Растровая электронная микроскопия почв
Автор: профессор, д.б.н. П.Н.Балабко
I. Организационно-методический раздел
Цель курса — познакомить студентов с методами поэтапного изучения морфологической организации почвенных тел на разных уровнях макро-, мезо- и микростроения в сочетании с традиционными методами анализа почв, научить студентов диагностировать почвенные процессы путем сопряженного анализа экологических условий, морфологии почвенного профиля, химических, физических и физико-химических свойств почв.
Задачи курса включают: Представление о почве как сложноорганизованном природном теле. Учение об уровнях морфологической организации почвенных тел. Знакомство с методами полевой и лабораторной морфоаналитической диагностики почв. Микроморфологическая диагностика почвенных процессов естественных и антропогенно измененных почв. Диагностика почв на основании сопряженного анализа морфологии, химических и физических свойств почв. Морфоаналитическая диагностика основных типов почв природных зон России.
Место курса в профессиональной подготовке выпускников. Спецкурс читается студентам кафедры общего земледелия на 4 курсе в 7-ом семестре после прослушивания основных курсов: почвоведение, география почв, агрохимия, методы исследования почв, физика почв, химия почв, земледелие и растениеводство. Прослушивание лекций по этому спецкурсу и лабораторные занятия позволяют получить углубленные знания о сложном строении почв, а также провести раннюю диагностику почвенных процессов в целинных и пахотных почвах.
Требования к уровню освоения содержания курса. По окончании спецкурса студенты должны уметь работать со световыми и электронными микроскопами, знать методику приготовления шлифов из образцов почв ненарушенного сложения, владеть навыками микроморфологического описания почв и интерпретации микростроения с целью выявления диагностических признаков ведущих почвообразовательных процессов.
II. Содержание курса
Вклад русских ученых в становление и развитие морфоаналитической диагностики почв. Работы зарубежных исследователей по микроморфологии почв. Значение Международной рабочей группы по распространению знаний о микростроении почв.
- Полевые методы макро-, мезоморфологической и аналитической диагностики почв.
- Лабораторная мезоморфологическая и аналитическая диагностика почв.
- Микроморфологическая диагностика почв.
- Аналитическая диагностика почв.
- Морфоаналитическая диагностика основных типов почв России.
Темы и краткое содержание
Введение. Основные цели и задачи сопряженного анализа морфологии, физических и химических свойств почв.
Тема 1. Полевая макро,- мезоморфологическая и аналитическая диагностика почв. Приборы и реактивы для полевой морфоаналитической диагностики почв. Планиметрические, спектрофотометрические и хемографические методы изучения почвенного профиля. Унификация методов морфологического описания почв. Базовые шкалы свойств морфологических элементов почв. Морфометрия и статистическая обработка морфологических признаков почв. Сопоставление данных морфологии и результатов некоторых аналитических определений для диагностики почвенных процессов.
Практическое занятие № 1 (проводится в полевых условиях). Выбор участка для заложения разреза или траншеи и организация рабочего места для размещения лабораторного оборудования с целью детального изучения морфологической организации почвенного профиля. Применение шкалы Мансела для определения цвета почв. Полевое определение рН, ОВП, карбонатов, легкорастворимых солей, окисного и закисного железа, плотности и структурного состояния. Анатомирование профиля почвы и отбор образцов с ненарушенным сложением для последующего изготовления аншлифов и шлифов почв, а также дифференцированный отбор проб почв для дальнейшего их изучения в лаборатории.
Тема 2. Лабораторная мезоморфологическая и аналитическая диагностика почв. Схема детального мезоморфологического описания образцов почв с ненарушенным сложением. Изучение морфологических элементов под микроскопом в отраженном свете. Микрохимические реакции на содержание в почвенном образце органического вещества, соединений железа, карбонатов, аморфного кремнезема, легкорастворимых солей. Сопоставление результатов мезоморфологического описания свежих образцов, проведенного в поле с таковым в лаборатории. Мезоморфологическая диагностика гумусо-аккумулятивных, элювиальных, иллювиальных, карбонатных и засоленных горизонтов и профилей основных типов почв. Преимущества и недостатки мезоморфологической диагностики почв.
