Электронная микроскопия

Основные принципы электронной микроскопии

Электронная микроскопия основана на использовании электронных пучков в качестве зондирующего излучения для получения изображений структуры вещества с разрешением, недостижимым для оптических методов. Основное преимущество обусловлено значительно меньшей длиной волны электронов по сравнению с фотонами видимого света. Согласно соотношению де Бройля, длина волны электрона определяется выражением:

$$ \lambda = \frac{h}{\sqrt{2 m_e e U}} $$

где h — постоянная Планка, me — масса электрона, e — заряд электрона, U — ускоряющее напряжение. При ускоряющих напряжениях порядка 100 кВ длина волны электронов составляет ~0,0037 нм, что на два порядка меньше длины волны видимого света, обеспечивая разрешение до единиц ангстрем.

Типы электронных микроскопов

  1. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) ПЭМ формирует изображение за счёт пропускания электронного пучка через тонкий образец толщиной от десятков до сотен нанометров. Электроны, взаимодействуя с атомами образца, рассеиваются, создавая контраст. Система электромагнитных линз проецирует увеличенное изображение на люминесцентный экран, фотоплёнку или цифровую матрицу.

    • Высокое разрешение: до 0,05–0,1 нм.
    • Режимы работы: яркопольный, тёмнопольный, дифракционный.
    • Особенности: требует подготовки ультратонких срезов и вакуумных условий.

  2. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) В СЭМ узкий электронный пучок построчно сканирует поверхность образца. Информация получается за счёт регистрации электронов, рассеянных или испущенных с поверхности.

    • Разрешение: 1–5 нм (в современных моделях — до 0,4 нм).
    • Типы сигналов: вторичные электроны (морфология), обратноотражённые электроны (контраст по атомному номеру), рентгеновское излучение (элементный анализ).
    • Преимущества: исследование трёхмерной топографии поверхности без необходимости изготавливать сверхтонкие срезы.

  3. Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СПЭМ) Комбинирует принципы СЭМ и ПЭМ: пучок сканирует тонкий образец, а детекторы регистрируют проходящие электроны. Позволяет совмещать высокое пространственное разрешение с аналитическими методами.

Взаимодействие электронов с веществом

При прохождении через образец электроны испытывают:

  • Упругое рассеяние — изменение направления движения без потери энергии. Обусловлено взаимодействием с электростатическим полем атомных ядер. Отвечает за формирование дифракционного контраста.
  • Неупругое рассеяние — сопровождается передачей энергии электрона атомам или электронам вещества. Может приводить к возбуждению характеристического рентгеновского излучения, генерации вторичных электронов и потере энергии (ЭПР-спектроскопия).
  • Поглощение — полная потеря электрона в результате его торможения или захвата.

Электронно-оптическая система

Электронный микроскоп использует электромагнитные линзы для формирования и фокусировки пучка. В отличие от оптических линз, они создаются катушками с током, формирующими магнитное поле, которое отклоняет электроны.

  • Конденсорные линзы управляют диаметром пучка и освещением объекта.
  • Объективная линза формирует первичное изображение образца.
  • Проекционные линзы увеличивают изображение до требуемого масштаба.

Разрешающая способность и аберрации

Несмотря на малую длину волны электронов, разрешение микроскопа ограничено аберрациями линз:

  • Сферическая аберрация — отклонение траектории электронов в зависимости от их расстояния до оси пучка.
  • Хроматическая аберрация — различное преломление электронов разной энергии.
  • Астигматизм — неодинаковое фокусирование в разных направлениях.

Для компенсации этих эффектов используются корректоры аберраций (например, многополюсные линзы), позволяющие достичь разрешения менее 0,05 нм.

Подготовка образцов

Важный этап, определяющий качество изображения:

  • Для ПЭМ — ультратонкие срезы (ультрамикротом), ионное истончение, осаждение на сетку.
  • Для СЭМ — нанесение проводящего покрытия (золото, платина, углерод) для предотвращения зарядки поверхности.
  • Для крио-ЭМ — быстрое замораживание образца для сохранения нативной структуры без кристаллизации воды.

Аналитические возможности

Электронная микроскопия не ограничивается получением изображений:

  • Энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDX, EDS) — определение элементного состава в локальных областях.
  • Электронная дифракция — анализ кристаллической структуры, определение параметров решётки и дефектов.
  • Электронная спектроскопия потерь энергии (EELS) — исследование химического состояния, зонной структуры и локальной электронной плотности.

Современные направления развития

  • Крио-электронная микроскопия — позволяет получать трёхмерные реконструкции биомолекул в нативном состоянии с разрешением до атомного уровня.
  • In-situ электронная микроскопия — наблюдение процессов в реальном времени (рост наночастиц, фазовые переходы, реакции).
  • Голографическая электронная микроскопия — измерение фазового сдвига волнового фронта для изучения электростатических и магнитных полей внутри образца.
  • Атомно-разрешающая томография — трёхмерное картирование атомного расположения с использованием последовательного испарения атомов и регистрации их положения.
Оглавление