Transmisní elektronové
mikroskopy (TEM)

Pokud jste někdy navštívili kino, tak jste se setkali s principem diaprojektoru. Transmisní elektronový mikroskop můžeme přirovnat právě k diaprojektoru, pomocí kterého se dříve promítaly filmy v kinech. V něm se rozbíhavý svazek paprsků, který vychází ze světelného zdroje, upravuje pomocí čoček na svazek rovnoběžných paprsků. Tento svazek následně prochází skrz jednotlivé snímky z promítaného filmu a pak je další čočkou zaostřen na projekční plochu jako zvětšený obraz.

V transmisním elektronovém mikroskopu je světelný zdroj nahrazen zdrojem elektronů, skleněné čočky jsou nahrazeny magnetickými čočkami a projekční plocha je zastoupena fluorescenčním stínítkem, které v místě dopadu elektronů vyzařuje světlo, nebo jiným detektorem.

U těchto mikroskopů musí být vzorek extrémně tenký, typická tloušťka bývá 10-500 nm v závislosti na materiálu. Elektronový svazek totiž prochází skrz – stejně jako světelný paprsek prochází skrz políčko filmu v diapozitivu. Při průchodu vzorkem s ním elektrony interagují a přenáší informace o kontrastu a složení. Tyto interakce jsou zachycovány nejrůznějšími detektory, které převádějí signál na výsledný obraz ve stupních šedi, přičemž kontrast odpovídá například rozdílům v tloušťce, hustotě nebo atomárním složení vzorku.

TEMy se používají v nejrůznějších vědních oborech tam, kde je nutné získat informaci o vnitřní struktuře vzorků, a to až na atomární úroveň. Vzorek musí být stabilní ve vakuu a dostatečně malý (zhruba 3 mm v průměru), aby bylo možné jej umístit do útrob mikroskopu.

Zásadním parametrem je však tloušťka vzorku, která je důležitá pro průchod elektronů. Pro pokročilý materiálový výzkum nesmí být vzorek silnější než 20 nm, v případě biologického výzkumu může být vrstva vzorku silnější – zhruba 300-500 nm.

Jak toho dosáhnout? Záleží na tom, jakou metodu transmisní elektronové mikroskopie hodlá výzkumník použít. Současně se metody přípravy vzorků liší obor od oboru. Jako příklad si můžeme vzít biologii. Pokud je biologický vzorek tekutý, zmáčkne se mezi dvěma filtračními papíry tak, že na samotném nosiči zůstane pouze tenoučká vrstva. V případě pevného vzorku se vzorky nejdříve chemicky ošetří, díky čemuž vodu z tkáně nahradí epoxidová pryskyřice, která minimálně narušuje buňky, a která zároveň zatvrdí celou tkáň. Takto stabilizovaný vzorek lze poté řezat na tenké plátky diamantovým nožem (mikrotomem). Pro zvýraznění kontrastu buněčných struktur se při této technice využívají soli těžkých kovů.

Další variantou v případě pevného vzorku může být použití elektronového mikroskopu s iontovým svazkem (FIB-SEM). Jelikož jsou ionty výrazně větší a těžší než elektrony, jsme jimi schopni vzorek v mikroskopu opracovávat, a dokonce do něj i řezat nebo na něj deponovat nové vrstvy. Díky tomu si můžeme připravit tenkou lamelu, kterou následně umístíme do TEMu. Tato technika se využívá napříč obory – v materiálovém výzkumu, v oblasti polovodičů, i v biologii. V posledním případě však musí být vzorky před umístněním do FIB-SEMu nejdříve zmraženy – vitrifikovány. Při vitrifikaci je buňka nebo tkáň zmražena tak rychle, že se ve vodním roztoku vzorku nestihnou vytvořit ledové krystaly. Vzniká pouze amorfní led, který vzorek nepoškozuje a zachovává jeho strukturu.