Возможность решения Институтом широкого круга научных задач на современном уровне определяется использованием новейшего научно-технического оборудования для исследований. Одной из наиболее информативных и универсальных методик изучения биологических (а также промышленных) объектов является сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Универсальность выражается в том, что существует несколько десятков аксессуаров, устанавливаемых на колонну сканирующего электронного микроскопа, и каждый из аксессуаров позволяет решать свои задачи (получение изображений при больших увеличениях, локальный элементный анализ, локальный фазовый анализ и т.д.). Наличие тех или иных приставок превращает базовый прибор в мощный исследовательский комплекс. Сканирующий электронный микроскоп способен исследовать образцы разного размера и формы, единственное ограничение в том, что образец должен помещаться в камеру микроскопа (СЭМ с внутренним диаметром камеры 230 мм достаточен для типичных образцов Института).
Сканирующий электронный микроскоп TESCAN MIRA 3 LMH имеет следующие преимущества:
- Исследование образцов в широком диапазоне увеличений от 2× до 1 000 000× с высоким разрешением (паспортное разрешение микроскопа 1.2 нм).
- Столик образцов позволяет перемещать образцы по X, Y, Z;
- Наклонять образцы в диапазоне от – 80° до + 80°, поворачивать их на 360°;
- Все перемещения столика моторизованы и могут быть запрограммированы, есть возможность воспроизводить сохраненные ранее координаты;
- Наличие в СЭМ электронной пушки с катодом с полевой эмиссией (в отличие от, традиционно используемых, вольфрамовых катодов или катодов LaB6) переводит СЭМ в более высокий класс микроскопов, все характеристики которых существенным образом улучшаются. Например, высокая яркость пучка электронов (которая выше в тысячу раз по сравнению с классическим СЭМ с вольфрамовым катодом) позволяет за короткое время получать насыщенные изображения с хорошим отношением сигнал/шум при больших увеличениях. Наличие СЭМ именно с катодом с полевой эмиссией становится принципиальным, если, например, исследуются при больших увеличениях образцы с тонкой структурой поверхности (каковыми являются многие биологические объекты). В этих случаях можно получить больше информации об образце, если снизить ускоряющее напряжение (HV) пучка электронов, и именно СЭМ с катодом с полевой эмиссией делают работу при низких HV эффективной, без необходимости поиска компромисса между снижением HV и качеством изображений;
- Плавное изменение увеличения во всем диапазоне от 2× до 1 000 000×, что позволяет исследовать общий характер структуры всей поверхности объекта при малых увеличениях и затем детально изучать при бо́льших увеличениях выбранные локальные участки образца. При этом отпадает необходимость в разработке специальных прицельных методов, характерных для оптических микроскопов;
- В микроскопах марки TESCAN используется запатентованная технология Wide Field OpticsTM, которая, в частности, позволяет работать в режиме сканирования с расширенной глубиной резкости, что принципиально при изучении поверхностей с развитым рельефом. Большая глубина резкости — это второе (после пространственного разрешения) существенное преимущество СЭМ перед оптическими микроскопами. Типичный СЭМ состоит из электронно-оптической колонны, блока электроники и управляющего компьютера (иногда колонна и блок электроники объединены).
У всех современных СЭМ изображения формируются сразу в цифровом формате. Сравнение СЭМ с другими распространёнными микроскопическими техниками условно можно представить себе следующим образом, рис. 1: а) оптическая микроскопия — цветные снимки при малых и средних увеличениях; б) сканирующая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при малых, средних и больших увеличениях, объекты на снимках выглядят объёмными; в) просвечивающая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при больших и очень больших увеличениях, объекты на снимках выглядят плоскими.
Рисунок 1. Типичные изображения: а - оптического микроскопа; б - сканирующего электронного микроскопа; в - просвечивающего электронного микроскопа.
