Как работает электронный микроскоп

Электронный микроскоп — прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. ЭМ — один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела. Существуют три основных вида ЭМ. В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.

ОПЭМ во многом подобен световому микроскопу см. МИКРОСКОП, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются электронный прожектор (см. ниже), ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка -100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором (см. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА). Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.

Электронная оптика. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое — оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой (рис. 1). Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10-100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.

Рис. 1. МАГНИТНАЯ ЛИНЗА. Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок.

КАК РАБОТАЕТ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП? | РАЗБОР

Схема ОПЭМ представлена на рис. 2. Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой — самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП1 000 000. (При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли.) Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.

Рис. 2. ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (ОПЭМ). Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке. В ОПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. 1 — источник электронов; 2 — ускоряющая система; 3 — диафрагма; 4 -конденсорная линза; 5 — образец; 6 — объективная линза; 7 — диафрагма; 8 — проекционная линза; 9 — экран или пленка; 10 — увеличенное изображение.

Изображение. Контраст в ОПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие — из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из диафрагмы с угловым отклонением, превышающим некоторый предел, уже не могут вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно рассеивающие участки повышенной плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых атомов выглядят на изображении как темные зоны на светлом фоне. Такое изображение называется светлопольным, поскольку на нем окружающее поле светлее объекта. Но можно сделать так, чтобы электрическая отклоняющая система пропускала в диафрагму объектива только те или иные из рассеянных электронов. Тогда образец выглядит светлым на темном поле. Слабо рассеивающий объект часто бывает удобнее рассматривать в режиме темного поля. Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.

Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50-100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения ок. 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой ок. 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.

Ваш браузер не поддерживается

Интернет-сервис Студворк построен на передовых, современных технологиях и не может гарантировать полную поддержку текущего браузера.

Chrome

Установить новый браузер

    Google Chrome

Yandex browser

Скачать
Яндекс Браузер

Opera

Скачать
Opera

Firefox

Скачать
Firefox

Edge

Скачать
Microsoft Edge

Нажимая на эту кнопку, вы соглашаетесь с тем, что сайт в вашем браузере может отображаться некорректно. Связаться с техподдержкой

Работаем по будням с 8.00 до 18.00 по МСК

Как можно управлять движением электронов

На рис. 2 схематично изображена стеклянная трубка, из которой выкачан воздух, снабжённая несколькими электродами, к которым можно подводить электрическое напряжение.

Электрод К (катод) заряжен отрицательно по отношению к пластинке А (анод) настолько сильно, что из него будут вылетать электроны. Обычно катод нагревают до высокой температуры, тогда напряжение между катодом и анодом может быть значительно меньше.

Электроны полетят от электрода к пластинке, и их скорость будет всё время возрастать; если в аноде сделано отверстие, то разогнавшиеся электроны, пролетая через отверстие, будут продолжать лететь с достигнутой скоростью по инерции прямолинейным пучком.

Если вдоль пучка расположить пластинку, покрытую веществом, светящимся от ударов электронов, то этот пучок делается видным в виде узкой светящейся полоски, указывающей путь электронов.

Статья об электронном микроскопе, написанная блестящим популяризатором науки, физиком и педагогом Дмитрием Дмитриевичем Галаниным, была опубликована в «Науке и жизни» 75 лет назад. Автор статьи не ошибся в своих предсказаниях: сейчас электронный микроскоп — вполне обычный научный прибор в арсенале физиков, химиков, биологов, благодаря которому можно увидеть отдельные молекулы и даже атомы. Более того, электронный микроскоп стал важнейшим инструментом нанотехнологий.

Вспомним некоторые важные научные вехи в развитии электронной микроскопии.

