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.