Просвечивающий электронный микроскоп

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Поперечный срез клетки бактерии сенной палочки, снятый при помощи аппарата Tecnai T-12. Масштаб шкалы — 200 нм.

Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) — это устройство, в котором изображение от ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (ПЗС-матрице).

История[править | править вики-текст]

Первый практический ПЭМ, на экспозиции в немецком музее в Мюнхене, Германия

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года. Первый практический просвечивающий электронный микроскоп был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. Эрнсту Руске, за его создание в 1986 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Основы[править | править вики-текст]

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено длиной волны фотонов, используемых для освещения образца и угловой апертурой оптической системы (так называемый барьер Аббе).

 d=\frac{\lambda}{2n \sin\alpha} \approx \frac{\lambda}{2\,\textrm{NA}}

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400—700 нанометров) путём использования электронов. Электроны эмитируются в электронном микроскопе посредством термоэлектронной эмиссии из нити накаливания (вольфрамовая проволока или монокристалл гексаборида лантана), либо посредством полевой эмиссии. Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже — электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности; которые используются при формировании изображения.

Компоненты[править | править вики-текст]

ПЭМ состоит из нескольких компонентов:

  • вакуумная система;
  • предметный столик — держатель образца и система для его наклонения;
  • источник электронов (электронный прожектор, электронная пушка) для генерирования электронного потока;
  • источник высокого напряжения для ускорения электронов;
  • набор электромагнитных линз и электростатических пластин для управления и контроля электронного луча;
  • апертуры;
  • экран, на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно выходит из употребления, заменяясь детекторами цифрового изображения)

ПЭМ может включать дополнительные системы, например, сканирующую приставку, которая позволяет работать в режиме растрового просвечивающего электронного микроскопа.

Вакуумная система[править | править вики-текст]

Для увеличения длины свободного пробега электрона воздух из колонны обычного ПЭМ откачивается до низкого давления, обычно до 10−4 Па.[1] Это делается по двум причинам: первая — возможность создания значительной разности потенциалов между катодом и землей без возникновения электрической дуги, и вторая — уменьшение частоты столкновения электронов с атомами газа до незначительного уровня (см. Длина свободного пробега). Составляющие ПЭМ, такие как держатель образца и картриджи пленок, должны рутинным образом вводиться и заменяться по необходимости с возможностью переоткачки. ПЭМы оснащены несколькими системами откачки и шлюзов и, по существу, герметичны не постоянно.

Вакуумная система откачки ПЭМ до рабочего давления состоит из нескольких ступеней. Сперва с помощью роторного или мембранного насоса достигается низкий вакуум позволяющего работать турбомолекулярному или диффузионному (англ.) насосу, который доводит вакуум до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены специально апертурой (pressure-limiting aperture), пропускающей электронный пучок, но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы, а также запорным клапаном (gate valve) для полного обособления частей микроскопа. Это может быть полезным для создания в отдельных областях различного уровня вакуума, например, высокого вакуума от 10−4 до 10−7 Па и выше в электронной пушке в ПЭМ высокого разрешения или с автоэмиссией (область электронной пушки может иметь отдельную систему откачки посредством гетероионных насосов).

Предметный столик[править | править вики-текст]

Сетка для поддержки образцов ПЭМ со срезом, полученным с помощью ультрамикротома

Конструкция предметного столика включает шлюзы, позволяющие ввод держателя образца в вакуумную среду микроскопа с минимальным увеличением давления. Держатели образца приспособлены как для для фиксации сеток стандартных размеров на которые помещаются образцы, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки — 3.05 мм.

Электронная пушка[править | править вики-текст]

Принципиально электронные пушки разделяются по принципу работы на термоэлектронные и автоэмиссионные.

Термоэлектронная электронная пушка[править | править вики-текст]

Катод из монокристалла LaB6 (англ.)русск.
Вольфрамовый катод в форме шпильки

Термоэлектронная пушка состоит из трех элементов: катода, венельта и анода. Принцип работы основывается на термоэлектронной эмиссии. Венельт имеет более отрицательный потенциал, нежели чем катод, — напряжение смещения. Напряжение смещение может изменяться и используется для контроля эмиссии катода. Высокое напряжение смещения ограничивает до малых размеров область с которой происходит эмиссия, таки образом уменьшая общий эмитируемый ток, в то время как уменьшение напряжения смещения приводит к обратному.

