ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Определение сканирующего электронного микроскопа

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это тип микроскопа, в котором используется сфокусированный пучок электронов для получения изображений поверхности образца с высоким разрешением. S EM используются в различных областях, включая материаловедение, биологию и геологию, для изучения структуры поверхности и состава широкого спектра материалов.

В РЭМ пучок электронов генерируется высоковольтной электронной пушкой и фокусируется на поверхности образца с помощью электромагнитных линз. Электроны взаимодействуют с атомами в образце, вызывая испускание вторичных электронов и другие виды электромагнитного излучения, например рентгеновские лучи. Эти испускаемые частицы обнаруживаются детекторами, и данные используются для создания изображения поверхности образца с высоким разрешением.

СЭМ имеют ряд преимуществ перед другими типы микроскопов
, включая способность создавать изображения с высоким разрешением в широком диапазоне увеличений, способность отображать образцы в трех измерениях с использованием таких методов, как визуализация обратно рассеянных электронов, и способность анализировать элементный состав образца с использованием таких методов, как энергодисперсионный метод. Рентгеновская спектроскопия (ЭДС).

В целом, РЭМ — это мощные инструменты для изучения структуры поверхности и состава широкого спектра материалов на микроскопическом уровне.

Задача «Угадай слова»

Только пользователей способны решить эту задачу.

Угадай слово, спрятанное в этой истории

Характеристики сканирующей электронной микроскопии

• Изображение с высоким разрешением (1–2 нм), высокая скорость сбора данных (30–60 с) (30–60 с).
• Живое наблюдение образца с увеличением 5-6 порядков (от 10 до 500,000 10 раз) (от 500,000 до XNUMX XNUMX раз).
• Неразрушающий.
• Необходима совместимость с вакуумом. Вакуумная камера вмещает. экземпляры до 4 дюймов в диаметре.
• Универсальность: возможны различные режимы работы.
• Доступные измерения поперечного сечения.

• Introduction to Transmission/Scanning Electron Microscopy and Microanalysis
  , Argonne National Laboratory
• Scanning Transmission Electron Microscopy for Nanostructure Characterization
  , ORNL
• The Application of Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) to the Study of Nanoscale Systems
  (Chapter 1) / T. Vogt et al. (eds.), Modeling Nanoscale Imaging in Electron Microscopy, Nanostructure Science and Technology, 2012, ISBN 9781461421900
  , DOI:10.1007/978-1-4614-2191-7

Подготовка образцов для растровой (сканирующей) электронной микроскопии

Основные этапы подготовки биологических объектов к РЭМ: 1) предфиксационная обработка; 2) фиксация; 3) обезвоживание; 4) высушивание; 5) покрытие объекта слоем металла. Этапы подготовки биологических объектов под номерами 1, 2, 3 соответствуют пробоподготовке к ПЭМ, а 4 и 5 хотя и похожи, но имеют свою специфику.

В настоящее время основными методами для высушивания клеток и тканей являются высушивание переходом критической точки и замораживание-высушивание.

Высушивание переходом критической точки
осуществляют при помощи специальных устройств. Такой аппарат имеет герметически закрытую камеру с входным и выходным клапанами, а также снабжен устройствами для охлаждения, подогрева, регистрации температуры и давления.

Рис. 42. Аппарат для замещения жидкости переходом критической точки (фирмы Hitachi).

Биологический объект, погруженный в промежуточную или дегидрирующую жидкость (ацетон), вносят в предварительно охлажденную (до 10—15°С) камеру, в которую затем впускают СО ₂
; углекислый газ конденсируется в жидкость. Затем камеру нагревают до температуры выше температуры равновесия жидкость – пар (примерно до +42° С). С подъемом температуры возрастает и давление в камере. По достижении критической точки жидкий СО ₂
переходит в газообразное состояние. Пока температура поддерживается выше температуры равновесия, это состояние сохраняется и газ может быть выпущен из камеры, объект становится высушенным.

Рис. 43. Вакуумная напылительная установка (фирмы JEOL). В такой установке производят сублимацию жидкости из биологических объектов и напыление на их поверхность металлов.

Покрытие биологических объектов металлом производится в специальной вакуумной камере и может быть осуществлено двумя способами: путем испарения нагреваемого металла и путем «выбивания» атомов металла, бомбардируемого ионами инертного газа. Напыление биологических объектов слоем металла вызывает увеличение интенсивности излучения вторичных электронов и предотвращает образование электрических зарядов на поверхности объекта, все это способствует достижению более высокого разрешения. Наряду с этим нанесенный слой металла приводит к стабилизации поверхности образца, и снижению нагрева возникающего в результате взаимодействия электронного зонда с объектом. Слой металла должен быть сплошным и иметь всюду одинаковую толщину независимо от расположения и ориентации отдельных элементов рельефа поверхности объекта. Толщина слоя металла может варьировать от 5 нм до 20 нм. С целью более равномерного покрытия, а также для исключения эффекта «оттенения» объект на протяжении всей процедуры покрытия подвергают наклонам и вращению, со сменой его ориентации относительно источника испаряющихся атомов металла. Достижению равномерности покрытия металлом (особенно объектов с очень сложной конфигурацией поверхности) способствует предварительное покрытие поверхности объекта тонким слоем углерода. Благодаря способности к рассеиванию атомы углерода легко проникают во все труднодоступные участки рельефа. Непрерывный слой углерода механически стабилизирует поверхность объекта, защищает ее от атмосферной влаги и является адгезивной подложкой для следующего покрывающего слоя — металла. Для создания покрытия используют тяжелые металлы и их сплавы: Аu, Pt, Ag, Au/Pd, Pt/Pd. Все они хорошо эмитируют вторичные электроны, легко испаряются при нагревании и стабильны в обычной атмосфере (кроме Аg).

