Электронная микроскопия

Август 3, 2022

Главная
Биология
Электронная микроскопия

Содержание

2. Электронная микроскопия – совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических,
3. Различают два главных направления электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) растровую (сканирующую) Они дают качественно различную информацию об
4. Некоторые основные понятия Электронный луч - направленный пучок ускоренных электронов, применяемый для просвечивания образцов или возбуждения
5. Контрастирование (химическое и физическое) - обработка исследуемых образцов для повышения общего контраста изображения и(или) выявления отдельных
6. Реализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов (ТЭМ; рис. 1), в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком
7. При исследовании тонких пленок и срезов полимерных материалов и биологических тканей применяют очень тонкие (не более
8. Рис. 1. Схема устройства трансмиссионного электронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 -образец;4,
9. Растровая (сканирующая) микроскопия В растровых электронных микроскопах (РЭМ; рис. 2) электронный луч, сжатый магнитными линзами в
10. Рис. 2. Схема устройства растрового электронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 –
11. Выбор регистрируемого вторичного излучения обусловлен задачей исследования. Основной режим работы РЭМ – регистрация вторичных электронов (ВЭ).
12. Тонкопленочные образцы (до 1 мкм) просвечиваются электронным лучом насквозь и прошедшие электроны регистрируются детектором, расположенным под
13. Для изучения структуры поверхности посредством РЭМ к образцу предъявляется ряд требований: прежде всего, его поверхность должна
14. Перспективные направления развития ТЭМ и РЭМ К ним относятся: повышение разрешающей способности ТЭМ и РЭМ; совершенствование
15. Рис.4 Сканирующий электронный микроскоп JSM-50A Рис.5 Aппарат для высушивания биологических объектов методом критической точки производства POLARON
16. Рис.6 Термическая напылительная установка JEE-4B Рис.7 Пример изображения, получаемого в сканирующем электронном микроскопе. Слом человеческого волоса.
17. Примеры микрофотографий: Голова мухи. Видны фасетчатые глаза. Голова муравья.
18. Примеры микрофотографий: Личинки N.brevirostre. На яйцевом коконе они удерживаются с помощью паутинных нитей, а также клешней
19. Примеры микрофотографий: Микрофотография эритроцитов: б — при сканирующей электронной микроскопии (видны два дискоцита; ´4000); в —
21. Скачать презентацию

Слайд 2

Электронная микроскопия – совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел,

их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов.
Электронные микроскопы - приборы, в которых для получения увеличения изображений используют электронный пучок.
Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации.

Слайд 3

Различают два главных направления электронной микроскопии:
трансмиссионную (просвечивающую)
растровую (сканирующую)
Они

дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно.
Известны также:
отражательная
эмиссионная
оже-электронная
лоренцова
и иные виды (реализуемые, как правило, с помощью приставок к трансмиссионным и растровым электронным микроскопам).

Слайд 4

Некоторые основные понятия
Электронный луч - направленный пучок ускоренных электронов, применяемый

для просвечивания образцов или возбуждения в них вторичных излучений (напр., рентгеновского).
Ускоряющее напряжение - напряжение между электродами электронной пушки, определяющее кинетическую энергию электронного луча.
Разрешающая способность(разрешение) - наименьшее расстояние между двумя элементами микроструктуры, видимыми на изображении раздельно (зависит от характеристик ЭМ, режима работы и свойств образцов).
Светлопольное изображение – увеличенное изображение микроструктуры, сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми энергетическими потерями [структура изображается на экране электронной лучевой трубки (ЭЛТ) темными линиями и пятнами на светлом фоне].
Темнопольное изображение формируется рассеянными электронами (основной пучок электронов при этом отклоняют или экранируют) и используется при изучении сильно рассеивающих объектов (напр., кристаллов); по сравнению со светлопольным выглядит как негативное.
Хроматическая аберрация - снижение скорости электронов после просвечивания объекта, приводящее к ухудшению разрешения; усиливается с увеличением толщины объекта и уменьшением ускоряющего напряжения.