Практическое занятие № 2. Мезоморфологическое описание (по схеме) образцов профиля подзолистых, серых лесных и болотных почв.
Практическое занятие № 3. Мезоморфологическое описание профилей черноземов и каштановых почв.
Тема 3. Микроморфологическая диагностика почв. История развития, основные труды и научные школы по микроморфологии почв. Методика изготовления аншлифов и шлифов почв из образцов ненарушенного сложения. Методика определения вещественного состава некоторых микрочастей почв в аншлифах (микрохимические реакции, рентгеновский анализ и др.). Устройство и особенности работы с поляризационным микроскопом. Подробная схема и форма записи микроморфологического описания почвенного профиля. Микроморфометрия и математическая обработка результатов. Микростроение гумусо-аккумулятивных, элювиальных, иллювиальных, оглеенных, оглиненных, карбонатных и гипсовых горизонтов.
Практическое занятие № 4. Знакомство с устройством поляризационного микроскопа, типы микроскопов, центровка объектива и определение цены деления окуляра. Определение цвета почвы в шлифах, неоднородность и микрозональность. Изучить микросложение, агрегированность, характер порового пространства, элементарное микростроение, определить состав минерального скелета и виды плазмы. Для глинистой плазмы указать ее оптическую ориентировку как важный диагностический признак почв.
Практическое занятие № 5. Органическое вещество почв. Понятие об органопрофиле, микроформы гумуса, гумусо-глинистые и гумусо-железистые комплексы. Диагностические показатели морфотипов гумуса, используемые при морфоаналитической диагностике почв.
Практическое занятие № 6. Дать характеристику марганцово-железистых, карбонатных и гипсовых новообразований и биолитного состава почв, показать их диагностическое значение.
Тема 4. Микроморфология почв с отчетливой элювиально-иллювиальной дифференциацией почвенного профиля (подзолистые, серые лесные, бурые лесные оподзоленные, оподзоленные черноземы, солонцы, красноземы). Микроморфологическая диагностика почв со слабой дифференциацией почвенного профиля (черноземы, сероземы, дерновые, коричневые, бурые лесные, серо-бурые, серо-коричневые, аллювиальные, горно-луговые). Микростроение пахотных и мелиорированных почв. Сопоставление макро-, мезо- и микроморфологических диагностических признаков почв.
Тема 5. Почвенная матрица и методы ее изучения.
Практическое занятие № 7. Понятие об S-матрице. Зарисовать 10 видов S-матриц в шлифах различных типов почв
Практическое занятие № 8. Микроморфологическое описание профиля различных типов почв, составление таблицы микроморфологических диагностических признаков почв.
Тема 6. Растровая электронная микроскопия почв. Получение новых данных о микромире почв с помощью РЭМ и различных типов анализаторов. Успехи растровой электронной микроскопии в изучении пористости, органо-минеральных комплексов и биолитов.
Практическое занятие № 9. Изучение пористости с помощью установки РЭМ + анализатор пористости + ПВЭМ.
Тема 7. Аналитическая диагностика почв. Диагностика почв по гумусному состоянию, валовому составу почв и илистой фракции, гранулометрическому и минералогическому составу. Диагностика почв по содержанию различных групп и форм железа и магнитным свойствам. Диагностика засоления и солонцеватости почв. Диагностика почв по мощности торфяного горизонта, степени разложения и зольности торфа.
Тема 8. Морфоаналитическая диагностика основных типов почв России.
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
Источник
Растровая электронная микроскопия почв
РЭМ предназначена, в первую очередь, для получения увеличенных изображений объектов вплоть до субнанометровых размеров. Как следует из названия, изображение исследуемых объектов в РЭМ, формируется в результате сканирования образца сфокусированным пучком электронов (пучком первичных электронов), последовательно точка за точкой. При этом при взаимодействии электронного пучка с материалом/поверхностью исследуемого объекта происходит возбуждение большого количества разнообразных сигналов (см. рис. 1.1).
