Aula 02 cederj

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  • objetiv

    os

    AULA2 Princpios de funcionamento dos microscpios eletrnicos

    Ao final desta aula, voc dever ser capaz de:

    Situar a microscopia eletrnica como instrumento bsico no estudo da clula.

    Situar a microscopia eletrnica num contexto histrico.

    Reconhecer os componentes bsicos do funcionamento de um microscpio eletrnico.

    Discriminar os diferentes tipos de microscpios eletrnicos de transmisso e de varredura.

    Correlacionar os equipamentos usados e as informaes contidas nas imagens.

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    HISTRICO

    O sculo XX conheceu uma verdadeira "febre" a partir da

    descoberta dos eltrons, feita por Thompson, em 1897. Tanto os clculos

    feitos pelos fsicos tericos, quanto os experimentos feitos nos "tubos de

    raios catdicos" vieram a provar a natureza ondulatria dos eltrons.

    Esses pioneiros provavelmente no faziam a menor idia aonde aquelas

    observaes iriam levar, mas o estudo do comportamento ondulatrio dos

    eltrons resultou tanto na inveno dos aparelhos de televiso quanto na

    de um dos instrumentos fundamentais no estudo da Biologia Celular: o

    microscpio eletrnico. No ano de 1926, Bush provou que era possvel

    focalizar um feixe de eltrons utilizando uma lente eletromagntica

    circular, estabelecendo assim os fundamentos da ptica eletrnica. Com

    base nesses princpios, foi iniciada em 1931 a construo do primeiro

    microscpio eletrnico por um grupo liderado por Ruska. Pelo enorme

    avano que a microscopia eletrnica trouxe para as cincias, Ruska

    recebeu o Prmio Nobel na dcada de 80. Em 1939, a Siemens j construa

    o primeiro modelo comercial de microscpio eletrnico.

    Os microscpios eletrnicos so instrumentos fundamentais no estudo da clula.

    Foram desenvolvidos na primeira metade do sculo XX, sendo contemporneos

    da televiso e dos aparelhos de raios-X.

    INTRODUO

    Quando falamos em microscpio eletrnico, na verdade estamos

    nos referindo a uma famlia de instrumentos que utiliza um feixe de

    eltrons para produzir uma imagem ampliada de um objeto. Essa famlia

    composta por dois tipos de micrscopios: os microscpios eletrnicos

    de transmisso e os microscpios eletrnicos de varredura. Os primeiros

    se baseiam na capacidade do feixe de eltrons de atravessar a amostra,

    enquanto nos segundos o feixe de eltrons percorre a superfcie da amostra

    gerando um sinal que ser visualizado num monitor (Figura 2.1).

    Figura 2.1: Princpios de funcionamento do microscpio eletrnico de transmisso e do microscpio eletrnico de varredura. No microscpio eletrnico de transmisso (1) o feixe de eletrns atravessa as reas da amostra onde tomos mais leves esto presentes. No microscpio eletrnico de varredura (2) a interao dos eltrons com a superfcie da amostra gera sinais que formam uma imagem num monitor de TV.

    ERNST RUSKA (1906-1988)

    Fsico alemo nascido em Heidelberg, um dos ganhadores do Prmio Nobel de Fsica (1986) por seu trabalho fundamental em ptica eletrnica e por projetar o primeiro microscpio eletrnico. Pesquisador da Siemens-Reiniger-werke AG (1937-1955), diretor do Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlim (1955-1972) e professor na Universidade Tcnica de Berlim.

    (1) (2)

    tela de observao

    espcime

    monitor

    feixe de eltrons

    sinal emitido do espcimegerando imagem

    espcime

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    imagem observadadiretamente

    lenteocular

    lente objetiva

    espcime

    lente condensadora

    fonte de luz

    filamento aquecido(fonte de eltrons)

    lenteprojetora

    imagem em telafluorescente

    Trs sculos de microscopia ptica serviram para acelerar os

    progressos na interpretao das imagens da microscopia eletrnica. Ao

    microscpio ptico no difcil determinar o formato geral da clula e a

    localizao do ncleo, mas no muito fcil identificar estruturas dentro

    da clula. Por qu? Veja a resposta ao lado.