Увидеть незримое и почувствовать неосязаемое. На что еще способен электронный микроскоп?

Перед вами небольшой обзор на электронные микроскопы и их возможности.

Изображение вируса Эбола, полученное при помощи просвечивающей электронной микроскопии

Несмотря на то, что «электронная микроскопия» звучит очень современно, запатентована она была еще в 1931 году
германо-американским инженером и изобретателем Райнхольдом Руденбергом. Это был настоящий переворот в области изучения микроструктур.

▎В чем суть электронной микроскопии?

▎Каковы преимущества электронной микроскопии?

• Первое и основное отличие от светового микроскопа — увеличение. Профессиональный современный световой микроскоп может увеличить изображение в 2 тысячи раз. Электронный микроскоп дает увеличение до 300 тысяч при разрешающей способности 0,5 нм. На таком увеличении уже можно рассмотреть атомы.
• Второе существенное преимущество — при помощи спектрального анализа рентгеновского излучения, возбуждаемого электромагнитным полем, можно изучить химический состав образца в конкретных точках.
• В процессе можно воздействовать на исследуемый объект: облучать, нагревать, намагничивать или деформировать. И полученная картинка будет динамически изменяться.
• Имеется возможность зафиксировать процессы на фото- или видеосъемку в высоком разрешении.
• Исследователь получает электронно-оптическую информацию, которую можно дополнить данными, основанными на дифракции электронов с материалом исследуемого объекта. К примеру, определение показателей кристаллографии при использовании дифракционного контраста.
• В растровой разновидности электронной микроскопии можно рассматривать рельеф поверхности объекта при помощи анализа катодолюминесценции.
  

▎А каковы недостатки?

А вот недостатков много:

• Во-первых, в отличие от светового микроскопа, в котором образец можно просто поместить под окуляр, в ЭМ для работы необходим вакуум. Поэтому исследуемые образцы должны быть хорошо обработаны и зафиксированы. А потому невозможно исследовать живые объекты.
• Во-вторых, необходимо сделать ультратонкий срез исследуемого образца: от 20 до 50 нм, который к тому же должен быть равномерным. Иначе электронный поток поглотится объектом и картинки не будет.
• В-третьих, требуется высокое напряжение — от 50 кВ. А вместе с ним и специальная система охлаждения.
• Из-за повышенной чувствительности и хрупкости ЭМ нужно размещать абсолютно неподвижно, на виброустойчивой колонне, в здании без внешних магнитных полей.
• ЭМ создает исключительно черно-белые изображения.
• И, конечно, стоимость. Далеко не каждый исследовательский центр может позволить себе ЭМ. Он дорог и при покупке, и в обслуживании.
  

Теперь давайте рассмотрим основные виды электронной микроскопии.

А основных видов два
:

• Трансмиссионная или просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
• Растровая или сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)

Нитчатая водоросоль в световом микроскопе (а), СЭМ (б) и ПЭМ (в)

▎ Просвечивающий электронный микроскоп

Вирус свиного гриппа в просвечивающим электронном микроскопе

Фокусировка электронного потока осуществляется при помощи электромагнитных и электростатических линз. Возникают даже присущие фотонным микроскопам хроматические аберрации. Только природа такого искажения абсолютно иная. Кроме того, за счет закручивания электронов вдоль оси пучка в линзе, возникают дополнительные искажения. 

Из недостатков: объект, помещаемый в ПЭМ, должен быть не толще 1 микрона, то есть как один слой волоса, разрезанного вдоль на 50 частей. А вторая проблема — размер. П ЭМ занимает целую комнату: высотой в человеческий рост и с блоком питания, размером со шкаф.

ㅤㅤㅤ Просвечивающий электронный микроскоп

▎ Сканирующий электронный микроскоп

ㅤㅤ Сканирующий электронный микроскоп

У СЭМ есть несколько принципиально разных режимов работы, которые зависят от детекторов.

Рассмотрим основные виды:

• Детектор вторичных электронов

  Используется для определения морфологии поверхности образца, поскольку сигнал вторичных электронов высокочувствителен к рельефу, шероховатостям и неровностям. Чаще всего данный режим работы используется в биологии для определения пор, борозд и изломов, к примеру, при изучении бактериальной клетки.

Изображение пыльцы, полученное путем детектирования вторичных электронов

• Детектор обратно отраженных или обратно рассеянных электронов

    Используется для определения состава разносоставного вещества со множеством включений, поскольку сигнал рассеянных электронов чувствителен к специальному композиционному контрасту. Таким образом, на получаемом изображении, вещества разного состава в одном объекте будут иметь разные оттенки серого. Данный режим применяется, в основном, в кристаллографии и биологии.