Эмитированные электроны, прошедшие через венельт, образуют кроссовер между катодом и анодом. Данный кроссовер является виртуальным источником электронов для оптической системы микроскопа.

Автоэмиссионная электронная пушка[править | править вики-текст]

Автоэмиссионная электронная пушка бывает двух типов: с катодом холодной автоэмиссии и с катодом Шоттки, в котором термоэлектронная эмиссия усилена понижением энергетического барьера приложенным высоким электрическим полем (Эффект Шоттки). Холодные катоды обычно состоят из вольфрамовой нити со 100 нм в диаметре кончиком.

Апертуры[править | править вики-текст]

Апертуры представляют собой достаточно толстые (чтобы не пропускать через себя электронный пучок) металлические пластины с отверстиями, через которые могут пройти электроны, которые отклоняются от оптической оси не более чем на фиксированный угол.

Подготовка образцов[править | править вики-текст]

Подготовка образцов для ПЭМ может быть комплексной процедурой. ПЭМ образцы должны иметь толщину 20-200нм. Высокое качество образцов будет при толщине сравнимой со средней длинной свободного пробега электронов в образце, которая может быть всего несколько десятков нанометров.

Материалы, имеющие достаточно малые размеры, чтобы быть прозрачными в электронном пучке, такие как порошки или нанотрубки, могут быть быстро приготовлены нанесением крошечного количества вещества на поддерживающую сетку или пленку.

Твердые тела[править | править вики-текст]

Механическое утонение[править | править вики-текст]

Механическая полировка может использоваться для подготовки образцов. Полировка должна быть высокого качества, чтобы быть уверенным, что образец имеет постоянную толщину в изучаемой области.

Химическое травление[править | править вики-текст]

Ионное травление[править | править вики-текст]

Как правило применяется в качестве финальное обработки после механического или химического утонения. Заключается в бомбардировки под малыми углами к поверхности образа ионами инертных газов, обычно аргона.

Метод реплик[править | править вики-текст]

Получил широкое распространение на заре ПЭМ в связи со сложностью других методов пробоподготовки.

«Мягкие» тела[править | править вики-текст]

Традиционный метод[править | править вики-текст]

Традиционное приготовление биологических образцов для ПЭМ включает в себя процедуры, позволяющие сохранить морфологию тканей при их подготовки для наблюдения в условиях высокого вакуума. Образцы должни быть достаточно маленькими, чтобы позволить быстрое проникновение химических реагентов по всей толщине ткани (по крайней мере в одном из направлений их размер не должен превышать 0,7 мм). Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в четырехокиси осмия, и затем обезвоживаются в органических растворителях (спирте или ацетоне). Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами, которые затем полимеризуются. Получающиеся твердые блоки из смол с заключенными в них образцами, режутся на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже – стеклянных) ножей на срезы толщиной 20-100 нанометров. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром 3 мм) и контрастируются соединениями тяжелых элементов (урана, свинца, вольфрами и др.).

Крио микроскопия[править | править вики-текст]

Методы визуализации[править | править вики-текст]

Формирование контраста[править | править вики-текст]

Формирование контраста в ПЭМ в основном зависит от режима работы.

Светлое поле[править | править вики-текст]

Базовый режим в ПЭМ - это режим светлого поля. В этом режиме контраст формируется рассеиванием и поглощением электронов образцом. Области образца с большей толщиной и большим атомным номером выглядят темнее, тогда как области без образца в пучке электронов - светлыми (поэтому режим называется светлопольным).

Дифракционный контраст[править | править вики-текст]

Часть электронов, проходящих через кристаллический образец, рассеивается согласно закону Брэгга, формируя так называемый дифракционный контраст. Дифракционный контраст особо полезен при изучении дефектов кристаллической решетки.

EELS[править | править вики-текст]

Фазовый контраст[править | править вики-текст]

Дифракция[править | править вики-текст]

Дифракция с двойникового зерна ГЦК аустенитной стали

Трехмерная визуализация[править | править вики-текст]

Трехмерная модель реконструируется из серии изображений, полученных с одной и той же части образца под разными углами.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
  • Д. Синдо. Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. ISBN 5-94836-064-4.

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]