Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия (далее Э) совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов (МЭ) микроструктуры тел (вплоть до уровня), их локального состава и локализованных на поверхностях или в микрообъемах тел электрических и полей (микрополей). Наряду с этим прикладным значением Э является самостоятельным научным направлением, предмет и цели которого включают: усовершенствование и разработку новых МЭ и других корпускулярных микроскопов (например, протонного микроскопа) и приставок к ним; разработку методик препарирования образцов, исследуемых в МЭ; изучение механизмов формирования электроннооптических изображений; разработку способов анализа разнообразной информации (не только изображений), получаемой с помощью МЭ.

  Объекты исследований в Э — большей частью твердые тела. В просвечивающих МЭ (ПЭМ), в которых электроны с энергиями от 1 кэв до 5 Мэв проходят сквозь объект, изучаются образцы в виде тонких пленок, фольги (рис. 1), срезов и т. п. толщиной от 1 нм до 10 мкм (от 10  до 105 ). Поверхностную и приповерхностную структуру массивных тел с толщиной существенно больше 1 мкм исследуют с помощью непросвечивающих МЭ: растровых (РЭМ) (рис. 2), зеркальных, ионных проекторов и электронных проекторов.

  Можно изучать порошки, микрокристаллы, частицы аэрозолей и т. д., нанесенные на подложку: тонкую пленку для исследования в ПЭМ или массивную подложку для исследования в РЭМ. Поверхностная геометрическая структура массивных тел изучается и методом реплик: с поверхности такого тела снимается отпечаток в виде тонкой пленки коллодия, формвара и др., повторяющий рельеф поверхности и рассматриваемый в ПЭМ. Обычно предварительно на реплику в вакууме напыляется под скользящим (малым к поверхности) углом слой сильно рассеивающего электроны тяжелого металла (например, ), оттеняющего выступы и впадины геометрического рельефа. При исследовании методом так называемого декорирования не только геометрической структуры поверхностей, но и микрополей, обусловленных наличием дислокаций (рис. 3), скоплений точечных дефектов (см. Дефекты в кристаллах), ступеней роста граней, доменной структуры (см. Домены) и т. д., на поверхность образца вначале напыляется очень тонкий слой декорирующих частиц ( , и др., молекулы полупроводников или диэлектриков), осаждающихся преимущественно на участках сосредоточения микрополей, а затем снимается реплика с включениями декорирующих частиц.

  Специальные газовые микрокамеры — приставки к ПЭМ или РЭМ — позволяют изучать жидкие и газообразные объекты, неустойчивые к воздействию высокого вакуума, в том числе влажные биологические препараты. Радиационное воздействие облучающего электронного пучка довольно велико, поэтому при исследовании биологических, полупроводниковых, полимерных и т. п. объектов необходимо тщательно выбирать режим работы МЭ, обеспечивающий минимальную дозу облучения.

  Наряду с исследованием статическим, не меняющихся во времени объектов Э дает возможность изучать различные процессы в динамике их развития: рост пленок, деформацию под действием переменной нагрузки, изменение структуры под влиянием электронного или ионного облучения и т. д. (исследования "in situ"). Вследствие малой инерционности электрона можно исследовать периодические во времени процессы, например перемагничивание тонких пленок, переполяризацию сегнетоэлектриков, распространение ультразвуковых волн и т. д., методами стробоскопической Э: электронный пучок "освещает" образец импульсами, синхронными с подачей импульсного напряжения на образец, что обеспечивает фиксацию на экране прибора определенной фазы процесса точно так же, как это происходит в светооптических стробоскопических приборах (рис. 4). Предельное временное разрешение при этом может, в принципе, составлять около 10-15 сек для ПЭМ (практически реализовано разрешение ~ 10-10 сек для ПЭМ и РЭМ).

  Для интерпретации изображений аморфных и других тел (размеры частиц которых меньше разрешаемого в МЭ расстояния), рассеивающих электроны диффузно, используются простейшие методы амплитудной Э Например, в ПЭМ контраст изображения, т. е. перепад яркостей изображения соседних участков объекта, в первом приближении пропорционален перепаду толщин этих участков. Для расчета контраста изображений тел (рис. 5), имеющих регулярные структуры (при рассеянии частиц на таких телах происходит дифракция частиц), и решения обратной задачи — расчета структуры объекта по наблюдаемому изображению — привлекаются методы фазовой Э: решается задача о дифракции электронной волны (см. Волны де Бройля) на решетке. При этом дополнительно учитываются неупругие взаимодействия электронов с объектом: рассеяние на плазмах, фононах и т. п. В ПЭМ и растровых ПЭМ (ПРЭМ) высокого разрешения получают изображения отдельных молекул или тяжелых элементов; пользуясь методами фазовой Э, восстанавливают по изображениям трехмерную структуру и биологических макромолекул. Для решения подобных задач применяют, в частности, методы голографии, а расчеты производят на ЭВМ.

  Разновидность фазовой Э — интерференционная Э, аналогичная оптической интерферометрии (см. Интерферометр): электронный пучок расщепляется с помощью электронных призм, и в одном из плеч интерферометра устанавливается образец, изменяющий фазу проходящей сквозь него электронной волн. Этим методом можно измерить, например, внутренний электрический потенциал образца.

