Трехмерная электронная микроскопия в реальном времени


А. ЗЕВАЙЛЬ, ДЖ. ТОМАС





                ТРЁХМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ




Перевод с английского А.В. Сухова







л

                                                     Издательский Дом
                                                     ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2013

   А. Зевайль, Дж. Томас
     Трёхмерная электронная микроскопия в реальном времени: Учебное пособие / А. Зевайль, Дж. Томас — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013. — 328 с., цв. илл.
     ISBN 978-5-91559-102-7


      Книга написана двумя признанными авторитетами в области физической химии и биологии — проф. Ахмедом Зевайлем из Калифорнийского Технологического Института и проф. Джоном Томасом из Оксфордского Университета.
       Учебное пособие посвящено последним достижениям в электронной микроскопии, которые позволяют современным ученым проводить наблюдения субнанометровых объектов и химических реакций не просто в 3D пространстве, но ещё и в динамике, фиксируя в реальном времени сам процесс перемещения атомов и их взаимодействия друг c другом. Рассмотрены физические принципы, позволяющие проводить прямое наблюдение органических и неорганических объектов на атомарном масштабе и их поведения в ультракоротких временных диапазонах.
       На конкретных примерах рассмотрены возможности визуализации объектов с использованием как отдельных методов электронной микроскопии, так и их сочетания, что в свою очередь существенно повышает информативность и достоверность получаемых данных.
       Основная идея авторов — показать, что электронная микроскопия микро- и наномира, даже в самых, казалось бы, фантастических задачах и исследованиях, не ограничивается более лишь статичной картинкой, позволяя ученым заглянуть гораздо глубже, как в пространственных масштабах, так и в динамике.
       Книга будет чрезвычайно полезной и интересной для всех специалистов и, в том числе, для студентов, чьи профессиональные интересы так или иначе связаны с нанотехнологиями.














    ISBN 978-5-91559-102-7
    ISBN 978-1-84816-390-4 (англ.)

                                               © 2010, Imperial College Press
                                               © 2013, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригинал-макет

         ОГЛАВЛЕНИЕ











   Благодарности....................................................7
   Предисловие......................................................9

   Глава 1
   РЕТРОСПЕКТИВА: ОТ КАМЕРЫ ОБСКУРА ДО ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ .............................................12
       Литература...................................................21

   Глава 2
   ПОНЯТИЕ КОГЕРЕНТНОСТИ В ОПТИКЕ И ЭЛЕКТРОННОЙ ОПТИКЕ..........................................................23
       2.1. Когерентность: упрощенное введение......................24
       2.2. Оптическая когерентизация состояний атомно-молекулярных систем......................................................27
       2.3. Когерентность при дифракции............................33
          2.3.1. Критерий Рэлея и разрешение.......................33
          2.3.2. Дифракция электронов на атомах и молекулах........39
       2.4. Когерентность и дифракция в кристаллографии............44
       2.5. Когерентность в процессах построения изображения.......49
          2.5.1. Базовые подходы...................................49
          2.5.2. Когерентность источника, продольная и поперечная..57
          2.5.3. Построение изображения в электронной микроскопии..59
       2.6. Приборные факторы, ограничивающие когерентность........67
       Лите.....................................................ратура..................................................69

   Глава 3
   ОТ ДВУМЕРНОГО К ТРЕХМЕРНОМУ СТРУКТУРНОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ. Основополагающие подходы...........................71
       3.1. Двумерное и трехмерное изображения .....................74
       3.2. Электронная кристаллография: комбинация дифракции и изображения................................................81
       3.3. Высокоразрешающая сканирующая электронная просветная микроскопия.......................................83

—I Оглавление

            3.3.1. Использование STEM для электронной томографии неорганических материалов...................................88
         3.4. Биологические и другие органические материалы.............90
            3.4.1. Визуализация архитектуры макромолекул при помощи криоэлектронной томографии .................................93
         3.5. Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS) и изображение при энергетически фильтрованной ТЕМ............................94
            3.5.1. Сочетание EELS и ЕТ в клеточной биологии................96
         3.6. Электронная голография.......................................97
         Литература........................................................99

