Електронна мікроскопія
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Електронна мікроскопія

Електронна мікроскопія, сукупність методів дослідження за допомогою електронних мікроскопів (МЕ) мікроструктури тіл (аж до атомно-молекулярного рівня), їх локального складу і локалізованих на поверхнях або в мікрооб'ємах тіл електричних і магнітних полів (мікрополів). Поряд з цим прикладним значенням Е. м. є самостійним науковим напрямом предмет і цілі якого включають: удосконалення і розробку нових МЕ і інших корпускулярних мікроскопів (наприклад, протонного мікроскопа) і приставок до них; розробку методик препарування зразків, досліджуваних в МЕ; вивчення механізмів формування електроннооптичних зображень; розробку способів аналізу всілякої інформації (не лише зображень), що отримується за допомогою МЕ.

загрузка...

  Об'єкти досліджень в Е. м. — переважно тверді тіла. У МЕ (ПЕМ), що просвічують, в яких електрони з енергіями від 1 кев до 5 Мев проходят крізь об'єкт, вивчаються зразки у вигляді тонких плівок, фольги ( мал. 1 ), зрізів і т. п. завтовшки від 1 нм до 10 мкм (від 10  до 10 5 ). Поверхневу і приповерхневу структуру масивних тіл з товщиною істотно більше 1 мкм досліджують за допомогою МЕ, що не просвічують: растрових (РЕМ) ( мал. 2 ), дзеркальних, іонних проекторів і електронних проекторів .

  Можна вивчати порошки, мікрокристали, частки аерозолів і т. д., нанесені на підкладку: тонку плівку для дослідження в ПЕМ або масивну підкладку для дослідження в РЕМ. Поверхнева геометрична структура масивних тіл вивчається і методом реплік : з поверхні такого тіла знімається відбиток у вигляді тонкої плівки вуглецю, колодія, формвара і ін., що повторює рельєф поверхні і що розглядається в ПЕМ. Зазвичай заздалегідь на репліку у вакуумі напилюється під ковзаючим (малим до поверхні) кутом шар сильно розсіюючого електрони важкого металу (наприклад, Pt), що відтіняє виступи і западини геометричного рельєфу. При дослідженні методом так званого декорування не лише геометричної структури поверхонь, але і мікрополів, обумовлених наявністю дислокацій ( мал. 3 ), скупчень точкових дефектів (див. Дефекти в кристалах ), рівнів зростання кристалічних граней, доменної структури (див. Домени ) і т. д., на поверхню зразка спочатку напилюється дуже тонкий шар декоруючих часток (атоми Au, Pt і ін., молекули напівпровідників або діелектриків), що осідають переважно на ділянках зосередження мікрополів, а потім знімається репліка з включеннями декоруючих часток.

  Спеціальні газові мікрокамери — приставки до ПЕМ або РЕМ — дозволяють вивчати рідкі і газоподібні об'єкти, нестійкі до дії високого вакууму, у тому числі вологі біологічні препарати. Радіаційна дія опромінюючого електронного пучка досить велика, тому при дослідженні біологічних, напівпровідникових, полімерних і т. п. об'єктів необхідно ретельно вибирати режим роботи МЕ, що забезпечує мінімальну дозу опромінення.

  Поряд з дослідженням статичним, не змінних в часі об'єктів Е. м. дає можливість вивчати різні процеси в динаміці їх розвитку: зростання плівок, деформацію кристалів під дією змінного навантаження, зміна структури під впливом електронного або іонного опромінення і т. д. (дослідження «in situ»). Унаслідок малої інерційності електрона можна досліджувати періодичні в часі процеси, наприклад перемагнічування тонких магнітних плівок, переполярізацию сегнетоелектріков, поширення ультразвукових хвиль і т. д., методами стробоскопічної Е. м.: електронний пучок «освітлює» зразок імпульсами, синхронними з подачею імпульсної напруги на зразок, що забезпечує фіксацію на екрані приладу певної фази процесу точно так, як і це відбувається в светооптічеських стробоскопічних приладах ( мал. 4 ). Граничний тимчасовий дозвіл при цьому може, в принципі, складати біля 10 -15 сік для ПЕМ (практично реалізований дозвіл ~ 10 -10 сік для ПЕМ і РЕМ).

