Применение электронной микроскопии в органической химии

Зачем химикам-органикам электронный микроскоп?

Институт органической химии (ИОХ РАН) в настоящее время является единственным институтом в нашей стране, в котором активно развивается электронная микроскопия в приложении к органическим молекулам. Факт этот необычный, поскольку электронные микроскопы традиционно редко используются химиками-органиками. Давайте посмотрим, зачем же электронная микроскопия может понадобиться в классических исследованиях по органической химии. Представляем интервью акад. М.П. Егорова и акад. В.П. Ананикова по развитию электронной микроскопии в ИОХ РАН.

- Михаил Петрович, скажите, зачем, действительно, нужны электронные микроскопы в Институте органической химии?

-  В настоящее время электронная микроскопия, если мы говорим о современном мировом уровне, становится перспективным инструментом именно в исследованиях органического профиля. Хорошо известно, что электронные микроскопы активно используются в катализе, и там это один из основных методов для характеризации гетерогенных катализаторов. Причем, не только процессов их создания, но и процессов функционирования катализаторов. Поскольку каталитические системы активно используются в органическом синтезе, то в выполнении исследований в этой области химикам-органикам без электронной микроскопии не обойтись.

Вторая сфера, где активно применяется электронная микроскопия, связана с материаловедением, с получением органических материалов различной природы: полимерных материалов, комплексных материалов, композитных материалов. В таких проектах необходимо исследовать морфологию, определять микроструктуру и делать их элементный анализ. 

Третья область, пожалуй, самая необычная и наиболее активно развивающаяся, – это исследования наноразмерной структуры органических веществ, в том числе, классических органических соединений. До недавнего времени это было невозможно, но в настоящее время такая возможность имеется: с помощью современных электронных микроскопов такое исследование можно выполнять. То есть можно сказать, что электронная микроскопия может быть задействована практически на всех этапах исследования в области органической химии от характеризации индивидуальных органических веществ до изучения каталитических реакций и создания новых материалов.

- Если электронная микроскопия настолько важна для химиков-органиков, почему же они ею не пользовались раньше и мало пользуются сейчас?

- Все дело в том, что электронные микроскопы первых поколений работали только при высоких ускоряющих напряжениях – это были десятки, либо даже сотни киловольт. При таких ускоряющих напряжениях многие органические соединения деформировались или просто сгорали внутри камеры электронного микроскопа еще до того, как можно было выполнить это исследование. Ситуация кардинально поменялась с появлением современных электронных микроскопов, которые работают при меньших ускоряющих напряжениях – это сотни, а в определенных случаях даже десятки вольт, и при очень малых значениях силы тока электронного пучка. Такое воздействие не деформирует образец, и сейчас мы можем исследовать органические соединения с помощью электронного микроскопа и получать превосходные изображения. Более того, активно исследуются биологические, биохимические объекты, причем с достаточно упрощенной процедурой пробоподготовки.

- Какой опыт у ИОХа в использовании электронной микроскопии и какие достижения на сегодняшний день?

- У ИОХа накоплен положительный опыт в использовании электронной микроскопии: первым микроскопом был сканирующий электронный микроскоп Hitachi SU8000. Он был установлен в Институте органической химии в 2011 г. Инициатором этой покупки был руководитель лаборатории нашего института — Валентин Анаников. На этом микроскопе в настоящее время зарегистрированы тысячи изображений и он активно применяется во всех областях деятельности Института, о которых я говорил выше. Этот опыт оказался настолько позитивным, что через несколько лет, в 2016 году был приобретен просвечивающий электронный микроскоп Hitachi HT7700, который в настоящее время активно используется. И наше последнее приобретение было сделано в прошлом году: был установлен микроскоп нового поколения Hitachi Regulus8230 и, как раз этот прибор наибольшим образом оптимизирован для работ с минимальным ускоряющим напряжением и не деформирует образцы.

Все электронные микроскопы сейчас функционируют и на них работают сотрудники лаборатории В. Ананикова, которые выполняют как собственные научные исследования, так и обеспечивают электронной микроскопией сотрудников нашего Института, оказывая помощь в выполнении совместных проектов.

У нас накоплен уже очень большой опыт исследований по применению электронной микроскопии в области органической химии, уже опубликованы сотни статей нашими сотрудниками, где задействованы исследования с применением как сканирующей, так и просвечивающей электронной микроскопии. Некоторые работы опубликованы в таких журналах как Nature Communications, JACS Au, Angewandte Chemie и многих других. Было открыто новое научное направление, которое получило всемирное признание — электронная микроскопия в жидкостях. Примечательно, что обзор этого направления для журнала Nature Reviews Chemistry пригласили написать сотрудников ИОХа. Это был первый обзор из нашей страны, опубликованный в данном престижном издании.