    Mesmo assim, grande parte das estruturas intracelulares, as organelas,

    j havia sido descrita ao microscpio ptico. Naturalmente, as funes e

    a estrutura detalhada dessas organelas s foram esclarecidas mais tarde.

    O grande salto conferido Biologia Celular depois da inveno desse instrumento

    reside no grande poder de resoluo que suas imagens possuem.

    d= 0,61

    onde, d = limite de resoluo

    = comprimento de onda da radiao, no caso de eltrons, 0,37

    = abertura da objetiva em radianos (0,5o= 0,01rad)assim,

    d = 2,2 no microscpio eletrnico e

    = angstron. Sabe quantos angstrons h em 1 m? 1m = 1010

    Isto , no apenas uma questo de aumentar mais as clulas e sim

    de permitir que sejam observadas estruturas menores dentro delas.

    O microscpio eletrnico de transmisso

    O microscpio eletrnico de transmisso idntico ao

    microscpio ptico na montagem de seus itens bsicos (Figura 2.2),

    apenas maior e invertido.

    Figura 2.2: C o m p a r a o e n t r e o m i c r o s c p i o ptico (1) e o microscpio eltrnico de transmisso (2) mostrando a posio relativa e a equivalncia de seus componentes.

    Resposta:Porque so pequenas, transparentes, de forma e tamanho varivel

    !

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    O que os diferencia fundamentalmente :

    1 a fonte: luz visvel no microscpio ptico e feixe de eltrons

    no microscpio eletrnico de transmisso;

    2 o vcuo na coluna do microscpio eletrnico de transmisso;

    3 as lentes: de vidro no microscpio ptico e eletromagnetos no

    microscpio eletrnico de transmisso;

    4 a espessura da amostra: da ordem de micrmetros (m) no

    microscpio ptico e de nanmetros (nm) no microscpio eletrnico.

    O feixe de eltrons gerado por um filamento de tungstnio que

    aquecido; podemos comparar ao que observamos numa lmpada em

    que o filamento aquecido emite o feixe luminoso (e eltrons tambm).

    O vcuo, que tambm existe dentro do bulbo da lmpada,

    necessrio no apenas para impedir a combusto do filamento na

    presena de oxignio como tambm para impedir a coliso do feixe de

    eltrons com molculas do ar. Por outro lado, esse um dos fatores que

    impossibilita a observao de clulas vivas no microscpio eletrnico

    de transmisso.

    As lentes magnticas desviam e orientam o feixe de eltrons

    da mesma forma que as lentes de vidro desviam e orientam o

    feixe de luz; lembre-se de que eltrons so uma radiao de carga

    negativa, sendo portanto atrados por cargas opostas e repelidos

    por cargas semelhantes.

    J a amostra precisa ser cortada em fatias muito finas para ser

    atravessada pelos eltrons. Mesmo a lmina de vidro mais fina barraria

    o feixe de eltrons. Por esse motivo so usadas telas de cobre para servir

    de suporte para os cortes ultrafinos (o processamento e o preparo das

    amostras para observao sero descritos mais adiante).

    A seguir voc v uma foto de um microscpio de transmisso;

    note como ele bem maior que os microscpios pticos, a comear

    pela coluna por onde passa o feixe de eltrons e onde esto distribudas

    as lentes magnticas (Figura 2.3).

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    Figura 2.3: Microscpio eletrnico Zeiss 900 instalado no Instituto de Biofsica da UFRJ.

    COMO SE FORMA A IMAGEM NUM MICROSCPIO ELETRNICO DE TRANSMISSO?

    Ao interagir com a amostra, os eltrons do feixe podem (Figura 2.4):

    1 passar entre os tomos sem colidir com eles;

    2 ser barrados por um tomo desviando-se num grande ngulo

    (desvio elstico);

    3 ser levemente desviados de sua rota por um tomo (desvio

    inelstico);

    Figura 2.4: Possveis desvios na trajetria de um eltron ao interagir com um tomo.

    filamento

    posio das lentes magnticas

    Lupa

    para observao da imagem na tela

    fluorescente

    local onde colocada a amostra

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    PREPARO DE AMOSTRAS PARA OBSERVAO AO MICROSCPIO ELETRNICO DE TRANSMISSO

    O ambiente no interior da coluna do microscpio eletrnico

    vcuo, feixe de eltrons no nem um pouco favorvel preservao

    da estrutura celular. Alm disso, a composio qumica das clulas,

    basicamente tomos leves como C, H, O e N, tambm no propcia

    formao de imagens no MET. Por esses motivos, assim como o

    microscpio foi-se aperfeioando desde sua inveno, paralelamente

    toda uma metodologia de preparao de amostras para observao ao

    microscpio eletrnico de transmisso foi sendo desenvolvida.