  Для інтерпретації зображень аморфних і інших тіл (розміри часток яких менше вирішуваного в МЕ відстані), розсіюючих електрони дифузно, використовуються прості методи амплітудної Е. м. Наприклад, в ПЕМ контраст зображення, тобто перепад яркостей зображення сусідніх ділянок об'єкту, в першому наближенні пропорційний перепаду товщини цих ділянок. Для розрахунку контрасту зображень кристалічних тіл ( мал. 5 ), що мають регулярні структури (при розсіянні часток на таких тілах відбувається дифракція часток ) , і рішення зворотної задачі — розрахунку структури об'єкту по спостережуваному зображенню — притягуються методи фазової Е. м.: вирішується завдання про дифракцію електронної хвилі (див. Хвилі де Бройля ) на кристалічній решітці. При цьому додатково враховуються непружні взаємодії електронів з об'єктом: розсіяння на плазмах, фононах і т. п. У ПЕМ і растрових ПЕМ (ПРЕМ) високого дозволу отримують зображення окремих молекул або атомів важких елементів; користуючись методами фазової Е. м., відновлюють по зображеннях тривимірну структуру кристалів і біологічних макромолекул. Для вирішення подібних завдань застосовують, зокрема, методи голографії, а розрахунки виробляють на ЕОМ(електронна обчислювальна машина).

  Різновид фазової Е. м. — інтерференційна Е. м., аналогічна оптичній інтерферометрії (див. Інтерферометр ): електронний пучок розщеплюється за допомогою електронних призм, і в одному з плечей інтерферометра встановлюється зразок, що змінює фазу проходящей крізь нього електронною хвиль. Цим методом можна виміряти, наприклад, внутрішній електричний потенціал зразка.

  За допомогою лоренцової Е. м., в якій вивчають явища, обумовлені Лоренца силоміць, досліджують внутрішні магнітні і електричні поля або зовнішні поля розсіяння, наприклад поля магнітних доменів в тонких плівках ( мал. 6 ), сегнетоелектрічеських доменів (див. Домени ), поля голівок для магнітного запису інформації і т. п.

  Склад об'єктів досліджується методами мікродифракції, тобто електронографії локальних ділянок об'єкту, рентгенівського і катодолюмінісцентного спектрального мікроаналізу (см Катодолюмінесценція, Спектральний аналіз рентгенівський ): реєструються характеристичні рентгенівські спектри або катодолюмінісцентноє випромінювання, що виникає при бомбардуванні зразка сфокусованим пучком електронів (діаметр електронного «зонда» менше 1 мкм ). Крім того, вивчаються енергетичні спектри вторинних електронів, вибитих первинним електронним пучком з поверхні або з об'єму зразка.

  Інтенсивно розробляються методи кількісної Е. м. — точний вимір різних параметрів зразка або досліджуваного процесу, наприклад вимір локальних електричних потенціалів ( мал. 7 ), магнітних полів ( мал. 8 ), мікрогеометрії поверхневого рельєфу і т. д. МЕ використовуються і в технологічних цілях (наприклад для виготовлення мікросхем методом фотолітографія ).

  Літ.: Хокс П., Електронна оптика і електронна мікроскопія, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1974; Стоянова І. Р., Анаськин І. Ф., Фізичні основи методів електронної мікроскопії, що просвічує, М., 1972; Утевський Л. М., Дифракційна електронна мікроскопія в металознавстві, М., 1973; Електронна мікроскопія тонких кристалів, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Співак Р. Ст, Сапарін Р. Ст, Биків М. Ст, Растрова електронна мікроскопія, «Успіхи фізичних наук», 1969, т. 99, ст 4; Вайнштейн Би. До., Відновлення просторової структури біологічних об'єктів по електронних мікрофотографіях, «Ізв. АН(Академія наук) СРСР. Сірок. фізична», 1972, т. 36 № 9; Quantitftive scanning electron microscopy, L. — N. Y. — S. F., 1974.

  А. Е. Лукьянов.