Морфология интерфейса между оксидной и металлической составляющими, сделанная в режиме детектирования отраженных электронов

• Энергодисперсионный спектрометр

  Позволяет определить элементный состав веществ и включений исследуемого образца. Конечно, в большинстве случаев важнее определить химический, а не элементарный состав. Зато энергодисперсионный спектрометр позволяет точечно, для каждого микрокомпонента определить состав. Кроме того, для данного метода не требуется никаких реагентов. Используется в химии и кристаллографии.

Анализ элементного состава микрокомпонентов полированного образца анодного шлака с помощью энергодиспрсионного спектрометра

• Детектор прошедших электронов

 Электроны, прошедшие тонкий срез образца насквозь, приходят к датчику под разным углом, что дает различную информацию об исследуемом объекте. Угол рассеивания зависит от толщины среза, материала образца и энергии первичного электронного пучка. Детектор передает псевдоцветное изображение, где каждый цвет соответствует своему сигналу.

Коррозия, распространяющаяся сквозь хромовое покрытие на стали. Изображение получено при помощи детектирования прошедших электронов.

• Детектор катодолюминесцентного излучения

 Используется при изучении материалов, обладающих люминесценцией, то есть способные излучать видимый свет при попадании на них электронного потока.

Изображение циркона, полученное

при детектировании катодолюминесцентного излучения

СЭМ может работать исключительно с твердыми образцами в вакууме. Поэтому для работы с жидкостями, их необходимо подвергнуть глубокой заморозке. Зато форма и размер образца могут быть любыми в пределах объема рабочей камеры. Продуктивность работы повышается при нанесении на исследуемый образец тонкого слоя токопроводящего материала.

Электронная микроскопия применяется во многих сферах науки и промышленности:

Биология и медицина

При помощи ЭМ можно осуществить томографию тканей, детально рассмотреть клетки, определить локализацию белков, увидеть вирус и даже выполнить фармацевтический контроль качества.

Физика, химия и кристаллография.

  ЭМ позволяет изучить микроструктуры металлов и кристаллов вещества, классифицировать материалы, тестировать характеристики различных веществ, определять состав, поверхность и плотность объектов.

Полупроводники и хранение данных

 С помощью ЭМ выявляются и редактируются неисправности систем, выполняется анализ дефектов.

  ЭМ помогает определять параметры частиц и целых структур. Позволяет в динамике посмотреть на материалы в высоком разрешении. При необходимости дает возможность построения трехмерной модели микроструктуры.

▎3D моделирование 

Это возможно осуществить несколькими способами:

1. П ЭМ серийных срезов

 Самый первый из подходов к трехмерному моделированию на электронном микроскопе. Способ заключается в создании ленты ультратонких срезов, которые собираются на специальной сетке, покрываемой углеродом и особым веществом —  формваром. Полученные изображения обрабатываются в специальной программе: создается контур, фотографии выравниваются, обрезаются и сводятся в одно трехмерное изображение. Процесс сведения трудоемкий и занимает очень много времени, а размеры изображения ограничены. Еще одной проблемой являются существенные зазоры между слоями. Кроме того, ультратонкие срезы очень хрупкие и подвержены повреждениям. И чем их больше, тем выше шанс деформации образца.

2. Криоэлектронная томография

 По сравнению с ПЭМ серийных срезов, позволяет увидеть в более высоком разрешении более мелкие структуры, величиной от 3 нм, к примеру, элементы цитоскелета. Однако образцы должны быть довольно мелкими (100—500 нм) поэтому КЭТ не применима для крупных объектов и подходит только для молекулярных комплексов, вирусов и мелких бактерий.

Принцип метода криоэлектронной томографии

       В процессе КЭТ объект исследования постепенно поворачивается и изображения получаются под разным углом наклона. После этого все фотографии сводятся в одно 3D изображение. Минус метода в том, что образец получает высокую дозу излучения, за счет чего часть мелких деталей теряется в процессе исследования. 

3. Многоэнергетическая деконволюция

При помощи этого метода можно получить несколько изображений образца на разной его глубине, не разрушая поверхности объекта. Такой эффект достигается за счет изменения ускоряющего напряжения электронов
. И чем выше энергия, тем глубже в объект может проникнуть электрон. Каждое изображение будет давать характеристику определенного слоя. А специальный программный алгоритм соберет множество срезов в трехмерную модель с максимальным разрешением до 10 нм. Помимо прочего, данный метод можно использовать совместно с методом ультратонких срезов.

4. Фокусирующая ионно-лучевая сканирующая электронная микроскопия (ФИЛ-СЭМ)

 Суть метода заключается в параллельном «разрезании» исследуемого образца на слои пучком ионов галлия и сканировании объекта электронным пучком. Слой получается толщиной 5—10 нм. Полученные изображения собираются в единую трехмерную модель.

Раскрашенное изображение бактериофагов

(зеленые), поразивших кишечную палочку (голубые), сделанное в ФИЛ-СЭМ

 Сложность метода в подготовке. Перед проведением операции необходимо защитить образец от части заряда. Для этого на сам объект, к примеру, кусок органа, напыляется металл, а блок, в который заключен образец, покрывается серебряной пастой. Максимальный размер моделируемого объекта — 100*100 мкм. Кроме того, метод очень долгий, а с увеличением глубины резки снижается качество.