  • 1897 год. Джозеф Джон Томсон открывает электрон. Нобелевская премия 1906 года.
  • 1924 год. Луи де Бройль высказывает идею, что движение электрона (и других элементарных частиц) можно представить как распространение волны. Нобелевская премия 1929 года.
  • 1928 год. Джордж Паджет Томсон (сын Дж. Дж. Томсона) обнаруживает дифракцию электронов, экспериментально доказав волновую природу этих частиц. Нобелевская премия 1937 года (совместно с К. Дэвиссоном).
  • 1928 год. Георгий Гамов предлагает теорию туннельного перехода элементарной частицы через энергетический барьер.
  • 1931 год. Немецкий инженер Райнхольд Руденберг патентует просвечивающий электронный микроскоп с электростатической фокусировкой электронов.
  • 1931 год. Эрнст Руска (Нобелевская премия 1986 года) и Макс Кнолль создают прототип просвечивающего электронного микроскопа с фокусировкой магнитными линзами. В 1933 году создан прибор с разрешением выше, чем у светового микроскопа.
  • 1937 год. Манфред фон Арденне изобретает растровый (сканирующий) электронный микроскоп с разрешением выше 100 нм.
  • 1951 год. Чарльз Отли создаёт сканирующий электронный микроскоп с регистрацией вторичных (испускаемых исследуемой поверхностью) электронов с разрешением 50 нм, который к тому же позволяет увидеть трёхмерную структуру поверхности.
  • 1965 год. Начинается промышленное производство электронных микроскопов с разрешением около 10 нм.
  • 1981 год. Герд Биннинг и Генрих Рорер создают электронный туннельный микроскоп (Нобелевская премия 1986 года). В этом приборе электроны могут туннелировать между иглой зонда и поверхностью образца. По величине тока туннелирующих электронов определяют расстояние между образцом и кончиком иглы. Сканируя таким образом образец, получают рельефное изображение поверхности.

Поставим сверху и снизу от этого пучка летящих электронов две металлические пластинки и зарядим верхнюю пластинку (M) отрицательно, а нижнюю (N) положительно. Тогда электроны, отталкиваясь от верхней и притягиваясь к нижней, изогнут свой путь. Этот изгиб будет вполне похож на изгиб под влиянием силы тяжести струи воды, вытекающей из горизонтальной трубы. Величина изгиба будет зависеть от величины напряжения между пластинками M и N и от скорости электронов. Понятно, чем скорость будет больше, тем изгиб будет меньше и чем напряжение будет больше, тем больше будет и изгиб.

Рис. 3. Изображение: «Наука и жизнь»

Придавая пластинкам соответствующую форму и меняя напряжение и скорость электронов, получают возможность управлять движением электронов. Надо только точно рассчитать, как эти пластинки будут влиять на полёт электронов. Это довольно трудная задача, но с ней легко может справиться хороший математик. То же отклонение пучка можно сделать при помощи магнитного поля.

Электронная линза

На рис. 3 изображён опыт с электронной линзой, из которого видно, как хорошо удаётся управлять потоком летящих электронов. Из ряда отверстий с левой стороны рисунка выходят несколько расходящихся пучков электронов, дальше они проходят через так называемую электронную линзу, состоящую из заряженных пластинок. Крайние пластинки линзы заряжены отрицательно, а средняя пластинка — положительно. Пучки электронов отклоняются линзой и пересекаются совершенно так же, как лучи света, проходящие через стеклянное оптическое стекло. На среднем рисунке напряжение сделано меньше, и пучки, отклоняясь, делаются параллельными, а на нижнем рисунке (без напряжения) остаются расходящимися. На практике оказывается гораздо удобнее пользоваться не заряженными пластинками, а катушками, создающими магнитное поле. Влияние магнитных сил на полёт электрона несколько сложнее, но, по существу, ничем не отличается от влияния электрических сил, и при помощи магнитного поля соответственно подобранной катушки, по которой проходит электрический ток, можно также построить электронную линзу.

Получив возможность построить электронную линзу, нетрудно осуществить и сложный электронный микроскоп.

Рис. 4. Изображение: «Наука и жизнь»

С внешней стороны электронный микроскоп изображён на рис. 4. Назначение отдельных частей указано на самом рисунке.