В колонне СЭМ есть, сверху вниз: электронная пушка, где формируется пучок электронов; набор электромагнитных катушек, которые этот пучок фокусируют; камера образцов, где размещаются образцы. В наименовании СЭМ есть слово «сканирующий», потому что при построении СЭМ-изображений тонко сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность образца, т.е. закрашивает образец точку за точкой. СЭМ-
изображение формируется вслед за движением электронного пучка последовательно во времени, пиксель за пикселем. Для сравнения, фотографирование на фотоплёнку — это параллельный способ формирования изображения, потому что все зёрна фотоплёнки засвечиваются одновременно. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения СЭМ можно добиться. Типичный диаметр электронного пучка <10 нм, хотя эта величина сильно зависит от конструкции и настроек СЭМ. При взаимодействии сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца генерируется множество ответных сигналов. Каждый тип сигнала особенно чувствителен к определённому свойству образца, для регистрации каждого типа сигнала нужна своя конструкция детектора. Свойства образца, наблюдение которых возможно в СЭМ, это: топография поверхности образца, композиционный контраст, состав микрокомпонентов, ориентационный контраст, а также более тонкие особенности, которые труднее выявить, такие как различия в проводимости, в магнитных свойствах, наличие дефектов кристаллической структуры, наличие микропримесей;
- Оригинальная технология 3D Beam, запатентованная компанией TESCAN, дает возможность работать с «живыми» стереоизображениями микро– и нано–объектов в реальном времени, что незаменимо при анализе образцов со сложной топографией.
- Пиксельный размер изображений вплоть до 16 384 × 16384 пикселей, 11 ступеней размера изображения на выбор. Принципиально при анализе морфологических свойств множества мелких объектов на одном кадре с хорошей статистической достоверностью;
- Прочие технические особенности: модернизированная электроника и сверхбыстрая система сканирования (от 20 нс/пиксель) с компенсацией статических и динамических аберраций; немерцающее цифровое изображение; отсутствие механически центрируемых элементов в колонне микроскопа (дополнительная электромагнитная линза работает в качестве устройства смены апертуры, что проще в управлении по сравнению с механической заменой апертур).
В качестве приставок к СЭМ TESCAN MIRA 3 LMH имеются:
- Классический детектор для получения электронных изображений - детектор вторичных электронов SE (secondary electrons). Сигнал вторичных электронов чувствителен к рельефу поверхности образца, поэтому SE-детектор используют тогда, когда изучают морфологию поверхности. Например, SE-детектор нужен для наблюдения биологических образцов, изломов, пор, микрорельефа и симбионтов поверхности, для понимания общего вида образцов (рис. 2).
Рисунок 2. Пример изображения во вторичных электронах (SE). Сталь, строчечные включения сульфида марганца на поверхности излом
- Детектор для получения электронных изображений, на которых объекты разного состава представлены разными оттенками - детектор отраженных электронов BSE (back scattered electrons). Сигнал отражённых электронов чувствителен к композиционному контрасту, т.е. компоненты образца, имеющие разный состав, будут иметь разные оттенки в градациях серого на BSE-изображениях (рис. 3). Это позволяет визуализировать разницу в составах между составляющими образца.
Рисунок 3. Пример изображения в отраженных электронах (BSE).
- Система энергодисперсионного микроанализа EDS Aztec One X-act (energy dispersive spectroscopy), которая выполняет элементный анализ микровключений с чувствительностью <0,1% масс. Это следующий шаг после
визуализации разницы в составах на BSE-снимках, а именно: определение этих составов. Детектор EDS позволяет определять элементный состав микровключений и микрочастиц. Анализируется именно элементный состав, а не химический, молекулярный, минеральный, изотопный или какой-либо ещё. На рис. 4 приведён пример локального анализа составов с помощью детектора EDS, в качестве подложки использовано изображение с детектора обратно отражённых электронов. Детектор EDS определяет составы локально, по отдельности для каждого микрокомпонента образца, что иногда бывает важнее, чем точность анализа. Например, с помощью EDS-детектора можно установить, из каких элементов состоит неметаллическое включение в очаге излома. Определяется состав того участка образца, куда в данный момент направлен узкий пучок электронов. Ещё одно достоинство EDS-анализа заключается в том, что этот вид анализа не требует каких-либо реагентов. Даже наличие стандартных образцов у EDS-метода — это опция, уточняющая результат, а не необходимость.
Рисунок 4. Пример анализа элементного состава микрокомпонентов образца с помощью EDS-детектора, в качестве подложки использовано изображение с детектора обратно отражённых электронов. Полированный образец анодного шлака