Принцип метода ФИЛ-СЭМ

5. С ЭМ с автоматизированной лентой для сбора срезов

 По сути, это улучшенная версия метода серийных срезов. Специальная насадка на ультрамикротом, который делает срезы, работает автоматически и способна делать до 1000 срезов в день, помещая их на специальную ленту. Далее лента разрезается на фрагменты, кладется на подложку, срезы обрабатываются контрастом и углеродом, после чего разрезанный образец помещается в СЭМ. Полученные изображения имеют разрешение 5 нм. 

Ультрамикротом со специальной насадкой и вставленной лентой для срезов

 

6. Последовательная сканирующая электронная микроскопия поверхности блока

 Используется для получения трехмерной модели большого объекта. Для этого ультрамикротом помещается внутрь СЭМ. В процессе происходит последовательное срезание ультратонких слоев образца с последующим сканированием. Для улучшения изображения может использоваться контраст. Преимущество данного метода заключается в величине объекта и скорости обработки информации. За получаемыми данными можно наблюдать в реальном времени.

▎Цветное изображение

Коррелятивная свето-электронная микроскопия элементов цитоскелета

Ученые объединили КСЭМ с трехмерной световой микроскопией, уже известной нам ФИЛ-СЭМ и с микроскопией сверхвысокого разрешения (СР-микроскопия), которая позволяет получить большее разрешение за счет объединения на экране множества снимков.

Срез ядер нейронов при микроскопии сверхвысокого разрешения

Составив изначально изображение высокого разрешения, ученые резали образец лучами ионов. Изображение получало цвет за счет световой микроскопии структурированного освещения, позволяющего увеличить разрешение снимка в два раза за счет поочередной подсветки отдельных точек при фоновом свечении остального образца, и одномолекулярной световой микроскопии, при которой флуоресценция красителя активируется слабым лазером. Одномолекулярная микроскопия позволяет получить изображение с разрешением 0,2 мкм. Все полученные изображения свели вместе и получили полноценные цветные снимки. С помощью данной методики удалось разглядеть, к примеру, ультраструктуру нейронов.

Трехмерные модели ядер нейронов, полученные при коррелятивной микроскопии

• Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Ф. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: в двух книгах. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. 303 с.
  

• Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванов А. Н., Расторгуев Л. Н… Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
  

• СиндоД. Оикава. Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. I SBN 5-94836-064-4.
  

•  Denk, W., & Horstmann, H. (2004). Serial block-face scanning electron microscopy to reconstruct three-dimensional tissue nanostructure. P LoS Biology, 2.
  

• Efimov, A. E., Tonevitsky, A. G., Dittrich, M., & Matsko, N. B. (2007). Atomic force microscope (AFM) combined with the ultramicrotome: A novel device for the serial section tomography and AFM/TEM complementary structural analysis of biological and polymer samples. Journal of Microscopy, 226

  , 207–217. doi.org/10.1111/j.1365-2818.2007.01773.x
  

•  Peddie, C. J., & Collinson, L. M. (2014). Exploring the third dimension: Volume electron microscopy comes of age. Micron. Elsevier Ltd. doi.org/10.1016/j.micron.2014.01.009
  

• Шалек Р., Кастури Н., Хейворт К., Бергер Д., Тапиа Дж., Морган Дж.,… Лихтман Дж. (2011). Разработка высокопроизводительной трехмерной реконструкции с высоким разрешением биологических тканей большого объема с использованием автоматизированного сбора лент, ультрамикротомии и сканирующей электронной микроскопии. Микроскопия и микроанализ, 17(S2), 966–967. doi.org/10.1017/S1431927611005708
  

• Вагнер Дж., Шаффер М. и Фернандес-Буснадьего Р. (1 сентября 2017 г.). Криоэлектронная томография — клеточная биология, пришедшая с холода. Письма F EBS. Уайли Блэквелл. doi.org/10.1002/1873-3468.12757
  

• https://biomolecula.ru/articles/po-tu-storonu-difraktsionnogo-barera-nobelevskaia-premiia-po-khimii-2014
  

• https://biomolecula.ru/articles/fluorestsiruiushchaia-nobelevskaia-premiia-po-khimii
  

• https://biomolecula.ru/articles/tsvet-3d-i-sverkhvysokoe-razreshenie-novaia-razrabotka-v-mikroskopii
  

Принцип работы сканирующего микроскопа

В отличие от трансмиссионного микроскопа, в котором использовались проходящие электроны, в сканирующем электронном микроскопе использовались испускаемые электроны. использовать кинетическую мощность, сканируя электронную электрическую смесь данных на основе взаимодействия между электронами. Эти электроны, которые представляют собой вторичные электроны, обратнорассеянные электроны и дифрагированные обратнорассеянные электроны, используются для наблюдения за кристаллическими элементами и фотонами. Для создания изображения использовались вторичные и обратно рассеянные электроны. Вторичные электроны, испускаемые образцом, в первую очередь обеспечивают обнаружение морфологии и топографии образцов, в то время как электроны обратного размышления выявляют различия в элементном составе образца.

