ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ совокупность
методов исследования с помощью электронных микроскопов
(МЭ) микроструктуры
тел (вплоть до атомно-молекулярного уровня), их локального состава и локализованных
на поверхностях или в микрообъёмах тел электрич. и магнитных полей (микрополей).
Наряду с этим прикладным значением Э. м. является самостоят, науч. направлением,
предмет и цели к-рого включают: усовершенствование и разработку новых МЭ
и др. корпускулярных микроскопов (напр., протонного микроскопа) и приставок
к ним: разработку методик препарирования образцов, исследуемых в МЭ; изучение
механизмов формирования электроннооптич. изображений; разработку способов
анализа разнообразной информации (не только изображений), получаемой с
помощью МЭ.

Объекты исследований в Э. м.- б. ч. твёрдые
тела. В просвечивающих МЭ (ПЭМ), в к-рых электроны с энергиями от 1 кэв
до
5
Мэв проходят сквозь объект, изучаются образцы в виде тонких плёнок,
фольги (рис. 1), срезов и т. п. толщиной от 1 нм до 10 мкм
(от
10 А до 10⁵ А). 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., нанесённые на подложку: тонкую плёнку для исследования
в ПЭМ или массивную подложку для исследования в РЭМ. Поверхностная геом.
структура массивных тел изучается и методом реплик: с поверхности
такого тела снимается отпечаток в виде тонкой плёнки углерода, 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 тяжёлого металла
(напр., Pt), оттеняющего выступы и впадины геом. рельефа. При исследовании
методом т. н. декорирования не только геом. структуры поверхностей, но
и микрополей, обусловленных наличием дислокаций (рис. 3), скоплений
точечных дефектов (см. Дефекты в кристаллах), ступеней роста кри-сталлич.
граней, доменной структуры (см. Домены) и т. д., на поверхность
образца вначале напыляется очень тонкий слой декорирующих частиц (атомы
Au, Pt и др., молекулы полупроводников или диэлектриков), осаждающихся
преим. на участках сосредоточения микрополей, а затем снимается реплика
с включениями декорирующих частиц.

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

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

Для интерпретации изображений аморфных
и др. тел (размеры частиц к-рых меньше разрешаемого в МЭ расстояния), рассеивающих
электроны диффузно, используются простейшие методы а м п л и т у д н о
и Э. м. Напр., в ПЭМ контраст изображения, т. е. перепад яркостей изображения
соседних участков объекта, в первом приближении пропорционален перепаду
толщин этих участков. Для расчёта контраста изображений кристаллич. тел
(рис. 5), имеющих регулярные структуры (при рассеянии частиц на таких телах
происходит дифракция частиц), и решения обратной задачи - расчёта
структуры объекта по наблюдаемому изображению - привлекаются методы фазовой
Э. м.: решается задача о дифракции электронной волны (см. Волны
де Бройля)
на
кристаллич. решётке. При этом дополнительно учитываются неупругие взаимодействия
электронов с объектом: рассеяние на плазмонах, фононах
и т. п. В
ПЭМ и растровых ПЭМ (ПРЭМ) высокого разрешения получают изображения отд.
молекул или атомов тяжёлых элементов; пользуясь методами фазовой Э. м.,
восстанавливают по изображениям трёхмерную структуру кристаллов и биол.
макромолекул. Для решения подобных задач применяют, в частности, методы
голографии,
а
расчёты производят на ЭВМ.

Разновидность фазовой Э. м.- интерференционная
Э. м., аналогичная оптич. интерферометрии (см. Интерферометр):
электронный
пучок расщепляется с помощью электронных призм, и в одном из плеч
интерферометра устанавливается образец, изменяющий фазу проходящей сквозь
него электронной волны. Этим методом можно измерить, напр., внутр. электрич.
потенциал образца.

С помощью лоренцевой Э. м., в к-рой изучают
явления, обусловленные Лоренца силой, исследуют внутр. магнитные
и электрич. поля или внешние поля рассеяния, напр, поля магнитных доменов
в тонких плёнках (рис. 6), сегнето-электрических доменов (см. Домены),
поля
головок для магнитной записи информации и т. п.

