ГОСТ Р 54597—2011
6.5 Анализ одиночных частиц
24
6.5.1 Общие положения
Анализ одиночных частиц в автономном режиме — эффективное средство для получения данных
о размере, форме, структуре и в некоторых случаях — химическом составе частиц аэрозоля [73]. Ранее
оптическую микроскопию широко использовали для анализа частиц микрометрового диапазона, и в
настоящее время она остается основным средством получения характеристик частиц, образованных
из волокон, например асбестовых. Однако частицы с диаметром в нанодиапазоне не входят в область
применения большинства оптических методов. С другой стороны, с помощью электронного микроскопа
можно получить подробную информацию о частицах с пространственным разрешением менее 1 нм
и возможностью использования различных методов анализа для химической идентификации частиц.
К недостаткам методики относятся необходимость привлечения специалистов по отбору проб, выпол-
нение требований к подготовке образцов (см. приложение А), необходимость в большинстве случаев
анализировать образцы под вакуумом и трудоемкость анализа. Однако, несмотря на вышеуказанные
недостатки, в некоторых случаях электронная микроскопия может оказаться единственным методом
получения необходимой информации о наночастицах. Используют два основных метода: ТЕМ и SEM.
В последней применяют простые способы подготовки и анализа образцов и получают топографические
изображения поверхности частиц. Изображение частиц получают, сканируя поверхность образца тон-
ким электронным пучком, используя детектируемые сигналы для модулирования интенсивности скани-
рования на экране, происходящего с такой же скоростью, что и сканирование поверхности образца. Се-
рийно выпускаемые SEM позволяют различать детали изображения с пространственным разрешением
от 5 до 10 нм, хотя эти цифры значительно увеличиваются, если условия все больше отличаются от
идеальных. С помощью FEG-SEM может быть получено пространственное разрешение 1 нм и меньше.
При проведении обычного анализа на SEM образец должен находиться под вакуумом, а с помощью
ESEM образцы исследуют в газообразной среде с низким давлением. В этом случае можно получить
изображение частиц, имеющих в своем составе среднелетучие соединения без их потери, и провести
многократную гидратацию/дегидратацию образцов для установления присутствия и значимости образ-
цов растворимых веществ.
В серийно выпускаемых ТЕМ электроны пропускаются через образец для получения изображений
таким же способом, что и в обычном оптическом микроскопе, но по конструкции ТЕМ являются бо-лее
сложными, чем традиционные SEM. Для анализа на ТЕМ образцы должны быть прозрачными для
электронов, а подготовка образцов будет более сложной (см. приложение А). При рутинном анализе на
ТЕМ может быть достигнуто пространственное разрешение в субнанометровом диапазоне, хотя разре-
шение зависит от конкретного образца и типа используемого микроскопа. Также существуют ТЕМ, рабо-
тающие в сканирующем режиме (STEM), в которых тонким электронным пучком сканируют поверхность
образца, а сигналы от электронов, прошедших через образец, используют для получения изображений. В
STEM высокого разрешения могут быть сформированы электронные пучки диаметром менее 0,2 нм,
позволяющие получать характеристики частиц с пространственным субнанометровым разрешением.
6.5.2 Получение изображений и анализ методом электронной микроскопии
Применение электронной микроскопии позволяет использовать различные методы количественно-
го и качественного анализа, подходящие для получения характеристик одиночных наночастиц. Форми-
рование изображений в ТЕМ основано на прохождении электронов через образец, при этом получают
двухмерное изображение и информацию о размере частиц [73]. Также с помощью ТЕМ можно получить
информацию о внутренней структуре частиц на основе контрастности изображения, в том числе в неко-
торых случаях — информацию о кристаллической структуре (хотя для этого необходимо, чтобы частицы
былиориентированысоответствующимобразомиТЕМвысокогоразрешения). Контрастностьизображе-
ния зависит от упругого и неупругого рассеяния электронов при их прохождении через образец, и на него
в значительной степени влияют кристаллическая структура и протонная плотность образца. При работе
на STEM с подходящим угловым детектором изображения могут быть сформированы с интенсивностью,
пропорциональной квадрату порядкового номера элементов, составляющих образец (Z-контрастное
изображение), что позволяет интуитивно интерпретировать изображения разных частиц и ансамблей
частиц [74]. Использование пропускания электронов через образец при формировании изображения в
ТЕМ ограничивает максимальный диаметр исследуемых частиц несколькими сотнями нанометров.
Формирование изображения в SEM основано преимущественно на рассеянии или испускании
электронов облученной поверхностью образца, что позволяет исследовать частицы, размеры которых
могут изменяться в широком диапазоне [75]. В стандартном режиме формирование изображения в SEM