     Глава 4
     ПРИЛОЖЕНИЯ ДВУ- И ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЙ И СОПУТСТВУЮЩИХ МЕТОДИК..............................................102
         4.1. Введение....................................................102
         4.2. Кристаллография в реальном пространстве посредством HRTEM и HRSTEM................................................103
            4.2.1. Капсулированные нанокристаллические структуры..........103
            4.2.2. Частицы нанокристаллического платинового катализатора .103
            4.2.3. Микропористые катализаторы и молекулярные сита.........104
            4.2.4. Другие цеолитные структуры.............................106
            4.2.5. Структуры сложных окисных катализаторов, определенные HRSTEM.....................................................106
            4.2.6. Значение дифракции электронов в определении трехмерной структуры..................................................109
         4.3. Электронная томография......................................110
         4.4. Электронная голография......................................112
         4.5. Электронная кристаллография.................................114
            4.5.1. Другие сложные неорганические структуры................115
            4.5.2. Сложные биологические структуры........................117
         4.6. Спектроскопия потери энергии электронами и изображение....120
         4.7. Атомное разрешение ТЕМ при газовом окружении образца........123
            4.7.1. Электронная микроскопия атомного разрешения при внешнем давлении, использующая технологию микроэлектромеханических систем......................................................129
         Литература.....................................................131

     Глава 5
     ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ (основы) ..................................................136
         5.1. Временное разрешение масштаба атомных движений..............136
            5.1.1. Корпускулярно-волновой дуализм материи.................136
            5.1.2. Аналогия со светом.....................................140

Оглавление \^        5

        5.1.3. Классические атомы: волновые пакеты.........................141
        5.1.4. Исследование модельного случая: два атома...................145
     5.2. От статической фотографии к сверхскоростному изображению........................................................151
        5.2.1. Высокоскоростные затворы....................................151
        5.2.2. Стробоскопия................................................155
        5.2.3. Сверхскоростные методики....................................157
        5.2.4. Фемтосекундные лазеры.......................................162
     5.3. Одноэлектронное построение изображений...........................166
        5.3.1. Когерентность сверхбыстрых пакетов..........................166
        5.3.2. Возвращаясь к эксперименту с двумя щелями ..................172
        5.3.3. Сверхскоростное изображение по сравнению со скоростным......176
        5.3.4. Невязка скоростей и аттосекундный режим.....................179
     5.4. Микроскопия в реальном времени: яркость, когерентность и вырождение.......................................................188
        5.4.1. Объем когерентности и вырождение............................191
        5.4.2. Яркость и вырождение .......................................193
        5.4.3. Когерентность и контраст ...................................198
        5.4.4. Контраст, доза и разрешение.................................201
     Дополнительная литература.............................................203
     Литература............................................................204

Глава 6
ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ (достижения и приложения) .......................................207
     6.1. Достижения Калифорнийского технологического института. Краткая история....................................................207
     6.2. Установки и методики.............................................209
     6.3. Структура, морфология и             механика.....................223
        6.3.1. Динамика изображения (дифракции) избранной площади..........223
        6.3.2. Динамика морфологии: кривизна, зависимая от времени.........224
        6.3.3. Подтверждение принципа: динамика золота ....................226
        6.3.4. Модельный случай: графит в реальном времени ................232
              6.З.4.1. Атомные движения....................................232
              6.3.4.2. Когерентные резонансы в дифракции: продольный модуль Юнга......................................................237
              6.3.4.3. Резонансы в изображениях: продольнаяупругость ......241
              6.3.4.4. Появление механического звона: поперечная упругость.242
              6.3.4.5. Динамика муаровых штрихов...........................244
              6.3.4.6. FEELS: фемтосекундная EELS и химические связи.......247
     6.4. Другие приложения (выборочно)....................................252
        6.4.1. Структурные фазовые переходы................................252
              6.4.1.1. Переход проводник-диэлектрик........................252
     Литература............................................................257