  Вживання електронної мікроскопії в біології дозволило вивчити надтонку структуру клітки позаклітинних компонентів тканин. На підставі результатів, отриманих за допомогою МЕ (максимальний дозвіл яких для біологічних об'єктів 12 6А, а збільшення до 800 1200 тис.), починаючи з 40-х рр. було описано тонку будову мембран, мітохондрій, рибосом і інших клітинних, а також позаклітинних структур, виявлені деякі макромолекули, наприклад ДНК(дезоксирибонуклеїнова кислота). Растрова (скануюча) Е. м. дає можливість вивчати тонку будову поверхні кліток і тканинних структур не лише фіксованих об'єктів, але і живих тварин з твердим хітиновим покривом, наприклад ряду членистоногих. Техніка приготування біологічних препаратів для Е. м. включає процедури, що зберігають тканину в умовах глибокого вакууму під пучком електронів і що реалізовують високий дозвіл МЕ. Зазвичай об'єкти фіксують хімічними реагентами (альдегідами, чотириокисом осмію або ін.), зневоднюють (спиртом, ацетоном), просочують епоксидними смолами і ріжуть на спеціальних мікротомах на ультратонкі зрізи (завтовшки 100 600 ). Для підвищення контрасту зображення кліток їх обробляють «електронними фарбниками», сильно розсіюючими електрони (уранілацетатом гідроокисом свинцю і ін.). Щоб зменшити ушкоджувальну дію фіксатора на тканину, її можна заморозити, витісняючи потім воду ацетоном або спиртом при низькій температурі. Інколи застосовують методи, що виключають дію фіксатора на клітки, наприклад ліофілізацію : тканину швидко охолоджують до 150 або 196°c і зневоднюють у високому вакуумі при низькій температурі. Перспективним виявився метод заморожування з тим, що труїть, заснований на здобутті платіно-вуглецевої репліки з ськола замороженого об'єкту. Завдяки цьому методу внесені істотні зміни в уявлення про структуру клітинних мембран. Для вивчення структури біологічних макромолекул і окремих клітинних органоїдів використовують негативне контрастування зразків. В цьому випадку досліджувані об'єкти виявляються у вигляді електроннопрозрачних елементів на темному фоні. Отримані в МЕ зображення молекул можна аналізіровать, застосовуючи методи, засновані на дифракція світла . Використання високовольтної Е. м. (до 3 Мв ) дозволяє отримати зведення про 3-мірну структуру кліток. При підготовці до дослідження живих членистоногих їх обездвіжівают за допомогою ефірного або хлороформного наркозу в дозах, що не викликають подальшої загибелі, і поміщають у вакуумну камеру МЕ. У сучасній Е. м. широко застосовують методи цитохімії, включаючи авторадіографію . Вживання Е. м. в біології істотно змінило і поглибило колишні уявлення про тонку будову клітки.

  Літ.: Кисельов Н. А., Електронна мікроскопія біологічних макромолекул, М., 1965; Електронно-мікроскопічна анатомія, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Балашов Ю. С., Міккау Н. Е., Вивчення живих тварин в растровому електронному мікроскопі, «Природа», 1977 № 1; Tribe М. A., Eraut M. R., Snook R. K., Basic biology course, book 2 — Electron microscopy and cellstructure, Camb., 1975; Electron microscopy of enzymes. Principles and methods, v. 1—2, N. Y., 1973—74.

  Н. А. Старосвітська, Я. Ю. Коміссарчик.

Мал. 5. Зображення атомних грат плівки золота. Відстань між кристалографічною плоскістю 2,04 Å. Знято в електронному мікроскопі ЕМВ-100Л, що просвічує, при електроннооптичному збільшенні 350000 з подальшим оптичним збільшенням знімка.

Мал. 1. Отримане в електронному мікроскопі, що просвічує, зображення сітки дислокацій на кордонах зерен в тонкій молібденовій фользі, деформованій при високотемпературному нагріві.

Мал. 7а. Отримане за допомогою растрового електронного мікроскопа зображення ділянки інтегральної мікросхеми.

Мал. 6. Зображення доменної структури тонкою однорідною по товщині пермаллоєвой плівки. Знято в електронному мікроскопі, що просвічує, при дефокусуванні зображення (метод лоренцевой електронної мікроскопії). Світлі і темні вузькі смуги — кордони доменів. Видно «брижі» намагніченості, що виникають унаслідок малих змін напрямів векторів намагніченості (відмічені стрілками) усередині доменів.

Мал. 7б. Виміряне уздовж резистора (вісь Х, крапки 1—7), на який подана напруга, розподіл потенціалу U (вимір локального потенціалу по зрушенню енергетичного спектру вторинних електронів).

Мал. 8. Зображення ліній рівної напруженості поля (від 25 до 150 гс через 25 гс) над зазором магнітної голівки (ширина зазору 2d = 2 мкм ) для магнітного запису інформації. Отримано у растровому електронному мікроскопі із спеціальною приставкою.

Мал. 4. Зображення поверхні кремнієвого напівпровідникового діода, отримані в стробоскопічному емісійному електронному мікроскопі: а — напруга на діоді відсутня; б — на діод подана замикаюча напруга 40 в темна область, що з'явилася, — падіння напруги на р — n-переході; у — короткочасне (менше 40 нсек ) пряме падіння напруги (широка темна область) на базі діода при перемиканні його в стан, при якому він «відімкнений».

Мал. 2. Зображення попереднє відполірованою, а потім підданому іонному бомбардуванню поверхні монокристала міді. Знято в растровому електронному мікроскопі. Збільшення 3000.

Мал. 3. Гвинтові дислокації на поверхні кристала Nacl, підданого тому, що термічному труїть при температурі 500 °С. Зображення отримане методом декорування.