Просвечивающая электронная микроскопия

Высокая плотность треков вызвана наличием энергетически  более тяжелых ядер (главным образом  Fе) в солнечной вспышке перед образованием метеорита. Примечательна таблитчатчатая структура, обусловленная распадом твердых растворов.

 

 

                            

 

Рисунок 7 – Темнопольная ТЭМ-картина зерна пироксена из метеорита Пезиано

 

ПЭМ применяется в исследованиях  материалов для изучения тонких кристаллов и границ между разными материалами. Чтобы получить изображение границы  раздела с большим разрешением, образец заливают пластмассой, делают срез образца, перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была видна на заостренной кромке. Кристаллическая решетка сильно рассеивает электроны в определенных направлениях, давая дифракционную картину. Изображение кристаллического образца в значительной мере определяется этой картиной; контраст сильно зависит от ориентации, толщины и совершенства кристаллической решетки. Изменения контраста на изображении позволяют изучать кристаллическую решетку и ее несовершенства в масштабе атомных размеров. Получаемая при этом информация дополняет ту, которую дает рентгенографический анализ объемных образцов, так как ЭМ дает возможность непосредственно видеть во всех деталях дислокации, дефекты упаковки и границы зерен. Кроме того, в ЭМ можно снимать электронограммы и наблюдать картины дифракции от выделенных участков образца. Если диафрагму объектива настроить так, чтобы через нее проходили только один дифрагированный и нерассеянный центральный пучки, то можно получать изображение определенной системы кристаллических плоскостей, которая дает этот дифрагированный пучок. Современные приборы позволяют разрешать периоды решетки величиной 0,1 нм. Исследовать кристаллы можно также методом темнопольного изображения, при котором перекрывают центральный пучок, так что изображение формируется одним или несколькими дифрагированными пучками. Все эти методы дали важную информацию о структуре очень многих материалов и существенно прояснили физику кристаллов и их свойства. Например, анализ ПЭМ-изображений кристаллической решетки тонких малоразмерных квазикристаллов в сочетании с анализом их электронограмм позволил в 1985 открыть материалы с симметрией пятого порядка.

3.2 Биологические препараты

 

 Электронная микроскопия  широко применяется в биологических  и медицинских исследованиях.  Разработаны методики фиксации, заливки и получения тонких  срезов тканей для исследования  в ОПЭМ. Эти методики дают возможность  исследовать организацию клеток  на макромолекулярном уровне. Электронная  микроскопия выявила компоненты  клетки и детали строения мембран,  митохондрий, эндоплазматической  сети, рибосом и множества других  органелл, входящих в состав клетки. Образец сначала фиксируют глутаральдегидом или другими фиксирующими веществами, а затем обезвоживают и заливают пластмассой. Методы криофиксации (фиксации при очень низких – криогенных – температурах) позволяют сохранить структуру и состав без использования химических фиксирующих веществ. Кроме того, криогенные методы позволяют получать изображения замороженных биологических образцов без их обезвоживания. При помощи ультрамикротомов с лезвиями из полированного алмаза или сколотого стекла можно делать срезы тканей толщиной 30 – 40 нм. Смонтированные препараты могут быть окрашены соединениями тяжелых металлов (свинца, осмия, золота, вольфрама, урана) для усиления контраста отдельных компонентов или структур.

Биологические исследования были распространены на микроорганизмы, особенно на вирусы, которые не разрешаются  световыми микроскопами. ПЭМ позволила  выявить, например, структуры бактериофагов  и расположение субъединиц в белковых оболочках вирусов. Кроме того, методами позитивного и негативного окрашивания  удалось выявить структуру с  субъединицами в ряде других важных биологических микроструктур. Методы усиления контраста нуклеиновых  кислот позволили наблюдать одно- и двунитные ДНК. Эти длинные линейные молекулы распластывают в слой основного белка и накладывают на тонкую пленку. Затем на образец вакуумным напылением наносят очень тонкий слой тяжелого металла. Этот слой тяжелого металла "оттеняет" образец, благодаря чему последний при наблюдении в ОПЭМ выглядит как бы освещенным с той стороны, с которой напылялся металл. Если же вращать образец во время напыления, то металл накапливается вокруг частиц со всех сторон равномерно (как снежный ком).