—I Оглавление

Глава 7

СРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА И СИНХРОТРОНА...........................................................262
    7.1. Введение..................................................262
    7.2. Рентгеновская просветная микроскопия и микроскопическая томография....................................................265
        7.2.1. Рентгеновская томография биологических клеток............267
    7.3. Изображение при когерентной дифракции рентгена.................269
    7.4. Определение структуры по порошковым образцам...................272
        7.4.1. Определение структур ультрамикрокристаллических образцов.273
        7.4.2. Дифракция рентгена с энергетической дисперсией...........273
        7.4.3. Рентгеновская спектроскопия тонкой структуры (EXAFS) ....275
        7.4.4. Комбинация поглощения и дифракции рентгена для изучения порошковых катализаторов..................................277
    7.5. Исследование растворенных веществ..............................278
    7.6. Статическая и динамическая кристаллография Лауэ................283
    7.7. Вечная проблема радиационного повреждения......................285
    7.8. Окончательная оценка...........................................286
    Литература..........................................................289

Глава 8
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ (прошлое, настоящее и будущее)..........................................294
    8.1. Визуализация и сложность..................................294
    8.2. Парадокс сложности: когерентность и созидательный хаос ........300
    8.3. От дву- и трехмерной к микроскопии в реальном времени..........302
    8.4. Грядущее развитие..............................................308
        8.4.1. Материаловедение.........................................308
        8.4.2. UEM в биологии...........................................309
        8.4.3. Структурная динамика: теория и эксперимент...............311
        8.4.4. Изображение ориентированных и одиночных молекул..........315
        8.4.5. Изображение аттосекундными электронами ..................319
    8.5. Заключение.....................................................322
    Литература..........................................................323

БЛАГОДАРНОСТИ










             Наука и техника, обсуждаемые в этой книге, — результаты преданных усилий наших студентов и сотрудников, а также коллег по всему миру. Написание и подготовка окончательного манускрипта, однако, потребовало внимания и интереса нескольких конкретных людей. Мы в большом долгу перед доктором Дмитрием Шороховым из Калтеха за его неустанные усилия по разработке содержательного и хорошо иллюстрированного текста, и за его старание закончить работу вовремя. Нам были очень полезны многочисленные обсуждения с нынешними членами Центра физической биологии Калтеха и Отделения материаловедения и металлургии Кембриджского университета, особенно с П.А. Мидг-ли, с которым мы обсуждали некоторые наши мысли и концепции. Специальные благодарности К. Дж. Хамфризу из Кембриджа и М. Шерги из EPEL в Лозанне за их глубокие и полезные отзывы на манускрипт.
      Джон Спенс, мировой эксперт в области электронной микроскопии, просмотрел книгу целиком и сделал полезные предложения и детальные комментарии ранней версии манускрипта. Мы очень ценим бесценные комментарии Джона. При написании текста мы открыли дискуссию и переписку со многими коллегами: В. Баумайстер, Е.Д. Бойз, В. Чу, Р.А. Кроутер, К. Дукати, Р.Е. Дунин-Боровский, Р.Ф. Эгертон, М.А.А. Франко, П.Л. Гаи, Р.М. Глэзер, Х.М. Гонзалес-Калбет, Ы. Хельвег, Р. Хендерсон, Х.-К. Эрнандес-Гарридо, А. Хоуи, А.Б. Хунгрия, М. Хосе-Якаман, Г.Дж. Йенсен, К.Дж. Кили, А.И. Киркланд, А. Клуг, Р.Д. Липман, Б.М. МакКой, С. Мехия-Розалес, Дж.М. Плицко, О. Терасаки, М.М.Дж. Треси, П.А. Райт, У. Цайилер и В. Жоу. А.Х. Зевайль хочет поблагодарить всех членов, прошлых и нынешних, группы Калтеха, внесших значительный вклад в изложенный здесь материал.

—I Благодарности

       С благодарностью отмечаем финансовую поддержку Фонда Гордона и Бетти Мур, Национального научного фонда и Управления научных исследований ВВС США, сделавшие возможным научные успехи в Калтехе. Также благодарим за административную поддержку Де Энн Льюис и Мэгги Сабанпан (особенно в течение визитов Дж.М. Томаса в Пасадену), а также доктора К.К. Пхуа и магистра Сук Чен Лима из Imperial College Press — за энтузиазм опубликовать книгу вовремя.
       Напоследок, но не в последнюю очередь, мы хотим отметить неквалифицированную, но любовную помощь наших семей.