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия — это метод исследования структур, находящихся вне пределов видимости светового микроскопа и имеющих размеры менее одного микрона (от 1 мк до 1—5 Å).

Действие электронного микроскопа (рис.) основано на использовании направленного потока электронов, который выполняет роль светового луча в световом микроскопе, а роль линз играют магниты (магнитные линзы).

Вследствие того, что различные участки исследуемого объекта по-разному задерживают электроны, на экране электронного микроскопа получается черно-белое изображение изучаемого объекта, увеличенное в десятки и сотни тысяч раз. В биологии и медицине в основном используются электронные микроскопы просвечивающего типа.

Электронная микроскопия возникла в 30-х годах, когда были получены первые изображения некоторых вирусов (вируса табачной мозаики и бактериофагов). В настоящее время электронная микроскопия нашла наиболее широкое применение в цитологии, микробиологии и вирусологии, обусловив создание новых отраслей науки. При электронной микроскопии биологических объектов применяют специальные методы приготовления препаратов. Это необходимо для выявления отдельных компонентов изучаемых объектов (клетки, бактерии, вируса и т. д.), а также для сохранения их структуры в условиях высокого вакуума под пучком электронов. При помощи электронной микроскопии изучается внешняя форма объекта, молекулярная организация его поверхности, с помощью метода ультратонких срезов исследуется внутреннее строение объекта.

электронный микроскоп

Электронная микроскопия в сочетании с биохимическими, цитохимическими методами исследования, иммунофлюоресценцией, а также рентгеноструктурным анализом позволяют судить о составе и функции структурных элементов клеток и вирусов.

Электронный микроскоп 70-х годов прошлого века

Электронная микроскопия — изучение микроскопических объектов при помощи электронного микроскопа.

Электронный микроскоп представляет электронно-оптический инструмент, обладающий разрешающей способностью в несколько ангстрем и позволяющий визуально изучать тонкое строение микроскопических структур и даже некоторых молекул.

В качестве источника электронов для создания электронного пучка, заменяющего световой пучок, служит трехэлектродная пушка, состоящая из катода, управляющего электрода и анода (рис. 1).

Рис. 1. Трехэлектродная пушка: 1 — катод; 2 — управляющий электрод; 3 — пучок электронов; 4 — анод.

Электромагнитные линзы, применяемые в электронном микроскопе вместо оптических, представляют многослойные соленоиды, заключенные в панцири из магнитно-мягкого материала, имеющие на внутренней стороне немагнитный зазор (рис. 2).

Рис. 2. Электромагнитная линза: 1 — полюсной наконечник; 2 — латунное кольцо; 3 — обмотка; 4 — панцирь.

Электрические и магнитные поля, создаваемые в электронном микроскопе, являются аксиально симметричными. Благодаря действию этих полей заряженные частицы (электроны), выходящие из одной точки объекта в пределах небольшого угла, вновь собираются в плоскости изображения. Вся электронно-оптическая система заключена в колонне электронного микроскопа (рис. 3).

Рис. 3. Электронно-оптическая система: 1 — управляющий электрод; 2 — диафрагма первого конденсатора; 3 — диафрагма второго конденсатора; 4 — стигматор второго конденсатора; 5 — объект; 6 — линза объектива; 7 — стигматор линзы объектива; 8 — стигматор промежуточной линзы; 9 — диафрагма проекционной линзы; 10 — катод; 11 — анод; 12 — первый конденсатор; 13 — второй конденсатор; 14 — корректор фокусировки; 15 — столик объектодержателя; 16 — диафрагма линзы объектива; 17 — селекторная диафрагма; 18 — промежуточная линза; 19 — проекционная линза; 20 — экран.

Созданный электронной пушкой пучок электронов направляется в поле действия конденсорных линз, которые позволяют в широких пределах изменять плотность, диаметр и апертуру пучка, падающего на исследуемый объект. В камере объекта установлен столик, конструкция которого обеспечивает перемещение объекта во взаимно перпендикулярных направлениях. При этом можно последовательно осмотреть площадь, равную 4 мм 2 , и выбрать наиболее интересные участки.