    Destas trs possibilidades de interao resultar a imagem no

    microscpio eletrnico de transmisso: os eltrons barrados ou desviados

    (2) sero excludos da imagem final, resultando em pontos escuros,

    enquanto os eltrons que atravessarem a amostra (1 e 3) iro colidir

    com uma tela fluorescente, dando origem a pontos claros (Figura 2.5).

    Figura 2.5: Formao da imagem no microscpio eletrnico de transmisso.

    telafluorescente

    eltrons barrados

    eltrons transmitidos

    abertura da objetiva

    espcime

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    No incio era assim:

    A micrografia ao lado foi obtida em 1945 com microscpio

    de transmisso utilizando espcime biolgico (um fibroblasto de

    embrio de pinto). Repare que uma clula inteira e que a imagem

    lembra muito o que observamos em microscopia ptica.

    Cortesia de www.rockfeller.edu/rucal/journey/journey.html

    O uso de substncias para preservar as estruturas

    celulares, chamadas fixadores, tornou o microscpio muito

    mais til. Veja na figura ao lado a imagem de uma clula vegetal

    fixada com uma soluo de KMnO4. O citoplasma aparece

    vazio, mas muitas estruturas j so reconhecveis. Veja no

    final da aula, se voc identificou corretamente as organelas.

    O uso mais recente do

    glutaraldedo, do OsO4 e de

    solues tampo, que mantm o

    pH e a osmolaridade adequadas

    boa preservao celular,

    resulta em imagens como esta,

    em que a estrutura da celula

    pode ser observada em toda a

    sua complexidade.

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    As etapas desse processo esto esquematizadas na Figura 2.6 e

    so as seguintes:

    1 Fixao: Em geral feita mergulhando as clulas ou tecidos em solues

    que estabilizam as membranas e os constituintes celulares na forma o mais

    prxima possvel da in vivo. Os mais utilizados so o formaldedo (sim, o

    formol, tambm utilizado na preservao de cadveres) e o glutaraldedo,

    superior ao formol e por isso mais utilizado do que este. Essas substncias,

    chamadas fixadores, so empregadas diludas em tampes, que ajudam

    a manter o pH e a osmolaridade da soluo fixadora o mais prximas

    possvel das condies vitais. Dessa maneira evita-se a deformao ou o

    rompimento das estruturas celulares.

    2 Ps-fixao e contrastao: Como os seres vivos so compostos

    basicamente por tomos leves que desviam pouco ou nada a passagem

    do feixe de eltrons, so utilizadas solues de sais de metais pesados

    (Fe, Os, Ur, Pb), que, alm de melhorarem a preservao das clulas,

    aumentam o contraste das amostras quando observadas ao microscpio

    eletrnico de transmisso. Esses sais se impregnam seletivamente nas

    membranas (caso do smio e do chumbo), no DNA (caso do urnio)

    ou em outros componentes celulares, facilitando a visualizao dessas

    estruturas. O tetrxido de smio (OsO4) impregna-se nas membranas

    funcionando como um fixador e conferindo simultneamente maior

    contraste s mesmas. Por ser utilizado depois do glutaraldedo, um

    ps-fixador. J os sais de chumbo e urnio geralmente so utilizados na

    ltima etapa de preparao da amostra, logo antes da observao ao

    microscpio eletrnico.

    3 Desidratao, incluso e microtomia: A fixao confere preservao s

    clulas; entretanto, o fato de serem em geral muito espessas e hidratadas

    para que o feixe de eltrons possa atravess-las tambm um obstculo

    a ser superado. Para isso as amostras tm toda sua gua substituda,

    inicialmente por um solvente orgnico como lcool etlico ou acetona, e

    em seguida por uma resina que, inicialmente, lquida, mas nas condies

    adequadas (em geral ao ser aquecida) endurece, permitindo que as amostras

    sejam cortadas em fatias finas o suficiente para que os eltrons possam

    passar nas reas em que no se impregnaram os metais pesados.