3.3 Высоковольтная микроскопия

В настоящее время промышленность выпускает высоковольтные варианты ОПЭМ с ускоряющим напряжением от 300 до 400 кВ. Такие микроскопы имеют  более высокую проникающую способность, чем у низковольтных приборов, причем почти не уступают в этом отношении микроскопам с напряжением 1 млн. вольт, которые строились в  прошлом. Современные высоковольтные микроскопы достаточно компактны и  могут быть установлены в обычном  лабораторном помещении. Их повышенная проникающая способность оказывается  очень ценным свойством при исследовании дефектов в более толстых кристаллах, особенно таких, из которых невозможно сделать тонкие образцы. В биологии их высокая проникающая способность  дает возможность исследовать целые  клетки, не разрезая их. Кроме того, с помощью таких микроскопов  можно получать объемные изображения  толстых объектов.

3.4 Радиационное повреждение

Поскольку электроны представляют собой ионизирующее излучение, образец  в ЭМ постоянно подвергается его  воздействию. Следовательно, образцы  всегда подвергаются радиационному  повреждению. Типичная доза излучения, поглощаемая тонким образцом за время  регистрации микрофотографии в  ОПЭМ, примерно соответствует энергии, которой было бы достаточно для полного  испарения холодной воды из пруда  глубиной 4 м с площадью поверхности 1 га. Чтобы уменьшить радиационное повреждение образца, необходимо использовать различные методы его подготовки: окрашивание, заливку, замораживание. Кроме того, можно регистрировать изображение при дозах электронов, в 100 – 1000 раз меньших, нежели по стандартной  методике, а затем улучшать его  методами компьютерной обработки изображений.

4. СОВРЕМЕННЫЕ ВИДЫ ПЭМ

 

 

Просвечивающий электронный  микроскоп Titan 80 – 300 с атомным разрешением

                                          

 

 

Современный просвечивающий электронный микроскоп Titan™ 80 – 300 дает изображение наноструктур на суб-ангстремном уровне. Электронный микроскоп Титан работает в диапазоне 80 – 300 кВ с возможностями коррекции сферической аберрации и монохроматичности.  Данный электронный микроскоп соответствует жестким требованиям максимальной механической, тепловой и электрической стабильности, так же, как точным юстировкам усовершенствованных компонентов.  Титан расширяет разрешающие возможности спектроскопии при измерении запрещенных энергетических зон и электронных свойств и позволяет пользователю получить четкие изображения границ раздела и наиболее полно интерпретировать полученные данные.

JEOL JEM – 3010

300 кВ просвечивающий электронный микроскоп

300-киловольтный аналитический  электронный микроскоп высокой  точности и сверхвысокого разрешения  сконструирован таким образом,  чтобы одновременно можно было  наблюдать изображение на атомарном  уровне и прицельно анализировать  образец. В данном микроскопе  использовано много новых разработок, в том числе компактная электронная  пушка на 300 кВ, осветительная система  с пятью линзами.

Использование встроенного  ионного насоса обеспечивает чистый и стабильно высокий вакуум.

 

                                    

 

 

 

·  Разрешение по точкам: 0,17 нм

·  Ускоряющее напряжение: от 100 до 300 кВ

Увеличение: от 50 до 1 500 000

JEOL JEМ – 3000FasTEM

300 кВ просвечивающий электронный микроскоп с полевой эмиссией

                          

 Просвечивающий электронный  микроскоп, оборудованный электронной  пушкой высокой яркости с подогревным катодом на полевой эмиссии, обладающим повышенной стабильностью тока эмиссии. Позволяет непосредственно наблюдать детали атомного строения и анализировать отдельные атомные слои. Электронная пушка с подогревным катодом на полевой эмиссии, более всего подходящая для анализа нанообластей, обеспечивает ток зонда 0,5 нА при его диаметре 1 нм и 0,1 нА при 0,4 нм.

 

·  Разрешение в точке: 0,17 нм

·  Ускоряющее напряжение: 100, 200, 300 кВ

Увеличение: от х60 до х1 500 000

JEOL JEМ – 2100F

200 кВ просвечивающий электронный микроскоп с полевой эмиссией

 

                             

 

 

 

Электронная пушка с полевой  эмиссией, обеспечивающая электронный  пучок с высокой яркостью и  когерентностью, играет ключевую роль в получении высокого разрешения и при анализе наноструктур. Прибор JEM – 2100F является комплексным ПЭМ, оснащенным развитой системой электронного управления различными функциями.

Основные особенности  данного прибора:

·  Высокая яркость  и стабильность электронной пушки  с термополевой эмиссией обеспечивает анализ областей наноразмеров при большом увеличении.