За камерой объекта расположена линза объектива, которая позволяет достигать резкого изображения объекта. Она же дает первое увеличенное изображение объекта, и с помощью последующих, промежуточной и проекционной, линз общее увеличение можно довести до максимального. Изображение объекта возникает на экране, люминесцирующем под действием электронов. За экраном расположены фотопластины. Стабильность действия электронной пушки, а также четкость изображения наряду с другими факторами (постоянство высокого напряжения и др.) во многом зависят от глубины разрежения в колонне электронного микроскопа, поэтому качество работы прибора в значительной степени определяется вакуумной системой (насосы, каналы откачки, краны, клапаны, уплотнения) (рис. 4). Необходимое разрежение внутри колонны достигается благодаря высокой эффективности вакуумных насосов.

Предварительное разрежение во всей вакуумной системе создает механический форвакуумный насос, затем вступает в действие масляный диффузионный насос; оба насоса включены последовательно и обеспечивают в колонне микроскопа высокое разрежение. Введение в систему электронного микроскопа масляного бустерного насоса позволило на длительное время отключать форвакуумный насос.

Рис. 4. Вакуумная схема электронного микроскопа: 1 — ловушка, охлаждаемая жидким азотом (хладопровод); 2 — высоковакуумный кран; 3 — диффузионный насос; 4 — обходной клапан; 5 — малый буферный баллон; 6 — бустерный насос; 7 — механический форвакуумный насос предварительного разрежения; 8 — четырехходовой клапанный кран; 9 — большой буферный баллон; 10 — колонна электронного микроскопа; 11 — клапан напуска воздуха в колонну микроскопа.

Электрическая схема микроскопа состоит из источников высокого напряжения, накала катода, питания электромагнитных линз, а также системы, обеспечивающей переменным сетевым напряжением электродвигатель форвакуумного насоса, печь диффузионного насоса и освещение пульта управления. К питающему устройству предъявляются очень высокие требования: например, для высокоразрешающего электронного микроскопа степень нестабильности высокого напряжения не должна превышать 5·10 -6 за 30 сек.

Интенсивный электронный пучок образуется в результате термоэмиссии. Источником накала катода, который представляет собой V-образную вольфрамовую нить, служит высокочастотный генератор. Генерируемое напряжение с частотой колебаний 100—200 кГц обеспечивает получение монохроматического электронного пучка. Питание линз электронного микроскопа обеспечивается постоянным высокостабилизированным током.

Рис. 5. Электронный микроскоп УЭМВ-100Б для исследования живых микроорганизмов.

Выпускаются приборы (рис. 5) с гарантированной разрешающей способностью 4,5 Å; на отдельных уникальных снимках получено разрешение 1,27 Å, приближающееся к размеру атома. Полезное увеличение при этом равно 200 000.

Электронный микроскоп — прецезионный прибор, который требует особых методов приготовления препаратов. Биологические объекты малоконтрастны, поэтому приходится искусственно усиливать контраст препарата. Имеется несколько способов повышения контрастности препаратов. При оттенении препарата под углом платиной, вольфрамом, углеродом и т. д. становится возможным определять на электронномикроскопических снимках размеры по всем трем осям пространственной системы координат. При позитивном контрастировании препарат соединяется с водорастворимыми солями тяжелых металлов (уранилацетат, моноокись свинца, перманганат калия и др.). При негативном контрастировании препарат окружают тонким слоем аморфного вещества высокой плотности, непроницаемого для электронов (молибденовокислый аммоний, уранилацетат, фосфорно-вольфрамовая кислота и др.).