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    Figura 2.6: Preparo de amostra para microscpio eletrnico de transmisso.

    planta animal

    fragmentode amostra

    1 fixao:glutaraldedo

    clulas isoladas,bactrias, etc.

    centrifugao

    lavagem

    ps-fixao:OsO4

    lavagem

    desidratao:acetona

    25% 50% 75% 95% 100% 25% 50% 75% 95% 100%resina

    lavagem

    inclusopolimerizao

    (a 60C a resina endurece)ultramicrotomia(O tecido cortadoem fatias ultrafinas)

    As sees ultrafinasso coletadas da superfcie

    da gua com telas de cobre.

    contrastaoAntes de ser levada ao microscpio

    eletrnico a amostra, j sobre a grade, passada por solues de acetato de uranila

    e citrato de chumbo, que aumentamo contraste das clulas.

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    Figura 2.7: Corte ultrafino de um hemcito de caramujo como o visto na Figura 1.8D. Ao mi-croscpio eletrnico de transmisso podemos observar que o ncleo no compacto e que di-versas organelas esto dispersas no citoplasma. (Foto Marco Antonio Vasconcelos Santos)

    !D uma paradinha!

    Eltrons, ftons, fixadores e microtomia... quanta novidade, no? Neste ponto sugerimos que voc interrompa a leitura e reveja os muitos conceitos aqui apresentados, antes de iniciar a leitura do texto sobre microscopia eletrnica de varredura. Questes de auto-avaliao sobre este tema voc encontrar junto com as de microscopia eletrnica de varredura. No plo voc encontrar material em vdeo sobre o assunto.

    As imagens das amostras observadas ao microscpio eletrnico

    de transmisso podem ser fotografadas ou gravadas digitalmente para

    registro e estudo posterior (Figura 2.7).

    Uma idia mais clara sobre a preparao de amostra para microscopia

    eletrnica voc ter consultado a plataforma Cederj.

    A microscopia eletrnica de transmisso permite a observao

    do interior da clula e de suas estruturas e organelas. Infelizmente,

    como a observao em geral feita em fatias muito finas das clulas,

    temos sempre imagens bidimensionais de objetos que, na realidade, so

    tridimensionais. Essa dificuldade foi, ao menos parcialmente contornada

    pela microscopia eletrnica de varredura, onde a resoluo de detalhes da

    clula se combina observao da sua estrutura tridimensional.

    O MICROSCPIO ELETRNICO DE VARREDURA

    No incio deste texto voc pde observar um esquema muito

    simplificado, comparando as imagens obtidas num microscpio

    de transmisso com o de varredura (Figura 2.1). A Figura 2.8

    compara os componentes do microscpio eletrnico de varredura

    com o de transmisso. No microscpio de varredura (Figura 2.8)

    um filamento de tungstnio aquecido gera um feixe de eltrons,

    que tambm incide sobre a amostra, mas ao invs de atravess-

    la varre a superfcie ponto a ponto; porm, nesse caso, ao invs

    de atravess-la, interage com a amostra, extraindo da superfcie

    desta outros eltrons (chamados eltrons secundrios) que geram

    um sinal luminoso que convertido numa imagem (Figura 2.9).

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    Como acabamos de comentar, o feixe de eltrons passeia sobre a

    amostra, como o feixe de laser sobre o CD que voc ouve. Assim

    como de cada ponto do CD extrado um sinal sonoro diferente (a

    msica!), cada ponto da amostra interage de modo diferente com

    o feixe de eltrons e dessas diferenas so gerados pontos mais ou

    menos brilhantes que formaro a imagem. Essa imagem observada

    num monitor de TV e pode ser registrada em fotografia ou num

    computador. Veja tambm um modelo de microscpio eletrnico de

    varredura na Figura 2.10.

    Figura 2.8: Filamento aquecido (fonte de eltrons) do MET, apontar a lente objetiva do MEV.

