos otros fabricantes han desarrollado nuevos modelos. El principio del sistema SEM consiste en que si se hace incidir sobne la muestra un haz $de dectrones finamente enfouado, emite una señd que pude registrarse en una pantalla mediante un tubo de rayos catódicos. Los componentes principales del microscopio de barrido SEM son los siguientes: (Fig. 2). Puente de energía La fuente de energía !del microscopio electrónico de barrido depende de varios factores, siendo los más importantes el voltaje de aceleración, la intensidad de la corriente y al ~diámtetro de haz. Para usos prácticois debe astegurarse una alta estabilidad de la corriente. En unos puntos el haz de electrones es desviado 1, 2, 3 ... n veces por los campos magnéticos controlados por el generador de barrido. Como] consecuencia el haz es movido sobre la. supefiicie de la muestra y la señd as detectada por el collectolr de eleotrones (1 1). Se puede ajustar el colector para detectar cualquier emisión como rayos X, luz infrarroja, ultravioleta, etc. Portamuestras La muestra montada sobre un soporte puede moverse en tres direcciones, ser calentada, enfriada, estirada, eitc. dentro del instrumento. Para d estudio de ciertols tipos de muestras tales como, metales, minerales, semicoaduct~res, &c., se requiere calefacción de la muestra. La calefacción puede conseguirse por medio de un hilo~incandescente o calentando la muestra en un crisol aplicando directamente a la muestra una corriente eléctrica (12). ~iiamento catódico Lente magnetica lente magnetica porta muestra Figura 2.- Componentes del Microscopio electronico de barrido. Los métodos de enfriamiento se usan principalmente en la preparación de muestras biológicas. Para Ja dcfonmación meicánica en el estudio de mulestras tales como mctaks, polímeros o fibras, es necesario detenminar una escala de fumzas ya que la fuerza requerida varía considerablemente según el tipo de material. Sistema de ainplificación El sistieima de amplificación relcoge las señales y procesa la información procedmte de la muelstra, al mismo tiempo que el haz de electrones bme la muestra. El generador de barrido está conectado al tubo de rayos catódicos (CRT) para que el haz de electrones en este tubo sea barrido en la misma forma que, el haz principal. Sin embargo, la potencia de la corriente suministrada a la columna principal para d barrido pulede ser atenuada mientras que el tubo de la pantalla es barrido sobre una área constante. Como consecuencia de ello, cualquier reducción en el área de la muestra barrida da lugar a un aumento de la imagen. Este aumento viene determinado por la relación del área de la pantalla del tubo (constante) respecto al área de la muesltra barrida (variable). Características de SEM Las características más importantes de SEM son: poder de resolución, profundidad del campo y contraste. Poder de resolución El poder de resolución en el microscopio electrónico de barrido (SEM) depende de varios factores, tales colmo la dimensión del haz de eleotroaes, la difusión del mismo en la muestra anteis de la misión de los electrones secundarios, y la corriente estabilizada de la lente. La dimcnsión del haz puede reducirse de muchas formas. Se pueden amplear filamentos apuntados o usando elevaido potencial de Kv. Por ejemplo a poltencia de 1 Kv, la resolució~n es 140 nm, mivntras que a 30 Kv, la resoluciivn les 20 nm (200 A). Se puede prevenir la difusión del haz de eleotrones en la muestra, aumentando la potencia de la corriente. Finalmente, la alimentación de corriente debe ser muy estable, del orden de 1 parte en 100.000, para conseguir alta resolución. Profundidad de canipo Se utilizan lentes magnéticas con simetría axial con el fin de producir un fino haz de electrones. De todos modos hay que considerar que la aberración esférica de las lentes magnética,^ no puede conlsaguirse con ningún tipo de lvnte de si'metría axial. Si se quiere obtener un fino haz de electrones, el ángulo de abertura de la lente del objetivo (2°C) debe reducirse con el fin de permitir sólo los haces paraxiaies. La profundidad del campo 'de la superficie de la muestra vivne dada por la siguiente fórmula: siendo M la amplificación de la imagen, d, el diámetro del haz y y la longitud mínima disoriminable a simple vista. El haz de electrones mide solamente 30 mm y se mueve en forma de líneas pardelas a través de la muestra. Se puede cambiar la amplificación en escalones de 20 X la 100.000 X aunque la resolución lde 25 nm es restringida a aumentos de 10.000 X a 30.000 X. La gran profundidad de campo permite observaciones especiales de la muestra. En general $la profundidad del calmpo es tan grande colmo la mitad de una cara del árela bajo o~bservación. Contraste El contraste en SEM es logra~do por eJ sistema colliector. La muestra recibe los electrones del haz de barrido y genera electrones secundarios. Estos electrones emitidos son recogidos por d colectar. Los electrones se desplazan en línea recta cuando la muestra es uniforme. Se consiguc el contraste óptimo cuando el colector puede recoger d máximo de ellec~tronss secundarios. La (eficiencia de la emisión de los eleotrones es máxima cuando el plano de la muestra está inclinado con res- pe~to al haz primario. Polr este motivo las microfotografías obtenidas por SEM pare~cen muy naturales. PREPAWACION DE LAS MUESTRAS La preparación de lais muestras para la observación microscópica es una de las técnicas más impo~tantes. Generalmente la preparación de las muestrals biológicas requiere muchas precauciones y se desarrolla en dos o más etapas. Por otro lado la preparación de los distintos reactivos (13) consume mucho tiempo. Este apartado está detalladamente descrito en la bibliografía especializada y se aparta del objetivo de este artículo que se refiere a materias textiles. La preparación de las mue~stras textiles puede dividirse en tres grupos: 1. Preparación para la observaci6n en el microscopio óptico. 11. Preparacibn para Ja o~bservación en el microacopio dectrónico de transmisión (TBM). 111. Preparación para la observación en al microscopio electrónico de barrido (SEM). Preparación para la observación en el microscopio óptico Se observan las fibras textiles en sección longitudinal o transversal. La preparación de las fibras para oibservación longitudinal es muy 'sencilla. Sobre un portaobjetos se pone una gota de aceite de inmersión y con una pinza se coloca fibra por fibra, cortadas en una longitud de 1 a 1,5 cm. Cuando es preciso observar una longitud determinada se utiliza un microtomo manual para cortar las fibras a la longitud deseada. Se pone un cubreobjetos sobre la zona de fibras antes de ser obslervadas en el microscopio. Para evitar la forrnaci6n de burbujas de aire, es preferible moljar el cubreobjetos con un poco de aceite. Para observar la fibra en seoción transversal se necesita un microtomo. Existen diversos tipos de microtomos tanto sencillas como más sofisticados. Para el1 microscopio óptico basta usar un microtomo sencillo. El grosor del corte debe ser de 8 a 10 micras. Preparación de la muestra para la observación en el microscopio electrónico de transmisión Permite observar la seoción transversal de las fibras textiles para estudiar su estruotura Interna. En primer lugar, se procede a la eliminación de la humedad de las fibras mediante secado en una estufa a 40'C durante 1 hora. Luego, deben colocarse en el seno de una resina tipo epoxi, que pueda polimerizarse fácilmente. Existen varias resinas pero pasa las fibras textilcs la más adecuada es la siguiente: AraIditB M - 4 rnl. Endurecedor 95 6 - 1 nd. Se utilizan unas cápsulas de plástico para la polimerización de la resina. Se pasan las fibras a través de la cápsula, Fig. 3, y luego se llena la cápsula con la resina.