Электронная микроскопия вирусов (вирусоскопия) обусловила значительный прогресс в изучении ультратонкой, субмолекулярной структуры вирусов (см.). Наряду с физическими, биохимическими и генетическими методами исследования применение электронной микроскопии способствовало также возникновению и развитию молекулярной биологии. Предметом изучения этого нового раздела биологии является субмикроскопическая организация и функционирование клеток человека, животных, растений, бактерий и микоплазм, а также организация риккетсий и вирусов (рис. 6). Вирусы, крупные молекулы белка и нуклеиновых кислот (РНК, ДНК), отдельные фрагменты клеток (например, молекулярное строение оболочки бактериальных клеток) можно исследовать при помощи электронного микроскопа после специальной обработки: оттенения металлом, позитивного или негативного контрастирования уранилацетатом или фосфорно-вольфрамовой кислотой, а также другими соединениями (рис. 7).

Рис. 6. Клетка культуры ткани сердца обезьяны циномольгус, инфицированная вирусом натуральной оспы (X 12 000): 1 — ядро; 2 — митохондрии; 3 — цитоплазма; 4 — вирус.
Рис. 7. Вирус гриппа (негативное контрастирование (Х450 000): 1 — оболочка; 2 — рибонуклеопротеид.

Методом негативного контрастирования на поверхности многих вирусов были обнаружены закономерно расположенные группы белковых молекул — капсомеры (рис. 8).

Рис. 8. Фрагмент поверхности капсида вируса герпеса. Видны отдельные капсомеры (X500 000): 1 — вид сбоку; 2 — вид сверху.
Рис. 9. Ультратонкий срез бактерии Salmonella typhimurium (Х80 000): 1 — ядро; 2 — оболочка; 3 — цитоплазма.

Внутреннее строение бактерий и вирусов, а также других более крупных биологических объектов можно изучать только после рассечения их при помощи ультратома и приготовления тончайших срезов толщиной 100—300 Å. (рис. 9). Благодаря улучшению методов фиксации, заливки и полимеризации биологических объектов, применению алмазных и стеклянных ножей при ультратомировании, а также использованию высококонтрастирующих соединений для окрашивания серийных срезов удалось получить ультратонкие срезы не только крупных, но и самых мелких вирусов человека, животных, растений и бактерий.

  • Анатомический атлас
  • Физиология человека
  • Детские болезни
  • Йога
  • Правильное питание
  • Как похудеть
  • ЛФК (лечебная физкультура)
  • Лучшие курорты мира
  • Лечение народными средствами
  • Лекарственные растения
  • Проктология
  • Психиатрия
  • Алкоголизм
  • Курение
  • Спортивная медицина
  • Судебная медицина

Отражающий электронный микроскоп (REM)

в Отражающий электронный микроскоп (REM), как и в TEM, электронный луч падает на поверхность, но вместо использования пропускания (TEM) или вторичных электронов (SEM) обнаруживается отраженный луч упруго рассеянных электронов. Этот метод обычно сочетается с дифракцией электронов высоких энергий на отражение и Спектр потерь при высоких энергиях на отражение (RHELS). Другой вариант — это спин-поляризованная электронная микроскопия низких энергий (SPLEEM), которая используется для изучения микроструктуры магнитных доменов. [9]

STEM растрирует сфокусированный падающий зонд через образец, который (как и в случае с TEM) был утончен, чтобы облегчить обнаружение рассеянных электронов. через образец. Таким образом, в STEM возможно высокое разрешение ПЭМ. Действие фокусировки (и аберрации) происходит до того, как электроны попадают в образец в STEM, но после этого в TEM. Использование в STEM растрирования луча, подобного SEM, упрощает формирование кольцевых изображений в темном поле и другие аналитические методы, но также означает, что данные изображения собираются последовательно, а не параллельно.