- Готов ли Институт поделиться своим опытом в этой области?

- Конечно ИОХ открыт для сотрудничества: мы готовы проводить семинары на эту тему, мы готовы обучать наших коллег работе на электронном микроскопе, мы регулярно проводим тренинги в области электронной микроскопии для студентов, аспирантов и сотрудников других научно-образовательных организаций нашей страны, все желающие могут к нам обратиться. Мы ведем активные совместные исследования, у нас много проектов с научно-образовательными организациями. Если кто-то заинтересован, если кто-то нуждается в исследованиях в области электронной микроскопии, мы можем, соответственно, такие работы проводить.

- Скажите, Валентин Павлович, в своем ответе Михаил Петрович упоминал, что электронные микроскопы были впервые приобретены по запросу Вашей лаборатории и, соответственно, сейчас эксплуатируются вашими сотрудниками. Насколько сложен этот анализ? Насколько удобно им пользоваться? Сколько времени это занимает?

- Действительно, мы установили первый электронный микроскоп в ИОХе более 10 лет назад. Нам показалось, что он крайне необходим и будет очень перспективен в исследовании органических соединений. Тогда этим мало кто занимался, потому что действительно бытовало такое мнение, что электронная микроскопия разрушает органические вещества и провести качественное исследование не получится. Однако оказалось, что уже приборы того поколения прекрасно подходят для исследования органических объектов, и мы смогли зарегистрировать качественные микрофотографии. Хочу сказать, что анализ на современном электронном микроскопе является процедурой достаточно быстрой: для простого объекта изображение на электронном микроскопе можно получить примерно в течение 15-20 минут. Это будет изображение высокого качества, которое напрямую можно использовать для анализа и последующей публикации. Примеры таких изображений, полученных студентами и аспирантами можно посмотреть в Телеграм-канале нашей лаборатории.

Конечно есть очень сложные объекты, где нужно потратить час, два, а может быть, даже несколько дней для получения качественного изображения на электронном микроскопе, но в настоящее время эта задача решаемая для самого широкого круга объектов.

- Разрабатывает ли Институт органической химии какие-либо новые методики, либо для этого метода достаточно только стандартных методик?

- Мы активно разрабатываем новые методики в области электронной микроскопии, в частности, нами были разработаны методики для изучения жидкостей и для исследования реакций в растворах. Поскольку в электронной микроскопии измерение проводится в глубоком вакууме, обычные органические растворители при таких давлениях мгновенно испаряются даже при комнатной температуре. Поэтому напрямую при помощи стандартных методов изучать растворы нельзя.

А поскольку подавляющее большинство реакций органического синтеза проходят в растворах, химику-органику в первую очередь интересны, конечно, именно растворы. Соответственно, нами была разработана специальная методология для исследования реакций в жидкой фазе: как реакций органического синтеза, так и каталитических процессов. Это наша собственная разработка, которую нам действительно удалось внедрить в практику. Сейчас мы проводим такие исследования для своих проектов и с удовольствием выполняем совместные работы для всех, кто в этом заинтересован.

- Скажите, чего можно ожидать от электронной микроскопии в ближайшем будущем?

- Электронная микроскопия активно развивается, как с точки зрения разработки нового оборудования, так и создания новых научных подходов. В настоящее время из такого малоиспользуемого для химиков-органиков инструмента, она превращается в ведущий исследовательский метод. В данный момент во многих сферах органической химии практически невозможно себе представить актуальную исследовательскую работу, которая была бы выполнена без использования микроскопии. Планы на ближайшее будущее – это изучение динамических систем. Не просто статические картинки, не просто фотографии объектов в микромире, а серия фотографий, даже видеоролики, которые позволяют зафиксировать процессы, происходящие на микро- и наноразмерном уровне. На оборудовании, которое есть в нашем Институте, нам удалось снять видеоролики реакций с участием наночастиц: видно, как наночастицы формируются, трансформируются, вступают в реакцию. Нам впервые удалось зарегистрировать видеоролик растворения наночастицы в органическом растворителе. Будущее – именно за исследованиями динамических процессов, ведь каждый химик мечтает своими глазами увидеть, как реагируют молекулы. Именно увидеть: не пользоваться косвенными данными, не интерпретировать спектроскопические наблюдения, а самому посмотреть, как молекулы сближаются, взаимодействую и вступают в химические реакции. Я думаю, что в ближайшем будущем эта мечта будет реализована, и в этом деле важнейшая роль отводится именно микроскопии.

Материал подготовила: Мария Корганова

Дополнительные ссылки:

Оборудование в области электронной микроскопии

Публикации сотрудников ИОХа с применением электронной микроскопии