ПРЕДИСЛОВИЕ









               Наши намерения при написании этой книги были тройственными: дистилляция, передача и предсказание уникальных новых знаний. Мы решились систематизировать и вспомнить многие выдающиеся достижения, уже совершенные электронной микроскопией, и сфокусироваться на том, что считаем ключевыми возможностями ее дальнейшего развития, что и делаем в нетрадиционной манере, соединяя основы микроскопии с возникающими новыми концепциями и достижениями.
       Для начала мы выделяем основные принципы изображения и дифракции и тем самым освещаем центральную роль понятий когерентности и интерференции. Один из нас впервые начал работать с электронным микроскопом 40 лет назад, пользуясь им, в основном, как средством для решения некоторых задач в его основной области деятельности — химии твердых тел, катализе и науке о материалах и поверхностях. Две главы посвящены различным возможностям применения статической двумерной и трехмерной электронной микроскопии как органических, так и неорганических материалов и биологических структур, включая белки, вирусы и молекулярные машины.
       Основная тема книги — новое достижение Калтеха, трехмерная электронная микроскопия в реальном времени. Поскольку для визуализации атомного движения необходимо снимать миллион миллионов кадров в секунду, временное разрешение записи в реальном времени гораздо превосходит быстродействие человеческого мозга (миллисекунды). Каждый из нас страстно верит, что дополнение статического изображения временной координатой открывает неимоверное разнообразие возможностей, особенно в исследовании подробностей фундаментальных процессов динамики. Известно, что с помощью электронного микроскопа (ЕМ) мож

¹⁰ -V

Предисловие

    но получить информацию трех видов: в прямом, обратном и энергетическом пространствах. Мы используем термин четырехмерная электронная микроскопия для обозначения трехмерной в реальном времени. Четыре координаты — это три пространственных координаты и время.
     Временное разрешение ЕМ на десять порядков превосходит обычные видеокамеры, давая возможность углубиться в рассмотрение различных процессов в реальных масштабах пространства и времени, от микронно-субсекундных до ангстремно-фемтосекунд-ных. С такими разрешениями при использовании настольного инструмента современная трехмерная электронная микроскопия в реальном времени (по сравнению, например, с синхротронным излучением) уникальна в исследовании новых явлений и получении новых знаний. По этим причинам мы посвящаем несколько глав принципам этого подхода, подчеркивая концепцию и преимущества упорядоченного во времени одноэлектронного построения изображения в прямом, Фурье- и энергетическом пространствах. Обсуждаются возможности и несомненные преимущества использования временного разрешения при рассмотрении пространственной и временной когерентностей, яркости и вырожденности электронов при генерации ультракороткими пакетами и в отсутствие эффектов пространственного заряда.
     Применять временное разрешение можно при рассмотрении физических, химических и биологических систем. Также обсуждаются недавние успехи спектроскопии потери электронной энергии (EELS), томографии и голографии. Завершается книга взглядом в будущее.
     Эта книга не уникальна — есть много других полезных для практики книг по электронной микроскопии. Но именно здесь обсуждаются новые парадигмы, концепции и разработанные методики, включая значительные успехи, применяемые для получения информации в физических и биологических науках. Авторы кое-что понимают в лазерной физике, знакомы с преобразованием Фурье и кристаллографическими процедурами, но при этом были предприняты некоторые дидактические усилия, чтобы сделать изложение в каждой главе самодостаточным.
     Первая версия была написана в Пасадене в августе—сентябре 2008 г. В течение этого времени мы работали с маниакальным рвением по 12 часов в день, чтобы воздать должное существующей

Предисловие          11

  обширной литературе и многочисленным недавним достижениям. С тех пор, и до отсылки рукописи издателю, появилось много новых замечательных результатов, главные из которых были включены в книгу.
     Мы надеемся, что читатель разделит наш энтузиазм по поводу книги и что нам удалось привлечь широкую читательскую аудиторию из многих областей науки, техники и медицины. Но особые надежды мы возлагаем на то, что нам удастся привлечь много молодых (и старых!) читателей в эту область деятельности.