Риc. 1.1. Многообразие сигналов, возникающих в результате взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца
Детектируя, любой из возбуждаемых сигналов можно построить карту распределения интенсивности (микрограмма) этого сигнала. Результаты, полученные посредством, использования разных детекторов позволяют производить всестороннее исследование и сформировать представление об исследуемом объекте.
1. Требования к образцам
Для проведения исследований методом РЭМ объекты должны отвечать ряду требований. Во-первых, исследуемые объекты должны иметь подходящий размер, ограниченный сверху размерами шлюза рабочей камеры и быть устойчивыми к облучению пучком электронов с дозой около 10 3 мкКл/см 2 . Во-вторых, поскольку исследования проводятся в вакуумной камере, образцы должны быть стабильны и не возгоняться/испаряться при давлении 10 -4 Па. Наконец, исследуемые образцы не должны способствовать избыточному накоплению заряда, спровоцированного электронным пучком, другими словами, удельное сопротивление материала образца не должно превышать величину 10 4 Ом/см. Для работы с непроводящими или плохо проводящими образцами возможно использование газонапускного компенсатора заряда, покрытие поверхности образцов тонкими проводящими плёнками (см. рис. 1.2.б) и работа в режиме низкого ускоряющего напряжения или низкого вакуума. Каждый из этих методов имеет как свои достоинства, так и недостатки.
2. Детектирование вторичных электронов
Вторичныe электроны (ВЭ) – электроны исследуемого материала, получившие от электронов пучка (первичные) энергию достаточную для преодоления потенциального барьера и способные покинуть его. Основная часть ВЭ выходит с глубины до 10 нм, т.е область генерации сигнала минимальна, а пространственное разрешение максимальное.
а) Секторальный детектор вторичных электронов
Изображения, полученные в режиме регистрации вторичных электронов (ВЭ) детектором Эверхарта-Торли, более всего схоже с изображениями, получаемыми в оптической микроскопии при боковом освещении образца(см. рис. 1.2а). Это явления носит название светооптической аналогии в электронной микроскопии и значительно упрощает интерпретацию полученных изображений. Сигнал ВЭ чувствителен к морфологии поверхности исследуемого объекта, а так же тонким моноатомным покрытиям, в том числе и загрязнениям, способным значительно изменить работу выхода для электронов по сравнению с материалом подложки.
б) Внутрилинзовый детектор вторичных электронов
Главной особенностью, как следует из названия, является его расположение. Это позволяет собирать большую часть сигнал ВЭ, что, в свою очередь, значительно увеличивает чувствительность. Требования 1.1 к образцам при этом заметно повышаются, кроме того, здесь уже нельзя игнорировать углеродные загрязнения, возникающие в результате сканирования электронным пучком, что приводит к значительному уменьшению максимального времени экспозиции.
Риc. 1.2. РЭМ снимки различных объектов: А – микрорсферы из биоразлагаемого полимера; детектор Эверхарта-Торли. Б – детали скелета солнечника(Heliozoa), покрытые слоем углерода толщиной 5 нм; внутрилинзовый детектор ВЭ. В – поперечный срез образца керамики; детектор Эверхарта-Торли. Г — поперечный срез образца керамики; детектор обратнорассеянных электронов.
3 Детектирование отраженных/обратнорассеянных электронов (ОРЭ)
Сигнал ОРЭ выходит с большей глубины нежели ВЭ до нескольких мкм. Интенсивность сигнала зависит от порядкового номера элемента исследуемого материала, что приводит, как результат, к материальному контрасту поверхности (см. рис. 1.2г.).
4 Низковольтная растровая электронная микроскопия (НВРЭМ).