Фундаментальные принципы сканирования электронной микроскопии (СЭМ)

увеличение количества кинетической энергии переносится ускоренными электронами в РЭМ; эта энергия высвобождается в виде последовательных сигналов, образующих взаимодействия электронов с образцом, когда падающие электроны замедляются в твердом образце. Эти сигналы исходят из вторичных электронов (которые изображают изображения SEM), обратно рассеянных электронов (BSE), дифрагированных обратно рассеянных электронов (EBSD, перенос для определения кристаллической структуры и ориентации минералов), фотонов (характеристические рентгеновские лучи, используемые для элементного анализа и непрерывного анализа). сделать). лучи), видимый свет (катодолюминесценция — КЛ) и тепло. Вторичные электроны и обратнорассеянные электроны часто используются для визуализации образцов: вторичные электроны наиболее полезны для отображения морфологии и топографии образцов, в то время как обратнорассеянные электроны наиболее полезны для отображения композиционных контрастов в многофазных моделях (т. е. для определения фаз). Неупругие случаи налетающих электронов с электронами связанных ортиалей (оболочек) атомов в образце генерируют рентгеновское излучение. Когда электроны возвращаются в свои более низкие энергетические состояния, они испускают рентгеновские лучи с постоянной длиной волны (это связано с разницей в уровнях электронов в разных оболочках для данного элемента). Таким образом, рентгеновские лучи производятся для каждого элемента в минерале, «стимулированным» электронным лучом. С ЭМ-исследование называется «неразрушающим», поскольку рентгеновские лучи, генерируемые электронными взаимодействиями, не приводят к потере объема образца, что позволяет проводить повторные исследования одних и тех же материалов.

Как обнаруживаются обратно рассеянные электроны?

• Обратнорассеянные электроны (BSE) — это электроны высокой энергии, которые исходят из вновь пучка и отражаются или рассеиваются обратно из объёма зависимости из-за упругого рассеяния взаимодействий с атомами образца.
• поскольку тяжелые атомы (с высоким атомным числом) сильнее рассеивают электроны назад, чем легкие элементы (с низким атомным числом), и, следовательно, более яркие на изображении, BSE используется для обнаружения контраста между областями с разным химическим составом.
• Детектор Эверхарта-Торнли, который обычно располагается на одной стороне образца, неэффективен для обнаружения обратнорассеянных электронов, потому что мало таких электронов испускается в телесном угле, стягиваемом детектором, а сетка обнаружения с положительным смещением имеет небольшую способность притягивать более высокая энергия BSE.
• Специальные детекторы обратнорассеянных электронов размещаются над образцом в форме «бублика», концентрично электронному лучу, чтобы максимизировать телесный угол сбора.
• Детекторы BSE обычно изготавливаются либо из сцинтиллятора, либо из полупроводникового материала. Когда все секции детектора используются для захвата электронов симметрично вокруг пучка, создается контраст атомных номеров.
• Однако сильный топографический контраст достигается за счет сбора обратно рассеянных электронов с одной стороны над образцом с помощью асимметричного направленного детектора BSE; результирующий контраст проявляется как освещение топографии с этой стороны.
• Полупроводниковые детекторы могут быть изготовлены с радиальными сегментами, которые можно включать и выключать, чтобы регулировать тип создаваемого контраста и его направленность.
• Обратнорассеянные электроны также можно использовать для создания изображения дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), которое можно использовать для определения кристаллографической структуры материала.

Вам могут понравиться эти статьи:

Как работает сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)?

1. Прежде всего, источник электронов или электронная пушка, расположенная в верхней части колонны РЭМ, нагревается высоким напряжением.
2. В результате он будет выпускать электронные лучи.
3. Электронные пучки теперь ускоряются вниз по колонне и попадают на серию электромагнитных линз.
4. Эти линзы и трубки также называют соленоидами, потому что они завернуты в катушку.
5. Эти катушки создают колебания напряжения, что приводит к увеличению/уменьшению скорости электронов. Таким образом, как они создают сфокусированные электронные пучки.
6. Этот электронный пучок фокусируется на образце.
7. К СЭМ подключен компьютер, который управляет силой увеличения микроскопа, а также определяет площадь сканируемой поверхности.
8. Электронные пучки и атомы образца объединяются, скорость определяется скоростью ускорения падающих электронов, которые перед фокусировкой на образце несут значительное количество кинетической энергии.
9. Когда падающие электроны вступают в контакт с образцом, с поверхности образца высвобождаются энергичные электроны. Картины рассеяния, созданные взаимодействием, дают информацию о размере, форме, текстуре и составе образца.
10. Различные типы электронов испускаются из образца после взаимодействия между электронными пучками и образцом.
11. Детектор электронов помещается над образцом, называемый детектором обратнорассеянных электронов (BSE), который обнаруживает обратнорассеянные электроны.
12. Вторичные электроны обнаруживаются с помощью детектора вторичных электронов (SE), который размещается сбоку от электронной камеры. Он предоставит более подробную информацию о поверхности.