Базовые приготовления

Материалы, которые будут рассматриваться под электронным микроскопом, могут потребовать обработки для получения подходящего образца. Требуемый метод варьируется в зависимости от образца и требуемого анализа:

  • Химическая фиксация биологических образцов направлена ​​на стабилизацию мобильной макромолекулярной структуры образца путем химического сшивания белков с альдегидами, такими как формальдегид и глутаральдегид, и липидов с тетроксидом осмия.
  • Криофиксация- замораживание образца настолько быстро, до температуры жидкого азота или даже жидкого гелия, что вода образует стекловидный (некристаллический) лед. Это сохраняет образец в виде снимка состояния раствора. Целая область, называемая криоэлектронной микроскопией, стала ответвлением этой техники. С развитием криоэлектронной микроскопии срезов стекловидного тела (CEMOVIS) теперь можно наблюдать практически любой биологический образец, близкий к его естественному состоянию.
  • Обезвоживание-сушка замораживанием или замена воды органическими растворителями, такими как этанол или ацетон, с последующей сушкой до критической точки или пропиткой смолами для заливки.
  • Заливка биологических образцов-инфильтрация ткани смолой, такой как эпоксидная смола Araldite или акриловая смола, с последующим ультратонким срезом и окрашиванием.
  • Вшивка, материалы-После заливки смолой образец обычно шлифуется и полируется до зеркального блеска с использованием ультратонких абразивов. Процесс полировки должен выполняться осторожно, чтобы минимизировать царапины и другие артефакты полировки, снижающие качество изображения.
  • Разделение-производит тонкие срезы образца, полупрозрачные для электронов. Их можно разрезать на ультрамикротоме с помощью алмазного ножа, чтобы получить ультратонкие срезы толщиной около 90 нм. Стеклянные ножи также используются, потому что они могут быть изготовлены в лаборатории и намного дешевле.
  • Окрашивание-использует тяжелые металлы, такие как свинец, уран или вольфрам, для рассеивания электронов на изображении и, таким образом, создания контраста между различными структурами, поскольку многие (особенно биологические) материалы почти «прозрачны» для электронов (объекты со слабой фазой). В биологии образцы обычно окрашивают «единым блоком» перед заделкой, а затем окрашивают непосредственно после разделения путем кратковременного воздействия водных (или спиртовых) растворов пятен тяжелых металлов.
  • Замораживание-перелом или замораживание-травление- метод подготовки, особенно полезный для исследования липидных мембран и включенных в них белков «лицом к лицу». Свежую ткань или клеточную суспензию быстро замораживают (криофиксируют), затем ломают, просто ломая или используя микротом при температуре жидкого азота. Затем холодная изломанная поверхность (иногда «протравленная» повышением температуры примерно до -100 ° C в течение нескольких минут, чтобы дать немного возгоняться льду) затем затеняется испаренной платиной или золотом под средним углом 45 ° в испарителе высокого вакуума. Второй слой углерода, напыляемый перпендикулярно средней плоскости поверхности, часто выполняется для улучшения стабильности покрытия-реплики. Образец возвращается к комнатной температуре и давлению, затем чрезвычайно хрупкая «предварительно затененная» металлическая копия поверхности излома освобождается от лежащего под ним биологического материала путем тщательного химического разложения с помощью кислот, раствора гипохлорита или детергента SDS. Все еще плавающую копию тщательно промывают от остаточных химикатов, тщательно вылавливают на электромагнитных решетках, сушат, а затем просматривают в ПЭМ.
  • Ионно-лучевое фрезерование- истончает образцы до тех пор, пока они не станут прозрачными для электронов, направляя ионы (обычно аргон) на поверхность под углом и распыляя материал с поверхности. Подклассом этого является измельчение сфокусированным ионным пучком, при котором ионы галлия используются для создания электронно-прозрачной мембраны в определенной области образца, например, с помощью устройства внутри микропроцессора. Ионно-лучевая фрезеровка также может использоваться для полировки поперечного сечения перед анализом материалов, которые трудно приготовить с помощью механической полировки, перед анализом на сканирующем электронном микроскопе.
  • Проводящее покрытие-Сверхтонкое покрытие из электропроводящего материала, нанесенное методом напыления в высоком вакууме или напылением на образец в низком вакууме. Это сделано для предотвращения накопления статических электрических полей на образце из-за облучения электронами, необходимого во время визуализации. Такие покрытия включают золото, золото / палладий, платину, вольфрам, графит и т. Д. И особенно важны для исследования образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа. Другой причиной нанесения покрытия, даже если проводимости более чем достаточно, является улучшение контраста, что чаще встречается при работе FESEM (автоэмиссионный SEM). При использовании осмия для нанесения покрытий возможен слой, намного более тонкий, чем это было бы возможно с любым из ранее упомянутых напыленных покрытий. [10]