В НВРЭМ используются ускоряющие напряжения в диапазоне от 10 В до 2 кВ. Электроны соответствующих сравнительно низких энергий в меньшей степени повреждают чувствительные образцы. Выбор определенного, зависящего от материала, ускоряющего напряжения около 1 кВ позволяет добиться равенства единице коэффициента полной вторичной электронной эмиссии, и, как следствие, избежать заряжения образца пучком электронов. Таким образом, НВРЭМ является крайне эффективным методом для исследования непроводящих и чувствительных образцов. К ограничениям этого метода следует отнести невозможность проведения элементного микроанализа (см. ниже), так как он требует больших энергий первичных электронов, низкий элементный контраст и сравнительные малые поля сканирования.
Рис. 1.3. НВРЭМ снимки биологических объектов. А – тромбоциты человека, зафиксированные на предметном стекле без запыления. Б — жгуты ДНК, высаженные на кремниевую подложку. Оба снимка получены с использованием внутрилинзового детектора ВЭ.
5 Рентгеновский энергодисперсионный микроанализ (EDX, energy dispersive X-Ray microanalysis).
Сфокусированный пучок электронов, попадая в образец, как видно из рис. 1.1, вызывает рентгеновскую флюоресценцию, содержащую, как тормозную компоненту, так и характеристические линии атомов элементов, входящих в состав материала образца. Анализируя спектр рентгеновского излучения, можно оценить состав образца, как качественно, так и количественно. Для регистрации рентгеновского излучения используется полупроводниковый детектор, охлажденный до температуры около -40 о С. Энергетическое разрешение такого детектора составляет величину около 120 эВ, что не позволяет анализировать энергетические сдвиги характеристических линий за счет химических связей, а также ограничивает нижний порог анализируемых элементов бором (Z=5). Элементы с меньшим атомным номером не могут быть достоверно обнаружены методом EDX. Чувствительность метода зависит от материала исследуемого образца и составляет величину около 0.1% по весу.
Рис. 1.4. Микроанализ включения в аншлифе образца стали. А – РЭМ снимок участка с указанием точки микроанализа. Б – спектр рентгеновской флюоресценции, возбужденной первичным пучком в указанной точке, отмечены характеристические линии.
Для проведения рентгеновского микроанализа используются электроны с энергиями, достаточно высокими для эффективного возбуждения интересующих характеристических линий, обычно величина ускоряющего напряжения находится в диапазоне 4 кВ – 30 кВ. Следует отметить, что рентгеновское излучение возбуждается во всем объеме взаимодействия первичных и обратнорасеянных электронов в образце. Как следствие, глубина выхода сигнала рентгеновской флюоресценции составляет величину от 0.2 мкм до 4 мкм, а диаметр области выхода – от 0.1 до 0.5 мкм. Это налагает существенные ограничения на исследование нанообъектов, размеры которых сравнимы или меньше области генерации рентгеновского излучения. Сканируя точка за точкой область на поверхности образца, и регистрируя спектр рентгеновского излучения в каждой точке, возможно построение карты распределения различных элементов. Пространственное разрешение подобной карты распределения элементов определяется областью выхода рентгеновского излучения и составляет величину около 200 нм.
Рис. 1.5. Элементное картирование участка поперечного сечения трубы, подвергшейся коррозии. А – РЭМ снимок исследуемого участка. Б – карта распределения серы. В – карта распределения углерода. Г – карта распределения железа. Д – визуализация распределения элементов S, C, Fe, при помощи конверсии рентгеновского спектра в спектр видимого излучения.
Анализируя соотношение интенсивностей характеристических линий рентгеновского спектра, можно рассчитать соотношение концентраций различных элементов, входящих в состав материала образца. В большинстве коммерчески доступного ПО при расчете предполагается, что элементы распределены в объеме однородно и поверхность образца является идеально плоской поверхностью. В случае, если имеет место неоднородное распределение различных элементов в объеме генерации рентгеновского излучения(например, исследуемый образец представляет собой слоистую структуру) или поверхность образца не отполирована, расчет элементного состава образца может давать значительные погрешности. Величина погрешности зависит как от материала исследуемого образца, так и от величины неоднородностей в составе и формы поверхности и может составлять величину до 300% для элементов, содержащихся в низких концентрациях, и до 30% в случае высоких концентраций.
Источник