Ахмед X. Зевайль, Пасадена
Джон М. Томас, Кембридж

ГЛАВА

1

РЕТРОСПЕКТИВА: ОТ КАМЕРЫ ОБСКУРА ДО ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ






           За время жизни на Земле весьма примечательны успехи людей в наблюдении очень большого и очень малого. Хотя зоркость человеческого глаза не лимитирована дифракцией, его пространственное и временное разрешение не лучше 100 мкм и долей секунды соответственно, как показано в гл. 2. Сегодня мы вооружены инструментами с нанометровым пространственным разрешением, а во временном движемся к фемтосекундам и аттосекундам (рис. 1.1, см. цв. вклейку, и 1.2, см. также гл. 8).
    Как это начиналось? Сначала была сила света, сопутствовавшая человеку все эти тысячелетия (рис. 1.3). Основные подходы к изображению мелких объектов разработал еще арабских мудрец Альхазен (Ибн аль-Хайтам, 965—1040 гг.). Его замечательные работы были опубликованы в Книге оптики, или Китаб аль-Мана-зир (рис. 1.4).
    Он признан как за свои количественные опыты, так и за рассуждения о преломлении и отражении, еще до работ Кеплера, Декарта, да Винчи, Снеллиуса и Ньютона. Но особенно для нашей темы важен его концептуальный анализ камеры обскура, «темной комнаты», которая пробудила интерес к фотографии у лорда Рэлея в 1890-е гг. [1]. Идея Альхазена, что свет распространяется по прямым, а изображение должно быть перевернуто, ничем не отличается от современных представлений, показанных на рис. 2.8!
    В XIV—XV столетиях в Европе было развито искусство полировки линз, и параллельно родилась идея оптической микроскопии. В 1665 г. Роберт Хук (человек, введший слово «клетка») издал свое исследование «Микрография» (рис. 1.5). Одновременно Антон ван Левенгук использовал простейший однолинзовый микроскоп для исследования крови, насекомых и других объектов. Он, в частности, первым визуализировал бактерии. Более чем через сто

Глава 1. Ретроспектива: от камеры обскура до изображений в реальном времени —J 13

лет физик, врач и египтолог Томас Янг продемонстрировал интерференцию света, это достижение произвело революцию в наших представлениях о свете. Его эксперимент с двумя щелями в 1801 г., выполненный в Королевском институте в Великобритании, привел к крушению Ньютоновской корпускулярной теории света.




Атомное разрешение, движение отдельных молекул

Переходные состояния и реакции

| IVR и продукты реакций |

Фемтохимия

| Радрасподный 11 Вращательные движения |1 Колебания |               Основы

| Физические

Химические

■Биологические

    Рис. 1.2. Временные масштабы, свойственные физике, химии и биологии. Фундаментальный предел колебательных движений определяет режим фемтохимии. Приведены примеры всех изменений и масштабов [21]

    Здесь важно явление дифракции, обусловленное интерференцией волн (когерентностью), и позднее было выяснено, что это явление позволяет определять межатомные расстояние в молекулярных и кристаллических структурах. Это открыл фон Лауэ в 1912 г., и позднее в этом же году разъяснил У.Л. Брэгг.
    Разрешение микроскопического изображения достигло совершенно нового уровня благодаря двум основным изобретениям. В 1878 г. Эрнст Аббе сформулировал математическую теорию, связывающую разрешение с длиной волны (помимо того, что мы те

—J Глава 1. Ретроспектива: от камеры обскура до изображений в реальном времени

перь называем эмпирическим критерием Рэлея для некогерентных источников), и позволяющую оптимизировать параметры для достижения высокого разрешения. В начале XX в. Рихард Жиг-монди в развитие работ Фарадея и Тинделла [2] разработал «ультрамикроскоп» для исследования коллоидных частиц. За ним последовали работы Фрица Цернике в 1930-е гг., которые ввели в микроскопию понятие фазового контраста. Стало понятно, что разрешение микроскопа ограничено длиной волны света.


Рис. 1.3. Значение света для жизни в понимании Эхнатона и Нефертити более трех тысячелетий назад. Обратите внимание на схему лучей от сферического (точечного) источника — Солнца

       Прямо перед началом XX столетия Дж.Дж. Томсон ввел понятие «корпускулы» (электрона). С последующим всеобъемлющим влиянием квантовой механики на физику и смежные науки в первые три десятилетия XX в., в 1924 г., Луи де Бройль сформулировал концепцию корпускулярно-волнового дуализма. С учетом волнового характера электрона к рассмотрению была привлечена его дифракция и изображение в электронном пучке.
       Первое подтверждение волнового характера электрона было реализовано в 1927 г. Дэвиссоном и Джермером (дифракция от