    Figura 2.9: Imagens de microscopia de varredura: A: Clulas na fase final da diviso. B: Detalhe da regio anterior do inseto Oncopeltus fasciatus. A sensao de profundidade e relevo so as principais caractersticas dessa modalidade de microscopia eletrnica.

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    Figura 2.10: Foto de mi-croscpio eletrnico de varredura Jeol 5310 em operao no Instituto de Biofsica da UFRJ.

    PREPARO DA AMOSTRA PARA MICROSCOPIA DE VARREDURA

    Como, em geral, o objetivo do pesquisador ao utilizar o

    microscpio eletrnico de varredura obter informaes sobre a forma

    externa das amostras (sejam elas clulas, folhas, insetos, dentes, plos

    etc.), estas no so cortadas em fatias. O processamento para observao

    no microscpio eletrnico de varredura envolve, aps o tratamento com

    solues fixadoras, a secagem do material (para remover toda a gua, j

    que esse microscpio tambm opera sob vcuo) e seu revestimento com

    ouro ou outro elemento condutor, para gerao do sinal (Figura 2.11).

    Para maiores detalhes, consulte a plataforma Cederj.

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    Figura 2.11: Esquema das principais etapas do processamento de amostras para microscopia eletrnica de varredura.

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    Outras imagens obtidas com o microscpio de varredura podem

    ser observadas nos seguintes endereos da Internet:

    http://www.ou.edu/research/eletctron/www-vl/-_links para muitas

    colees de imagens, tanto de microscopia ptica quanto eletrnica.

    http://www.uq.edu.au/nanoworld/images_1.html

    http://www.prbc.hawaii.edu/nanoworld/~kunkel

    http://www2.uerj.br/~micron/- laboratrio de microscopia e

    processamento de imagens

    http://www2.uerj.br/~micron/

    Voc tambm pode localizar outros endereos interessantes nos

    sites de busca como o:

    www.google.com

    www.yahoo.com

    Compartilhe os resultados de sua busca com seu tutor e com os

    colegas do plo.

    OUTROS MICROSCPIOS ELETRNICOS

    Como comentamos no incio da aula, os

    microscpios eletrnicos formam uma verdadeira

    famlia. De acordo com os acessrios de que so

    dotados ou ainda conforme as amostras sejam

    preparadas, diferentes tipos de imagem e de

    informao so obtidos.

    O MICROSCPIO ELETRNICO DE ALTA VOLTAGEM

    Enquanto no microscpio eletrnico de

    transmisso convencional o feixe de eltrons

    acelerado de 50 a 80 KV, permitindo a observao

    de amostras at 100-150 nm de espessura, no

    microscpio eletrnico de transmisso de alta

    voltagem a acelerao do feixe de at 1.000

    KV. Isso permite a observao de amostras bem

    mais espessas (at 2 m!). A maioria das clulas

    mais espessa do que isso (5-20 m), mas mesmo

    assim aspectos importantes das clulas foram

    observados nesse microscpio eletrnico de

    transmisso (Figura 2.12)

    Figura 2.12: Microscpio eletrnico de alta voltagem (1.000 KV) instalado na Universidade do Colorado em Boulder. (Imagem retirada do site http://bio3d.colordo.edu/m.html).

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    MICROANLISE

    De acordo com a natureza dos tomos presentes na amostra, a

    coliso com os eltrons do feixe gera raios-X e outras radiaes que

    podem ser captadas por detectores especiais, dando informaes sobre

    a composio qumica da amostra. Esses detectores so acessrios que

    podem ser adaptados ao microscpio eletrnico de transmisso ou ao

    microscpio eletrnico de varredura.

    VARREDURA DE ALTA RESOLUO

    Nesse microscpio (Figura 2.13) o feixe emitido muito fino,

    varrendo reas muito menores da amostra. Assim, detalhes que passam

    despercebidos na varredura convencional podem ser resolvidos. Organelas

    e filamentos do citoesqueleto (Figura 2.14), que normalmente no so

    visveis ao microscpio eletrnico de varredura, podem ser vistas aqui.

    Figura 2.13: Microscpio de varredura de alta resoluo Jeol.

    Figura 2.14: Os microtbulos que formam o citoesqueleto desse protozorio (Herpetomonas megaseliae) no seriam visveis no microscpio de varredura convencional.