Слайд 5

Контрастирование (химическое и физическое) - обработка исследуемых образцов для повышения общего

контраста изображения и(или) выявления отдельных элементов их структуры.
Оттенение - физическое контрастирование микрочастиц, макромолекул, вирусов, состоящее в том, что на образец в вакуумной установке напыляется тонкая пленка металла; при этом "тени" (ненапыленные участки) прорисовывают контуры частиц и позволяют измерять их высоту.
Негативное контрастирование - обработка микрочастиц или макромолекул на пленке-подложке растворами соединений тяжелых металлов(U и др.), в результате чего частицы будут видны как светлые пятна на темном фоне (в отличие от позитивного контрастирования, делающего темными сами частицы).
Сканирование - последовательное облучение изучаемой поверхности узким электронным лучом - зондом с помощью развертки (в трансмиссионных приборах все поле зрения облучается одномоментно).
Развертка - периодическое отклонение электронного луча по осям X и Y с целью формирования электронного растра.
Растр - система линий сканирования на поверхности образца и на экране ЭЛТ.

Слайд 6

Реализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов (ТЭМ; рис. 1),

в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50-200 кэВ. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими потерями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. При этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что соответствует увеличениям до 1,5 х 106 раз. Рассеянные электроны задерживаются диафрагмами, от диаметра которых в значительной степени зависит контраст изображения. При изучении сильно рассеивающих объектов более информативны темнопольные изображения. Разрешение и информативность ТЭМ-изображений во многом определяются характеристиками объекта и способом его подготовки.

Трансмиссионная микроскопия

Слайд 7

При исследовании тонких пленок и срезов полимерных материалов и биологических тканей

применяют очень тонкие (не более 0,01 мкм) пленки и срезы, повышая их контраст обработкой соединений тяжелых металлов (Os, U, Pb и др.), которые избирательно взаимодействуют с компонентами микроструктуры (хим.контрастирование).
Ультратонкие срезы полимерных материалов (10-100 нм) получают с помощью ультрамикротомов, а пористые и волокнистые материалы предварительно пропитывают и заливают в эпоксидные компаунды.
Металлы исследуют в виде получаемой хим. или ионным травлением ультратонкой фольги.
Для изучения формы и размеров микрочастиц (микрокристаллы, аэрозоли, вирусы, макромолекулы) их наносят в виде суспензий либо аэрозолей на пленки-подложки из поливинилформаль или аморфного С, проницаемые для электронного луча, и контрастируют методом оттенения или негативного контрастирования.

Слайд 8

Рис. 1. Схема устройства трансмиссионного электронного микроскопа: 1 - электронная пушка;

2 - конденсор; 3 -образец;4, 5- объектив и его диафрагма; 6, 7- промежуточная и проекционная линзы;8 -смотровое окно; 9 - люминесцентный экран; 10 - фотокамера с затвором;11 - вакуумная система.

Для анализа металлической фольги, а также толстых (1-3 мкм) срезов др. материалов используют высоко- и сверхвысоковольтные ТЭМ с ускоряющими напряжениями соотв. 200-300 и 1000-3000 кВ. Это позволяет снизить энергетические потери электронов при просвечивании образцов и получить четкие изображения, свободные от хроматической аберрации.
Структура гелей, суспензий, эмульсий и биологических тканей с большим содержанием воды может быть исследована методами криорепликации: образцы подвергают сверхбыстрому замораживанию и помещают в вакуумную установку, где производится раскалывание объекта и осаждение на поверхность свежего скола пленки аморфного С и оттеняющего металла. Полученная реплика, повторяющая микрорельеф поверхности скола, анализируется в ТЭМ.
ТЭМ обеспечивает также получение дифракционных картин (электронограмм), позволяющих судить о кристаллической структуре объектов и точно измерять параметры кристаллических решеток. Данный метод - одно из основных средств исследования ультратонкой структуры твердого тела.

Слайд 9

Растровая (сканирующая) микроскопия
В растровых электронных микроскопах (РЭМ; рис. 2) электронный

луч, сжатый магнитными линзами в тонкий (1-10 нм) зонд, сканирует поверхность образца, формируя на ней растр из нескольких тысяч параллельных линий. Возникающее при электронной бомбардировке поверхности вторичные излучения (вторичная эмиссия электронов, оже-электронная эмиссия и др.) регистрируются различными детекторами и преобразуются в видеосигналы, модулирующие электронный луч в электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Развертки лучей в колонне РЭМ и в ЭЛТ синхронны, поэтому на экране ЭЛТ появляется изображение, представляющее собой картину распределения интенсивности одного из вторичных излучений по сканируемой площади объекта. Увеличение РЭМ определяется как М = L/l, где L и l - длины линий сканирования на экране ЭЛТ и на поверхности образца.

Слайд 10

Рис. 2. Схема устройства растрового электронного микроскопа: 1 - электронная пушка;

2 - конденсор; 3 – отклоняющая система; 4 - конечная линза с корректором астигматизма; 5 - объектный столик;6 - образец; 7 - вакуумная система; 8 - генератор разверток; 9 - блок управления увеличением; 10 -селектор сигналов (для выбора регистрируемого вторичного излучения); 11 –видео усилитель; 12,13 - ЭЛТ и ее отклоняющая система; BИ1-BИ3- потоки вторичных излучений; C1 - C3 – электрические сигналы; Д1-Д3 - детекторы; ЭЛ1, ЭЛ2- электронные лучи; X, Y - направления сканирования (строчная и кадровая развертки).

Слайд 11

Выбор регистрируемого вторичного излучения обусловлен задачей исследования. Основной режим работы РЭМ

– регистрация вторичных электронов (ВЭ). Поскольку интенсивность эмиссии ВЭ сильно зависит от угла падения электронного луча на поверхность, получаемое изображение весьма близко к обычному макроскопическому изображению рельефа объекта, освещаемого со всех сторон рассеянным светом; иначе говоря, формируется топографический контраст. Эмиссия ВЭ отличается наибольшей интенсивностью по сравнению с др.вторичными излучениями. Кроме того, в этом режиме достигается максимальное разрешение.
При исследовании неоднородных по составу поверхностей на топографическое изображение ВЭ накладывается дополнительное распределение яркостей, зависящее от среднего атомного номера Z вещества образца на каждом микроучастке (композиционный, или Z-контраст), который проявляется сильнее, если регистрировать не вторичные, а упруго рассеянные электроны.

Слайд 12

Тонкопленочные образцы (до 1 мкм) просвечиваются электронным лучом насквозь и прошедшие

электроны регистрируются детектором, расположенным под объектом. Изображения, получаемые в этом режиме, иногда более информативны, чем обычные ТЭМ - изображения, т.к. свободны от хроматической аберрации. С помощью соответствующих детекторных систем и спектрометров в РЭМ можно регистрировать электромагнитные излучения: катодолюминесценцию, тормозное и характеристические рентгеновские излучения, а также оже-электроны. Получаемые при этом изображения и спектры дают количественную информацию о локальном элементном составе поверхностных слоев образца и широко применяются в материаловедении .

Слайд 13

Для изучения структуры поверхности посредством РЭМ к образцу предъявляется ряд требований:

прежде всего, его поверхность должна быть электропроводящей, чтобы исключить помехи за счет накопления поверхностного заряда при сканировании.
нужно всемерно повышать отношение сигнал/шум, которое наряду с параметрами оптической системы определяет разрешение (наносят тонкую (15-20 нм) однородную пленку вторичной электронной эмиссии (Au, Au-Pd, Pt-Pd)).
Биологические объекты, содержащие, как правило, большое кол-во воды, перед нанесением покрытия необходимо зафиксировать спец. хим. обработкой и высушить, сохранив естественный микрорельеф поверхности (сушка в критической точке с использованием сжиженных СО2 и N2O,).
Разрешающая способность РЭМ определяется многими факторами, зависящими как от конструкции прибора, так и от природы исследуемого объекта. Если образец электро- и теплопроводен, однороден по составу и не обладает приповерхностной пористостью, в РЭМ с вольфрамовыми электродами достигается разрешение 5-7 нм, в РЭМ с электронными пушками на полевой эмиссии - 1,0-1,5 нм.

Слайд 14

Перспективные направления развития ТЭМ и РЭМ

К ним относятся:
повышение

разрешающей способности ТЭМ и РЭМ;
совершенствование способов подготовки образцов;
разработка методов получения качественно новой информации и повышения чувствительности методов анализа с помощью спектрометрических систем;
разработка методов компьютерной обработки полученных изображений с целью выявления содержащейся в них количеств. Информации о структуре объекта;
автоматизация и компьютеризация ТЭМ, РЭМ и соединенной с ними аналит. аппаратуры.
Первый ТЭМ создали М. Кнолль и Э. Рускав 1928-31; первые РЭМ - М. фон Арденне (1937) и В.К. Зворыкин (1942);

Слайд 15

Рис.4 Сканирующий электронный
микроскоп JSM-50A
Рис.5 Aппарат для высушивания биологических объектов методом

критической точки производства POLARON (Великобритания)

Слайд 16

Рис.6 Термическая напылительная
установка JEE-4B
Рис.7 Пример изображения, получаемого в сканирующем электронном

микроскопе. Слом человеческого волоса.

Слайд 17

Примеры микрофотографий:
Голова мухи. Видны фасетчатые глаза.
Голова муравья.

Слайд 18

Примеры микрофотографий:
Личинки N.brevirostre. На яйцевом коконе они удерживаются с помощью паутинных нитей, а

также клешней и специальных прикрепительных ножек.
Справа - личинка-протонимфон Nymphon micronyx (с брюшной стороны). Видны хоботок, конечности, прядильный шип и паутинная нить.

Слайд 19

Примеры микрофотографий:
Микрофотография эритроцитов: б — при сканирующей электронной микроскопии (видны два

дискоцита; ´4000); в — при световой микроскопии; ´900.

Микрофотография гриба из пристеночного слоя кишечника .

Электронная микроскопия

Содержание

Электронная микроскопия – совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел,

Различают два главных направления электронной микроскопии:трансмиссионную (просвечивающую) растровую (сканирующую) Они

Некоторые основные понятияЭлектронный луч - направленный пучок ускоренных электронов, применяемый

Контрастирование (химическое и физическое) - обработка исследуемых образцов для повышения общего

Реализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов (ТЭМ; рис. 1),

При исследовании тонких пленок и срезов полимерных материалов и биологических тканей

Рис. 1. Схема устройства трансмиссионного электронного микроскопа: 1 - электронная пушка;

Растровая (сканирующая) микроскопия В растровых электронных микроскопах (РЭМ; рис. 2) электронный

Рис. 2. Схема устройства растрового электронного микроскопа: 1 - электронная пушка;

Выбор регистрируемого вторичного излучения обусловлен задачей исследования. Основной режим работы РЭМ

Тонкопленочные образцы (до 1 мкм) просвечиваются электронным лучом насквозь и прошедшие

Для изучения структуры поверхности посредством РЭМ к образцу предъявляется ряд требований:

Перспективные направления развития ТЭМ и РЭМ К ним относятся: повышение

Рис.4 Сканирующий электронный микроскоп JSM-50AРис.5 Aппарат для высушивания биологических объектов методом

Рис.6 Термическая напылительная установка JEE-4BРис.7 Пример изображения, получаемого в сканирующем электронном

Примеры микрофотографий:Голова мухи. Видны фасетчатые глаза. Голова муравья.

Примеры микрофотографий: Личинки N.brevirostre. На яйцевом коконе они удерживаются с помощью паутинных нитей, а

Примеры микрофотографий: Микрофотография эритроцитов: б — при сканирующей электронной микроскопии (видны два

Похожие презентации