1. von Ardenne, M.
   Das Elektronen-Rastermikroskop. Theoretische Grundlagen  (нем.)
    // Zeitschrift für Physik
    : magazin. — 1938. — , . — . — doi
   : 10.1007/BF01341584
   . — .
   
2. von Ardenne, M.
   Das Elektronen-Rastermikroskop. Praktische Ausführung  (нем.)
    // Z. Tech. Phys. : magazin. — 1938. — . — .
   
3. D. McMullan, SEM 1928—1965
   
   . Дата обращения: 18 ноября 2019.
   Архивировано
   22 января 2018 года.
   
   

Процесс сканирования и формирование изображения

• Электронный пучок испускается термоэлектронной пушкой с катодом из вольфрамовой нити в стандартном РЭМ.
• Вольфрам обычно используется в термоэмиссионных электронных пушках из-за его высокой температуры плавления и низкого давления паров, что позволяет нагревать его электрически для эмиссии электронов, а также из-за его низкой стоимости.
• Другие типы электронных эмиттеров включают катоды из гексаборида лантана (LaB 6), которые можно использовать в стандартном РЭМ с вольфрамовой нитью, если вакуумная система модернизирована, и автоэмиссионные пушки (ФЭГ), которые могут быть типа с холодным катодом с вольфрамовым электродом. монокристаллические эмиттеры или эмиттеры типа Шоттки с термической поддержкой с вольфрамовыми монокристаллическими эмиттерами, покрытыми оксидом циркония.
• Электронный пучок, который обычно имеет энергию от 0.2 до 40 кэВ, фокусируется одним или двумя конденсатор
  линзы до точки диаметром от 0.4 до 5 нм.

• Луч проходит через пары сканирующих катушек или пар дефлекторных пластин в электронном столбе, часто в последней линзе, которые отклоняют луч по осям x и y таким образом, что он сканирует прямоугольную часть поверхности образца в виде растра. .
• Когда первичный электронный пучок взаимодействует с материалом, электроны теряют энергию из-за повторяющегося случайного рассеяния и поглощения по всему объему взаимодействия, который простирается от менее 100 нм до почти 5 м под поверхностью.
• Размер объема взаимодействия определяется энергией приземления электрона, атомным номером образца и его плотностью.
• Обмен энергией между электронным пучком и образцом вызывает отражение высокоэнергетических электронов за счет упругого рассеяния, эмиссию вторичных электронов за счет неупругого рассеяния и эмиссию электромагнитного излучения, которые могут быть обнаружены специализированными детекторами.
• Ток луча, поглощаемый образцом, также можно контролировать и использовать для создания изображений распределения тока в образце.
• Для усиления сигналов используются различные типы электронных усилителей, которые отображаются на мониторе компьютера в виде колебаний яркости (или, для старинных моделей, на электронно-лучевой трубке).
• Каждый пиксель видеопамяти компьютера синхронизируется с положением луча микроскопа на образце, а результирующее изображение представляет собой карту распределения силы сигнала, излучаемого от сканируемого участка образца.
• Большинство современных микроскопов захватывают изображения в цифровом виде, тогда как старые микроскопы записывали изображения на пленку.

Процесс увеличения

• В SEM увеличение можно регулировать в диапазоне примерно шести порядков, примерно от 10 до 3,000,000 XNUMX XNUMX раз. В отличие от оптических и просвечивающих электронных микроскопов увеличение изображения в РЭМ не зависит от оптической силы объектива.
• Конденсор и объективы могут присутствовать в РЭМ, но их цель состоит в том, чтобы точно сфокусировать луч, а не создавать изображение образца.
• Теоретически, если электронная пушка может генерировать пучок достаточно малого диаметра, РЭМ может работать полностью без конденсора или линз объектива, хотя он, вероятно, будет менее адаптируемым и будет иметь более низкое разрешение.
• Как и в сканирующей зондовой микроскопии, увеличение в РЭМ определяется соотношением между растром на дисплее и растром на образце.
• Если предположить, что экран дисплея имеет фиксированный размер, увеличение увеличения достигается за счет уменьшения размера растра на образце, и наоборот.
• Следовательно, увеличение определяется током, подаваемым на сканирующие катушки х, у, или напряжением, подаваемым на пластины отражателя х, у, а не силой линзы объектива.

Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (EELS)

СХПЭЭ (EELS) в режиме ПРЭМ стала возможна с добавлением соответствующего спектрометра. Высокоэнергетический сведённый электронный пучок в ПРЭМ несет локальную информацию об образце вплоть до атомного разрешения. Добавление СХПЭЭ позволяет производить определение элементов и даже дополнительные возможности в определении электронной структуры или химических связей атомных колонок.

Рассеянные на малые углы неупругие электроны используются в СХПЭЭ совместно с упруго рассеянными на большие углы электронами в ADF (кольцевой темнопольной ПРЭМ) позволяя получать оба сигнала одновременно.

Данная техника популярна в ПРЭМ микроскопах.