Электронный микроскоп

Электронный микроскоп — прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. ЭМ — один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела. Существуют три основных вида ЭМ. В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах — растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ), а в 1980-х годах — растровый туннельный микроскоп (РТМ). Эти три вида микроскопов дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов.

ОПЭМ во многом подобен световому микроскопу см. МИКРОСКОП, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются электронный прожектор (см. ниже), ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка -100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором (см. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА). Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.

Электронная оптика. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое — оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой (рис. 1). Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси, для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушку почти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никель-кобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части. Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10-100 тыс. раз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.

Рис. 1. МАГНИТНАЯ ЛИНЗА. Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок.

Схема ОПЭМ представлена на рис. 2. Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает неувеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец помещается в магнитном поле объективной линзы с большой оптической силой — самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000. Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП1 000 000. (При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли.) Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.

Рис. 2. ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (ОПЭМ). Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке. В ОПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. 1 — источник электронов; 2 — ускоряющая система; 3 — диафрагма; 4 -конденсорная линза; 5 — образец; 6 — объективная линза; 7 — диафрагма; 8 — проекционная линза; 9 — экран или пленка; 10 — увеличенное изображение.

Изображение. Контраст в ОПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. При прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие — из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из диафрагмы с угловым отклонением, превышающим некоторый предел, уже не могут вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно рассеивающие участки повышенной плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых атомов выглядят на изображении как темные зоны на светлом фоне. Такое изображение называется светлопольным, поскольку на нем окружающее поле светлее объекта. Но можно сделать так, чтобы электрическая отклоняющая система пропускала в диафрагму объектива только те или иные из рассеянных электронов. Тогда образец выглядит светлым на темном поле. Слабо рассеивающий объект часто бывает удобнее рассматривать в режиме темного поля. Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.

Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50-100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения ок. 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой ок. 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.

Взгляд в микромир. Чть-10. Электронная микроскопия

И тогда, вместо оптики, в борьбу за микромир вступил электронный микроскоп, в котором лучи света заменяют пучки мельчайших субатомных частиц – электронов (длина волны пучка электронов значительно короче любой световой волны), а вместо стеклянных линз используются электромагниты.

Первый в мире электронный микроскоп был изобретен немецким инженером Райнхольдом Руденбергом в 1931 г.

В течение десятков лет начальная конструкция электронного микроскопа совершенствовалась.

А, в результате, теперь электронный микроскоп может давать увеличение изображений более, чем в миллион раз.

По сравнению с оптическим микроскопом, его электронный собрат — великан по размерам и по сложности устройства. Зато, с помощью такого микроскопа — гиганта мы имеем возможность видеть и фотографировать не только мельчайшие вирусы, но и гораздо более крошечные молекулы.

Рисунок — коллаж автора.

Другие мои произведения на этом сайте:

Чудесный мир планктона — естествознание (7) http://www.proza.ru/2014/05/31/1874

Так сказать, «в живую», электронный микроскоп никогда не видел. Хотя, сейчас в магазинах продаются некоторые модели электронных микроскопов, похожие на обычные, но их разрешение далеко от совершенства. Надеюсь, что в ближайшее время усовершенствуют эти «бытовые» электронные микроскопы и мы сможем окунуться в микромир в домашних условиях.

Сергей! Спасибо за рецензию и полезные сведения об имеющихся в продаже «домашних» эл. микроскопах.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий