Qu’est-ce qu’un microscope électronique ?
Les microscopes électroniques sont des microscopes qui observent un échantillon en l’irradiant avec un faisceau d’électrons. Grâce à la longueur d’onde extrêmement courte du faisceau d’électrons, il est possible de visualiser des structures ultrafines. Notamment celles qui ne peuvent pas être observées avec un microscope optique. Il existe deux types principaux de microscopes électroniques : En premier, ceux qui produisent une image de la transmittance du faisceau d’électrons. En second, ceux qui produisent une image du signal produit par l’interaction entre le faisceau d’électrons et l’échantillon.
La plupart des microscopes électronique vendus en tant que produits sont optimisés respectivement pour les matériaux industriels et pour l’observation de spécimens biologiques. Ils sont également souvent abrégés en EM pour leur acronyme anglais.
Utilisations des microscopes électroniques
Dans l’industrie, les microscopes électroniques sont utilisés pour analyser la surface de rupture de pièces métalliques endommagées afin de déterminer la cause du dommage. Ils le sont également pour observer la surface de matériaux transformés afin d’en vérifier la qualité. Il sert aussi à étudier les propriétés instrumentales des polymères macromoléculaires en observant leurs réseaux et à évaluer la présence d’impuretés.
Dans les sciences de la vie, il est utilisé pour visualiser la microstructure des organites intracellulaires et pour cartographier les connexions neuronales en observant des cellules neuronales enchevêtrées. Il a également reçu le prix Nobel de chimie 2017 pour son usage potentiel à l’analyse structurelle des protéines en effectuant des prétraitements simples sur les échantillons.
Principe des microscopes électroniques
Les éléments qui composent un microscope électronique sont une source, une lentille et un détecteur. La configuration est similaire à celle d’un microscope optique. Cependant, chacun de ces éléments est très différent, dans son principe, de celui d’un microscope optique.
Tout d’abord, les faisceaux d’électrons sont immédiatement atténués et annihilés lorsqu’ils entrent en collision avec des molécules et d’autres objets dans l’air. Le faisceau d’électrons doit donc être généré et irradié dans le vide.
Deuxièmement, les lentilles en verre, telles que celles utilisées en optique générale, sont transparentes. Il faut donc utiliser des lentilles magnétiques, dans lesquelles un champ magnétique est appliqué pour faire converger les faisceaux d’électrons, afin de les réfracter.
Ces lentilles ont pour caractéristique de présenter de grandes aberrations optiques. Elles sont conçues avec une petite ouverture afin d’être améliorées. Cela permet aux microscopes électroniques d’avoir une grande profondeur de champ et d’observer des objets tridimensionnels avec profondeur.
Les microscopes électroniques standard se répartissent en deux catégories :
1. Les microscopes électroniques à transmission (TEM)
Cette méthode transmet un faisceau d’électrons à travers l’échantillon et obtient un contraste basé sur l’atténuation du faisceau. Pour que le faisceau d’électrons puisse pénétrer dans l’échantillon, l’épaisseur de ce dernier doit être ajustée de manière à être très fine. La force des électrons est appelée “tension d’accélération”. À une tension d’accélération de 300kV, la longueur d’onde est de 0.00197nm, ce qui est extrêmement court. La résolution est de 0.1nm, ce qui est de l’ordre de la taille du matériau d’origine. Cela peut être converti en un grossissement maximal de 800,000x, soit 800 fois plus que celui d’un microscope optique, ce qui montre la haute résolution. Les microscopes électroniques à transmission observent les électrons transmis à travers l’échantillon. Ils sont donc excellents pour visualiser la structure interne d’un échantillon, telle que la structure cristalline dans une très petite zone.
2. Les microscopes électroniques à balayage (MEB)
Lorsque des matériaux sont irradiés par des faisceaux d’électrons dans le vide, des électrons secondaires, des électrons réfléchis et des rayons X caractéristiques sont émis. Les images de microscopes électroniques à balayage sont formées à partir des électrons secondaires et des signaux d’électrons réfléchis en balayant des faisceaux d’électrons focalisés dans l’espace. Les électrons secondaires sont générés à proximité de la surface de l’échantillon, ce qui rend l’image électronique secondaire adaptée à la visualisation des irrégularités microscopiques de l’échantillon. Le nombre d’électrons réfléchis dépend de la composition de l’échantillon (numéro atomique, orientation cristalline, etc.). L’image des électrons réfléchis permet donc d’évaluer la distribution de la composition de la surface de l’échantillon.
Lorsqu’un faisceau d’électrons frappe un échantillon, les atomes qui composent sa surface sont excités et émettent alors des électrons. D’autres émissions, telles que les électrons réfléchis et les rayons X caractéristiques, sont appelées “électrons secondaires”. Elles sont obtenues par balayage ponctuel de l’intensité des électrons secondaires émis.
Ce qui ne peut être observé qu’avec un microscope électronique
Les microscopes électroniques ont une résolution extrêmement élevée par rapport aux microscopes optiques ordinaires. Par conséquent, ils peuvent observer, par exemple, les minuscules structures tissulaires des cellules et les cristaux métalliques de l’ordre de la taille atomique.
Si l’on prend l’exemple des cellules, la microscopie optique ne permet pas d’observer en détail les structures fines des cellules autres que le noyau, alors que la microscopie électronique le permet. Cette dernière permet d’étudier en détail diverses fonctions, telles que le fonctionnement des enzymes au sein de la cellule et les réactions des structures cellulaires.