Недостатки сканирующего электронного микроскопа

1. SEM — дорогостоящая вещь.
2. Он имеет большие размеры, поэтому требуется помещение для работы РЭМ.
3. В помещении не должно быть электрического, магнитного поля и вибрации.
4. Требуется стабильное напряжение.
5. Требуется прохладная вода.
6. Требуется надлежащее обучение для работы с SEM.
7. Он ограничен твердыми неорганическими образцами, достаточно маленькими, чтобы поместиться внутри вакуумной камеры.
8. Это также влекло за собой риск радиационного облучения.
9. Образцы должны быть твердыми и помещаться в камеру микроскопа. Максимальный размер в горизонтальных размерах обычно составляет порядка 10 см, вертикальные размеры, как правило, гораздо более ограничены и редко превышают 40 мм. Для большинства приборов образцы должны быть стабильны в вакууме порядка 10^-5 – 10^-6 торр. Образцы, которые могут выделять газ при низком давлении (породы, насыщенные углеводородами, «влажные» образцы, такие как уголь, органические материалы или набухающие глины, а также образцы, которые могут растрескиваться при низком давлении), непригодны для исследования с помощью обычных РЭМ. Однако также существуют РЭМ «низкого вакуума» и «экологические» РЭМ, и многие из этих типов образцов можно успешно исследовать с помощью этих специализированных приборов.
10. Детекторы EDS на SEM не могут обнаруживать очень легкие элементы (H, He и Li), а многие приборы не могут обнаруживать элементы с атомными номерами менее 11 (Na).
11. В большинстве СЭМ используется твердотельный рентгеновский детектор (EDS), и хотя эти детекторы очень быстрые и простые в использовании, они имеют относительно низкое энергетическое разрешение и чувствительность к элементам, присутствующим в малых количествах, по сравнению с детекторами рентгеновского излучения с дисперсией по длине волны. W DS) на большинстве электронно-зондовых микроанализаторов (EPMA).
12. Электропроводящее покрытие должно быть нанесено на электроизолирующие образцы для исследования в обычном СЭМ, если только прибор не может работать в режиме низкого вакуума.

Подготовка образцов для сканирующего электронного микроскопа

1. Первичная фиксация:

• Это делается с помощью АЛЬДЕГИДОВ (БЕЛКОВ).
• Этот шаг поможет стабилизировать ультраструктуру образца за счет сшивания белков глутаровым альдегидом и формальдегидом.

2. Вторичная фиксация:

• Это делается с помощью ТЕТРОКСИДА ОСМИЯ (ЛИПИДЫ).
• Этот шаг предотвращает экстракцию мембран Blipid во время обезвоживания.
• Он также увеличивает проводимость образца и сводит к минимуму искажения изображения.

• Это делается путем инкубации фиксированного образца в растворителях, таких как ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ
  ИЛИ АЦЕТОН.
• Чтобы удалить воду из образца без его усадки, концентрацию растворителя постепенно увеличивают.

• В этом методе растворители дегидратации заменяются гексаметилдисилазаном (ГМДС) или жидким CO2 для предотвращения артефактов и микроразрывов поверхности.

5. Установка на заглушку:

• Это делается с помощью липкой углеродной пластины, которая закрепляет образец на металлической заглушке.
• Этот шаг помогает увеличить проводимость образца.
• Для дальнейшего повышения электропроводности в него можно добавить серебросодержащий клей.

6. Напыление с проводящим материалом:

• В этом методе образец покрывают проводящим материалом, чтобы предотвратить накопление заряда на поверхности образца.

Электронный микроскоп в гараже

Позвонил мне как-то друг и говорит: нашёл интересную штуку, нужно привезти к тебе, весит полтонны. Так у меня появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Её давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.

До этого момента я не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться и представлять, как оно работает. Чтобы восстановить этот микроскоп хотя бы до состояния «рисуем электронным лучом на люминесцентном экране» потребуется:

• Понять основы работы электронных микроскопов
• Разобраться в том, что такое вакуум, какой он бывает
• Как измеряют вакуум, как его получают
• Как работают высоковакуумные насосы
• Минимально разобраться в химии (какие растворители использовать для очистки вакуумной камеры, какое масло использовать для смазки вакуумных деталей)
• Освоить металлообработку (токарные и фрезерные работы) для изготовления всевозможных переходников и инструментов
• Разобраться с микроконтроллерами, схемотехникой их подключения

Имея на вооружении научный метод я попробую освоить совершенно новые области, которыми никогда не занимался ранее. Приглашаю сделать это вместе со мной.

Восстановление микроскопа после как минимум десятка лет — под катом.

DISCLAIMER: Помните, безопасность превыше всего! Я не несу никакой ответственности за то, что вы случайно нанесёте вред своему здоровью или создадите чёрную дыру, используя знания из этой статьи

Интересно не просто запустить старую железяку
в рабочее состояние, но и проверить, возможно ли используя научный метод освоить совершенно новые области.

Поэтому прежде, чем что-то делать, всегда полезно понять, как оно работает.

Принципы работы электронных микроскопов

Есть два типа электронных микроскопов:

Просвечивающий электронный микроскоп

ПЭМ очень похож на обычный оптический, только исследуемый образец облучается не светом (фотонами), как в оптическом микроскопе, а электронами.

Длина волны электронного луча намного меньше, чем фотонного, поэтому
можно получить существенно б о
льшее разрешение.