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  • Biologia Celular I | Princpios de funcionamento dos microscpios eletrnicos

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    Biologia Celular I | Princpios de funcionamento dos microscpios eletrnicos

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    R E S U M O

    O poder de resoluo da microscopia eletrnica muito maior do que os dos

    microscpios pticos porque o comprimento de onda dos eltrons muito

    menor do que o da luz visvel. Os princpios da microscopia eletrnica foram

    estabelecidos por Ruska no incio do sculo XX. Os microscpios eletrnicos

    podem ser divididos em de transmisso e de varredura. Nos primeiros, as imagens

    so de cortes ultrafinos ou mostram a regio interna da clula com a estrutura

    de membrana, as organelas, como mitocndrias e retculo endoplasmtico etc.

    No microscpio de varredura a imagem formada quando o feixe percorre a

    superfcie da amostra, arrancando de sua superfcie eltrons que iro formar

    uma imagem da superfcie externa que estiver sendo "varrida".

    VARREDURA DE PRESSO VARIVEL (AMBIENTAL)

    Nesse modelo de microscpio eletrnico de varredura, a presso

    na coluna varivel, sendo possvel observar amostra frescas, isto , sem

    nenhum tratamento qumico e sem o processo de secagem. Potencialmente,

    podem ser observadas amostras vivas nesse microscpio, mas o poder de

    resoluo ainda bastante limitado.

    Links de interesse:

    http://www.mos.org/sln/SEM/works/slideshow/semmov.html

    - animao sobre o funcionamento do MEV.

    http://www.denniskunkel.com/ - imagens de microscopia ptica

    e eletrnica artificialmente coloridas. Muito bonito!

    http://www.molbio.princeton.edu/confocal/510image2/

    Zeisslist2.html - Maravilhosas imagens de fluorescncia obtidas em

    microscpio de fluorescncia confocal.

    http://mgasun.bch.umontreal.ca/protists/gallery.html - imagens de

    protistas em microscopia ptica de contraste interferencial e de fase. Links

    para imagens desses mesmos organismos em microscopia eletrnica,

    mostrando como vrios mtodos de observao deve ser conjugados na

    anlise de um organismo.

    http://www.msa.microscopy.com/ProjectMicro/Books4.html

    - coleo de CD-roms selecionados com comentrios.

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    EXERCCIOS

    1. Defina, em suas prprias palavras, o que o poder de resoluo.

    2. Se uma determinada estrutura mede 100nm de dimetro, quanto medir se

    observada ao microscpio eletrnico com 10.000X de aumento?

    3. Se a rea de observao na tela do microscpio eletrnico mede 9x9 cm e uma

    clula mede cerca de 30 m de dimetro, qual o maior aumento com o qual poderemos observar toda sua circunferncia?

    4. Faa uma tabela comparando o poder de resoluo, a natureza das lentes

    e o tipo de emisso do filamento do microscpio eletrnico de transmisso

    em relao ao microscpio ptico.

    5. A formao da imagem no microscpio de transmisso se d sobre uma tela

    fluorescente. Nos pontos em que os eltrons foram barrados pelos tomos da

    amostra, a imagem ____________________, enquanto os eltrons no barrados

    incidem sobre a tela e fornecem _______________. tomos de elementos mais leves

    tendem a ________________ mais eltrons e elementos mais pesados tendem a

    ____________________mais eltrons.

    6. Por que necessrio que a coluna dos microscpicos eletrnicos permanea

    sob vcuo?

    7. As clulas so hidratadas e, mesmo sendo formadas por elementos leves

    (C, H, N, O), so muito espessas para permitir a passagem de um feixe de eltrons.

    Quais os principais processos a que precisam ser submetidas antes da observao

    ao microscpio de transmisso?

    8. No microscpio eletrnico de varredura as imagens so _______________.

    O feixe de eltrons _______________ a superfcie da amostra gerando um sinal

    para um monitor de TV.

    9. So bons exemplos de estrutura mais bem visualizadas no microscpio de

    transmisso: ______________________________________________________________

    ___________________________________________________________________________

    10. So bons exemplos de estrutura mais bem visualizadas no microscpio de

    varredura:__________________________________________________________________

    ___________________________________________________________________________