·  Диаметр зонда меньше 0.5 нм позволяет уменьшить точку  анализа до уровня нанометров.

·  Новый высокостабильный столик образцов с боковой загрузкой  обеспечивает простой наклон, поворот, нагрев и охлаждение, программируемые  установки и другое без механического  дрейфа.

JEOL JEМ – 2100 LaB6

200 кВ аналитический просвечивающий  электронный микроскоп

Позволяет не только получать изображения на просвет и картины  дифракции, но и включает в себя компьютерную систему контроля, которая может  объединять TEM , устройство получения  изображений в режиме сканирования (STEM), энергодисперсионный спектрометр (JED – 2300 T) и спектрометр энергетических потерь электронов (EELS) в любых комбинациях.

 

 

 

                      

 

 Высокое разрешение (0,19 нм при 200 kV на катоде LaB 6 ) достигается благодаря стабильности высокого напряжения и тока пучка, вместе с превосходной системой линз.  Новая структура рамы колонны микроскопа мягко уменьшает эффект вибрации прибора.  Новый гониометрический столик позволяет позиционирование образца с точностью до нанометров.  Компьютерная система контроля микроскопа обеспечивает подключение по сети других пользователей (компьютеров) и обмен информацией между ними.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До сравнительно недавнего  времени в руках минералогов  находились два классических инструмента  – поляризационный микроскоп  и аппаратура для рентгеновской  дифракции. С помощью оптического  микроскопа мы можем исследовать  морфологию и оптические свойства минералов, изучать двойники и ламели, если они по размеру превышают длину  волны падающего света. Данные по рентгеновской дифракции позволяют  точно определить положение атомов в элементарной ячейке в масштабе 1 – 100 Å. Однако такое определение  кристаллического строения дает нам  некую структуру, усредненную по многим тысячам элементарных ячеек; следовательно, мы заранее принимаем, что все элементарные ячейки идентичны.

В то же время становится все более очевидной важность структурных деталей, характеризующих  минералы в масштабе 100 – 10 000 Å. Диффузные  рефлексы на рентгенограммах были интерпретированы как свидетельство существования  малых доменов; астеризм, наблюдаемый  на лауэграммах, или небольшие значения коэффициентов экстинкции при уточнении структуры, указали на то, что кристаллы несовершенны по своему строению и содержат различные дефекты. Для исследования неоднородностей, размеры которых находятся в указанных пределах, идеальным инструментом является электронный микроскоп. Такие исследования – важный источник геологической информации, характеризующей параметры охлаждения и образования минералов и горных пород или условия их деформации.

В противоположность рентгеновской  дифракции, которую начали использовать в минералогии немедленно после  ее открытия, электронная микроскопия  вначале получила наибольшее развитие и применение в металлургии. После  создания промышленных приборов в 1939 г. потребовалось более 30 лет, чтобы  электронный микроскоп стал обычным  инструментом в минералогии и  петрографии.

Преимущество электронной  микроскопии состоит в том, что  с ее помощью структуры и текстуры можно изобразить в реальном пространстве, и, следовательно, результаты легче  визуализировать, чем получить их путем  расчета дифракционных картин. Здесь  уместно упомянуть о необходимости  соблюдать определенную осторожность. В отличие от наблюдений в оптическом микроскопе структуру нельзя увидеть непосредственно через электронный микроскоп. Мы просто наблюдаем контраст, возникающий, например, от поля деформаций вокруг дислокаций, и этот контраст трансформируется в изображение внутри прибора. Электронная микроскопия не заменяет исследований, проводимых методами рентгеновской дифракции. С другой стороны, имеется много примеров, когда данные электронной микроскопии служили основанием для интерпретации рентгеновских данных. Эти две методики идеально дополняют друг друга.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1  Дюков В.Г., Непийко С.А., Седов Н.Н Электронная микроскопия локальных потенциалов./ АН УССР. Ин-т физики. – Киев: Наук. думка, 1991. – 200 с.

2  Кулаков Ю.А Электронная  микроскопия. – М.: Знание,1981. –  64 с.

3  Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии: Пер. с англ./Под ред. Ю. И. Головина. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с

4  Спенс Дж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения: Пер. с англ./Под ред. В. Н. Рожанского. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит.,1986. – 320 с., ил.

5  Томас Г., Горинж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов: Пер. с англ./Под ред. Б.К. Вайнштейна – М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983 – 320с