Фокусировка и управление электронным лучом осуществляется с помощью электромагнитных или электростатических линз. Им даже присущи те же искажения (хроматические аберрации), что и оптическим линзам, хотя природа физического взаимодействия совершенно иная. Она, кстати, добавляет ещё и новых искажений (закручивание электронов в линзе вдоль оси электронного пучка, чего не происходит с фотонами в оптическом микроскопе).

У ПЭМ есть недостатки: исследуемые образцы должны быть очень тонкие, тоньше 1 микрона, что не всегда удобно в домашних условиях. Например, чтобы посмотреть свой волос на просвет, его нужно разрезать вдоль хотя бы на 50 слоёв. Это связано с тем, что проникающая способность электронного луча гораздо хуже фотонного. К тому же, ПЭМ за редким исключением достаточно громоздки. Вот этот аппарат, изображённый ниже, вроде бы и не такой большой (хотя выше человеческого роста, и имеет цельную чугунную станину), но к нему идёт ещё блок питания размером с большой шкаф, итого занимая целую комнату.

Но разрешение ПЭМ — наивысшее. С помощью него (если сильно постараться) можно увидеть отдельные атомы вещества. ( Фото отсюда
).

Особо полезно такое разрешение для идентификации возбудителя вирусного заболевания. Вся вирусная аналитика 20 века была построена на базе ПЭМ, и только с появлением более дешёвых методов диагностики популярных вирусов (напр. ПЦР
), рутинное использование ПЭМов для этой цели уже не встречается.

Например, вот как выглядит грипп H1N1 «на просвет»: (фото отсюда
)

Сканирующий электронный микроскоп

SEM применяется в основном для исследования поверхности образцов с очень высоким разрешением (увеличение в миллион крат, против 2 тысяч у оптических). А это уже гораздо полезнее в хозяйстве 🙂

К примеру, кто-то
смотрит на новую зубную щётку:

В сканирующем микроскопе узко сфокусированный электронный луч «сканирует» поверхность образца точка-за-точкой, а всевозможные датчики улавливают то, что вылетает из образца после ударов электронами.

— электроны с различными энергиями

— оптическое излучение видимого, инфракрасного, ультрафиолеотового диапазонов

— рентгеновское излучение

—

неведомая хрень

Принцип работы сканирующего электронного микроскопа немного похож на работу электронно-лучевой трубки телевизора (в которой есть и глубокий вакуум, и электронная пушка, и система фокусирующих и отклоняющих линз). Вот, кстати, как он работает при съёмке 1000 кадр/с:

То же самое должно происходить и в электронно-оптической колонне микроскопа, только облучается образец, а не люминофор экрана, и изображение формируется на основе информации с датчиков (вторичных электронов, упруго-отражённых электронов, и прочих).

И кинескоп телевизора, и электронно-оптическая колонна микроскопа работают только под вакуумом.

Вдохновившись картинками
, приступаем к работе.

Электронно-оптическая колонна

Электронно-оптическая колонна микроскопа — это вакуумная камера, в которой расположены:

• электронная пушка, испускающая электронный луч
• система электромагнитных линз, фокусирующих, сдвигающих, раскручивающих и перемещающих луч
• держатель для образца, с возможностью его перемещения и наклона по разным осям
• детекторы излучения различной природы — электронов, рентгеновского, светового диапазонов
• порты для подключения дополнительных устройств
• система управления вакуумом

Электронная пушка (со снятым цилиндром Венельта
):

Управляемый предметный столик (расположен внутри колонны, доступ к нему через специальный шлюз, снаружи его расположение можно узнать по обилию ручек для перемещения и наклона)

I. Разборка, очистка, покраска

Самое первое, что захотелось сделать — это всё основательно отмыть и покрасить поржавевшие детали. Защитные кожухи сверху и сбоку были сняты, под ними оказалось ещё больше пыли, а сталь успела местами соржаветь от действия влаги и воздуха. Хорошо, что сама колонна сделана из нержавейки и так легко не окисляется.

Вакуумная часть (под колонной) в процессе разборки выглядела как-то так:

Снимаем снизу всю вакуумную арматуру, остатки блока управления вакуумом, диффузионный насос, зачищаем и красим дно полуматовой чёрной краской, чтобы было красиво. Сверху снимаем защитные кожухи, видим тридцатилетнюю пыль, всё моем, шкурим и красим. Вот было/стало для сравнения:

Разобравшись с железяками я разблокировал антивибрационную пружинную подвеску колонны и попробовал вывесить колонну в рабочее положение (двухсантиметровый стальной лист и несколько утяжелителей обеспечивают солидность покачивания).

Все части проекта:

Жду ваших комментариев и вопросов, до встречи в следующих сериях!

Сканирование изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ)

Исследовательские микроскопы

Что такое исследовательские микроскопы
? На самом деле ограниченного круга такового оборудования нет, так как даже самый обычный микроскоп в школьной лаборатории также может считаться исследовательским, так как применяется для исследования того или иного объекта.

Преимущества сканирующего электронного микроскопа

1. Он обеспечивает трехмерное и топографическое изображение образца с высокой детализацией.
2. Требуют меньше времени.
3. Требуют минимального действия подготовки образца.
4. Современные SEM производят портативные цифровые данные.
5. SEM прост в эксплуатации при надлежащем обучении.