Биофизическая химия. Том 2 - Кантон Ч.
Скачать (прямая ссылка):
с длиной волны 6000 А здесь нет никаких проблем. Итак, у разных методов
свои относительные преимущества, и все определяется тем, что именно нас
интересует. В следующих разделах мы кратко остановимся на специфических
возможностях ряда методов, которые по сути подобны методу рентгеновского
рассеяния.
14.4. Электронная микроскопия
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ДИФРАКЦИИ ОТ ТВЕРДОГО ТЕЛА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО
МИКРОСКОПА
Рассмотрим, как с помощью метода электронной дифракции определяется
структура тонких образцов в электронном микроскопе. Схема эксперимента
представлена на рис. 14.13.
Длина волны электрона (или любой другой частицы) дается соотношением де
Бройля
X = h/mev (14.43)
где те - масса электрона, v - его скорость, a h - постоянная Планка. Если
первоначально покоящиеся электроны ускоряются разностью потенциалов Ф,
они приобретают кинетическую энергию (l/2)wet>2 = еФ. Объединяя это
выражение с уравнением (14.43) и подставляя соответствующие численные
значения для массы электрона, его заряда и для постоянной Планка,
получаем
А=12,3/7ФА (14-44)
где Ф выражается в вольтах. Отсюда следует, что длина волны электронов,
ускоренных в поле 100 000 В, близка к 0,04 А, что вполне подходит для
определения структуры молекул. В принципе, поскольку длина волны здесь
меньше, чем в случае рентгеновских лучей, структуру можно определять еще
точнее. Электронная дифракция в газовой фазе позволяет исключительно
точно определять структуру малых молекул. Электроны легко тормозятся или
поглощаются в тонких слоях любых веществ, поэтому эксперименты необходимо
проводить в вакууме. Образцы обычно помещают на тонкую золотую пленку-
подложку. Бомбардировка электронами может вызывать в образце значительные
повреждения. Это означает, что допустимы лишь достаточно малые
интенсивности облучения, и получающийся в результате контраст между
образцом и пленкой-подложкой оказывается низким.
В обычном электронном микроскопе контраст повышают при помощи тяжелых
атомов. Однако, как обсуждалось в гл. 10, такое контрастирование приводит
к ухудшению разрешения и может, кроме того, быть причиной сильных
искажений в исследуемой структуре. Для тех измерений, о которых идет речь
ниже, обычно необходимо использовать неконтрастированные образцы.
Вдобавок к этому надо следить за тем, чтобы структура не искажалась в
результате высушивания, которое требуется при работе в вакууме. Один из
способов достичь этого в случае тонких кристаллических срезов состоит в
том, чтобы заменить водный растворитель, содержащийся в кристалле,
нелетучей жидкостью. Дальнейшее обсуждение касается только такого тонкого
образца.
430 ГЛАВА 14
Функция
пропускания Л(хс. >")
Аморфный
материал
Сложный кристалл с большой периодичностью
Фурье-преобра- >
Дифрак-
картина /(Л, Аг)
Передаточная функция exp \ix(Л, Аг))
Фурье-преобра- "
Фурье-
преобра-
Sin X
Cos X
Измеренные
амплитуды,
рассчитанные
фазы
Амплитуда
изображения
Фурье-
преобра-
Изображение
РИС. 14.13 Дифракция электронов и формирование изображения в электронном
микроскопе. А. Гео-метрическая оптика. Б. Волновая оптика. (Crowley J.M.,
Iijima S., Physics Today, March 1977, p. 32.)
ДРУГИЕ МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ РАССЕЯНИЕ И ДИФРАКЦИЮ 431
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА
Наш тонкий образец - это двумерная решетка, расположенная в плоскости,
перпендикулярной направлению падения электронов. Вся дифракционная
картина будет находиться в плоскости, параллельной плоскости образца11
(рис. 14.13). Однако эта картина искажена вследствие несовершенства
оптики, которая используется для фокусирования электронного пучка. Это
искажение представляется передаточной функцией, показанной на рис. 14.13.
Последующее фокусирование дифракционной картины дает изображение
структуры. Однако это - искаженное изображение, и, кроме того, контраст
его низок, так как образец не прокрашен. Даже используя методы фурье-
усреднения, описанного в гл. 10, трудно получить структурную информацию с
высоким разрешением.
По сравнению с низким качеством изображения качество данных в плоскости
дифракции является превосходным, поскольку в них представлено среднее по
многим элементарным ячейкам. Видны резкие пятна (рис. 14.14^4 ).
Интенсивности в картине дифракции могут быть точно измерены. Однако, для
того чтобы по этой картине воссоздать структуру, нам нужны еще фазы и
поправочные множители для передаточной функции. Де Розье и Клуг показали,
что фазы можно определить, рассчитывая картину дифракции с помощью фурье-
преобразования изображения. Затем, зная оценки для фаз и измеренные
интенсивности дифракции, можно провести синтез Фурье и получить структуру
- в точности так, как этО делалось в рентгеновской дифракции.
Первыми, кто выполнил электронно-микроскопическое определение структуры с
высоким разрешением на непрокрашенных биологических образцах, были Ануин
и Хендерсон. Стадии этого процесса иллюстрируются на рис. 14.14. Объектом
