Электронная микроскопия основана на взаимодействии электронного пучка с образцом, что позволяет получать изображение с разрешением значительно выше, чем в оптической микроскопии. Основное отличие заключается в длине волны используемого излучения: электроны имеют длину волны в несколько порядков меньше видимого света, что обеспечивает пространственное разрешение на уровне отдельных атомов.
Существуют два основных типа электронных микроскопов: просвечивающие (TEM) и сканирующие (SEM). TEM позволяет изучать внутреннюю структуру образца, формируя изображение за счёт прохождения электронов через ультратонкие срезы. SEM обеспечивает детальное отображение поверхности объектов, регистрируя вторичные электроны, испускаемые при взаимодействии пучка с образцом.
Ключевым этапом является подготовка образцов, так как электроны сильно рассеиваются в веществе. Для TEM образцы должны быть ультратонкими (50–100 нм), что достигается микротомией или криоразделкой. Для SEM подготовка менее требовательна к толщине, но часто требуется покрытие поверхности тонким слоем проводящего материала, например золота или углерода, чтобы уменьшить зарядку и улучшить контраст.
Криоэлектронная микроскопия (cryo-EM) позволяет сохранять биологические структуры вблизи естественного состояния без фиксации и дегидратации, что существенно расширяет возможности исследования макромолекул и супрамолекулярных комплексов.
Электронная микроскопия требует усиления контраста, так как многие биологические материалы практически прозрачны для электронов. Применяются методы пятнования тяжёлыми металлами (уротропин, осмий, тантал), связывающимися с отдельными химическими группами, что позволяет выявлять структурные элементы. В крио-EM контраст формируется преимущественно за счёт фазовых различий, что минимизирует артефакты.
Для изучения специфических компонентов используют иммуноэлектронное контрастирование, при котором антитела, меченные золото-наночастицами, связываются с определёнными белками или супрамолекулярными комплексами. Этот метод позволяет локализовать отдельные молекулы с нанометровой точностью.
Пространственное разрешение TEM может достигать 0,1–0,2 нм, что позволяет визуализировать отдельные атомы в кристаллических структурах. SEM обеспечивает разрешение на уровне 1–10 нм для поверхности образца.
Ключевыми источниками артефактов являются механическое повреждение, дегидратация, воздействие электронного пучка и неправильно выбранные методы контрастирования. Минимизация артефактов достигается сочетанием крио-методов, низких доз облучения и аккуратной подготовки образцов.
Электронная микроскопия является незаменимым инструментом для изучения организации супрамолекул, самоассамблей и наноструктур. TEM позволяет визуализировать нанокапсулы, липосомы, циклические и порфириновые комплексы, а SEM — морфологию наноструктурированных поверхностей.
Ключевые возможности применения:
Сочетание электронной микроскопии с другими аналитическими подходами повышает информативность исследований. Например:
Электронная микроскопия формирует основу количественного и качественного анализа наноструктур и супрамолекул, обеспечивая прямое наблюдение структур на уровне отдельных молекул и атомов, что невозможно при использовании исключительно оптических методов.