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

Интенсивно разрабатываются методы количеств.
Э. м.- точное измерение различных параметров образца или исследуемого процесса,
напр, измерение локальных электрич. потенциалов (рис. 7), магнитных полей
(рис. 8), микрогеометрии поверхностного рельефа и т. д. МЭ используются
и в технологич. целях (напр., для изготовления микросхем методом фотолитографии).

Лит.: X о к с П., Электронная оптика
и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Стоянова И. Г., А н
а с к и н И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии,
М., 1972; Утевский Л. М., Дифракционная электронная микроскопия в металловедении,
М., 1973; Электронная микроскопия тонких кристаллов, пер. с англ., М.,
1968; Спивак Г. В., Сапарнн Г. В., Быков М. В., Растровая электронная микроскопия,
"Успехи физических наук", 1969, т. 99, в. 4;ВайнштейнБ. К,, Восстановление
пространственной структуры биологических объектов по электронным микрофотографиям,
"Изв. АН СССР. Сер. физическая", 1972, т. 36, № 9; Quantitative scanning
electron microscopy, L. - N. "У.- S.
F., 1974. A. E. Лукьянов.



Применение электронной микроскопии в
биологии позволило изучить сверхтонкую структуру клеток и внеклеточных
компонентов тканей. На основании результатов, полученных с помощью МЭ (макс,
разрешение к-рых для биол. объектов 12-6А, а увеличения - до 800- 1200
тыс.), начиная с 40-х гг. было описано тонкое строение мембран, митохондрий,
рибосом и др. клеточных, а также внеклеточных структур, выявлены нек-рые
макромолекулы, напр. ДНК. Растровая (сканирующая) Э. м, даёт возможность
изучать тонкое строение поверхности клеток и тканевых структур не только
фиксированных объектов, но и живых животных с твёрдым хитиновым покровом,
напр, ряда членистоногих. Техника приготовления биол. препаратов для Э.
м. включает процедуры, сохраняющие ткань в условиях глубокого вакуума под
пучком электронов и реализующие высокое разрешение МЭ. Обычно объекты фиксируют
химич. реагентами (альдегидами, четырёхокисью осмия или др.), обезвоживают
(спиртом, ацетоном), пропитывают эпоксидными смолами и режут на спец. микротомах
на
ультратонкие срезы (толщ. 100-600 А). Для повышения контраста изображения
клеток их обрабатывают "электронными красителями", сильно рассеивающими
электроны (уранилацетатом, гидроокисью свинца и др.). Чтобы уменьшить повреждающее
действие фиксатора на ткань, её можно заморозить, вытесняя затем воду ацетоном
или спиртом при низкой темп-ре. Иногда применяют методы, исключающие действие
фиксатора на клетки, напр. лиофилизацию: ткань быстро охлаждают
до -150 или -196 °С и обезвоживают в высоком вакууме при низкой темп-ре.
Перспективным оказался метод замораживания с травлением, основанный на
получении платино-углеродной реплики со скола замороженного объекта. Благодаря
этому методу внесены существенные изменения в представления о структуре
клеточных мембран. Для изучения структуры биол. макромолекул и отдельных
клеточных органоидов используют негативное контрастирование образцов. В
этом случае исследуемые объекты выявляются в виде электроннопрозрачных
элементов на тёмном фоне. Полученные в МЭ изображения молекул можно анализировать,
применяя методы, основанные на дифракции света. Использование высоковольтной
Э. м. (до 3 Мв) позволяет получить сведения о 3-мерной структуре клеток.
При подготовке к исследованию живых членистоногих их обездвиживают с помощью
эфирного или хлороформного наркоза в дозах, не вызывающих последующей гибели,
и помещают в вакуумную камеру МЭ. В современной Э. м. широко применяют
методы цитохимии, включая авторадиографию. Илл. см. т. 12, табл.
XXVIII (стр. 336-337). Применение Э. м. в биологии существенно изменило
и углубило прежние представления о тонком строении клетки.

Лит.: Киселев Н. А., Электронная
микроскопия 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. А., Е г a u t М. R., S n о о k R. К., Basic biology course, book
2 - Electron mic-roscop_y and cell structure, Camb,, 1975; Electron microscopy
of enzymes. Principles and methods, v. 1-2, N. Y., 1973-74.

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

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я