  С помощью лоренцовой Э, в которой изучают явления, обусловленные Лоренца силой, исследуют внутренние и электрические поля или внешние поля рассеяния, например поля доменов в тонких пленках (рис. 6), сегнетоэлектрических доменов (см. Домены), поля головок для записи информации и т. п.

  Состав объектов исследуется методами микродифракции, т. е. электронографии локальных участков объекта, рентгеновского и катодолюминисцентного спектрального микроанализа (см Катодолюминесценция, Спектральный анализ рентгеновский): регистрируются характеристические рентгеновские спектры или катодолюминисцентное излучение, возникающее при бомбардировке образца сфокусированным пучком электронов (диаметр электронного "зонда" менее 1 мкм). Кроме того, изучаются энергетические спектры вторичных электронов, выбитых первичным электронным пучком с поверхности или из объема образца.

  Интенсивно разрабатываются методы количественной Э — точное измерение различных параметров образца или исследуемого процесса, например измерение локальных электрических потенциалов (рис. 7), полей (рис. 8), микрогеометрии поверхностного рельефа и т. д. МЭ используются и в технологических целях (например, для изготовления микросхем методом фотолитографии).

  Лит.: Хокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Утевский Л. М., Дифракционная электронная микроскопия в металловедении, М., 1973; Э тонких пер. с англ., М., 1968; Спивак Г. В., Сапарин Г. В., Быков М. В., Растровая электронная микроскопия, "Успехи физических наук", 1969, т. 99, в. 4; Вайнштейн Б. К., Восстановление пространственной структуры биологических объектов по электронным микрофотографиям, "Изв. АН СССР. Сер. физическая", 1972, т. 36, № 9; Quantitftive scanning electron microscopy, L. — . . — . ., 1974.

  А. Е. Лукьянов.

  Применение электронной микроскопии в биологии позволило изучить сверхтонкую структуру клетки внеклеточных компонентов тканей. На основании результатов, полученных с помощью МЭ (максимальное разрешение которых для биологических объектов 12 6А, а увеличения до 800 1200 тыс.), начиная с 40-х гг. было описано тонкое строение мембран, митохондрий, рибосом и других клеточных, а также внеклеточных структур, выявлены некоторые макромолекулы, например ДНК. Растровая (сканирующая) Э дает возможность изучать тонкое строение поверхности клеток и тканевых структур не только фиксированных объектов, но и живых животных с твердым хитиновым покровом, например ряда членистоногих. Техника приготовления биологических препаратов для Э включает процедуры, сохраняющие ткань в условиях глубокого вакуума под пучком электронов и реализующие высокое разрешение МЭ. Обычно объекты фиксируют реагентами (альдегидами, четырехокисью или др.), обезвоживают (спиртом, ацетоном), пропитывают эпоксидными смолами и режут на специальных микротомах на ультратонкие срезы (толщиной 100 600 ). Для повышения контраста изображения клеток их обрабатывают "электронными красителями", сильно рассеивающими электроны ( гидроокисью и др.). Чтобы уменьшить повреждающее действие фиксатора на ткань, ее можно заморозить, вытесняя затем воду ацетоном или спиртом при низкой температуре. Иногда применяют методы, исключающие действие фиксатора на клетки, например лиофилизацию: ткань быстро охлаждают до 150 или 196° и обезвоживают в высоком вакууме при низкой температуре. Перспективным оказался метод замораживания с травлением, основанный на получении href="http://C-Carbon.info/" title="Carbon">углеродной реплики со скола замороженного объекта. Благодаря этому методу внесены существенные изменения в представления о структуре клеточных мембран. Для изучения структуры биологических макромолекул и отдельных клеточных органоидов используют негативное контрастирование образцов. В этом случае исследуемые объекты выявляются в виде электроннопрозрачных элементов на темном фоне. Полученные в МЭ изображения молекул можно анализировать, применяя методы, основанные на дифракции света. Использование высоковольтной Э (до 3 Мв) позволяет получить сведения о 3-мерной структуре клеток. При подготовке к исследованию живых членистоногих их обездвиживают с помощью эфирного или наркоза в дозах, не вызывающих последующей гибели, и помещают в вакуумную камеру МЭ. В современной Э широко применяют методы цитохимии, включая авторадиографию. Применение Э в биологии существенно изменило и углубило прежние представления о тонком строении клетки.

  Лит.: Киселев Н. А., Э биологических макромолекул, М., 1965; Электронно-микроскопическая анатомия, пер. с англ., М., 1967; Балашов Ю. С., Миккау Н. Е., Изучение живых животных в растровом электронном микроскопе, "Природа", 1977, № 1; Tribe М. A., Eraut M. R., Snook R. ., Basic biology course, book 2 — Electron microscopy and cellstructure, Camb., 1975; Electron microscopy of enzymes. Principles and methods, v. 1—2, . ., 1973—74.

  Н. А. Старосветская, Я. Ю. Комиссарчик.



Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 26.06.2022 00:06:46