Кратко: SEM и AFM — оба «просматривают» поверхность, но формируют изображение очень разными физическими взаимодействиями, по‑разному влияют на мягкие биологические объекты и имеют разные сильные/слабые стороны. Ниже — структурированное сравнение с практическими рекомендациями.

1) Какие физические взаимодействия формируют изображение

SEM $сканирующаяэлектроннаямикроскопия$

Сканирующий электронный пучок бомбардирует образец. Детектируются вторичные электроны $SE$ — очень чувствительны к топографии поверхности $сильнеевыходятсвыступов$ и дают «топографический» контраст; отражённые/бэкскаттерные электроны $BSE$ дают контраст по среднему атомному номеру/композиции; сигналы рентгеновского излучения дают элементный анализ $EDS$.Требуется вакуум $классическийSEM$ или контролируемая атмосфера $ESEM$. Нужна проводимость поверхности либо покрытие/низкое напряжение, чтобы избежать накопления заряда.Взаимодействие электрона с материей может вызывать разогрев, разложение, выбивание молекул — особенно критично для органики и водосодержащих материалов.

AFM $атомно‑силоваямикроскопия$

Механический контакт между остриём зонда $косвенно,черезсилы$ и поверхностью. Измеряются силы/смещения: контактный режим $опорнаясила$, tapping $периодическийудар$, non‑contact $взаимодействиедальнодействующихсил$. Сигнал — вертикальные/латеральные отклонения кантилевера.Работает в вакууме, в воздухе и в жидкости — можно исследовать живые/гидратированные образцы в буфере.Нет ионизирующего облучения, но зонд может механически деформировать или сдвигать мягкий образец.

2) Разрешение и ограничивающие факторы

SEM

Латеральное разрешение $высококачественныеFE‑SEM$ — до ~1 нм на твердых/проводящих образцах. Для биологии, из‑за подготовки $осушение,наслоениеметаллом$ и зарядовых эффектов — типично несколько нм–десятки нм.Вертикальное разрешение не в прямом смысле: SE дают тонкое «поверхностное» контрастирование $эффективнаяглубинавыходаSE1–10нм$.Ограничения: заряд, толщина покрытия, деградация под пучком, артефакты от сушки $усадка,коллапс$, «маскирующий» эффект металлизации и связующих агентов.Возможности смягчения: низкое ускоряющее напряжение $0.5–2kV$ для уменьшения диффузии электронов, ESEM/variable pressure, cryo‑SEM $заморозкаисечение$ для сохранения воды.

AFM

Вертикальное разрешение — поднанометровое $суб\mathring{A}–\mathring{A}$, очень точные измерения высоты.Латеральное разрешение ограничено радиусом острия и деформацией образца: типично несколько нм (на жёстких образцах можно достигать <1 нм), для мягких биологических объектов практическое латеральное разрешение ≈ 5–20 нм или хуже, особенно если образец деформируется.Ограничения: артефакты от конволюции формы зонда $широкиеобъектыкажутсяразмытыми$, деформация/прилепление/сдвиг при контакте, тепловая дрейф/пьезо‑крип, загрязнение/износ зонда, ограничение по полю $обычнодесятки–сотни\mu m$.Снижение артефактов: использовать мягкие кантилеверы и tapping/PeakForce режим в жидкости; калибровка и/или деконволюция по известному радиусу зонда; минимизация силы.

3) Типичные артефакты и проблемы при работе с мягкими биологическими образцами

SEM

Сушка → усадка, коллапс, образование артефактов структуры $например,мембраны«сжались»$.Покрытие металлом $Au/Pt/C$: скрытие тонких микроструктур, изменение топографии, дополнительный слой шириной 1–10+ нм.Нагрев и разложение под электронным пучком, образование пузырьков $outgassing$, заряд — искажение изображения и блэки.Химическая фиксация $формальдегид,глутар$ и контрастирование $осмиум$ меняют нативную структуру.

AFM

Деформация мягкой поверхности → уменьшение высоты выступов, расширение баз.Конволюция формы зонда → артефактное расширение узких объектов.Зонд может «срывать» или смещать неадгезированные молекулы/структуры.Сдвиг/стик‑слип при контакте, адгезионные силы в воздухе $менеевжидкости$ и загрязнение зонда.Дрейф и вибрации приводят к искажённым картам при медленных сканах.

4) Что каждый метод умеет лучше $когдапредпочитать$

Предпочитать AFM, если:

Нужно исследовать поверхность в нативном состоянии $вжидкости/живыеклетки$, без покрытия.Нужны точные высотные профили и количественная топография $напр.,мембраны,белковыескафолды$.Нужны картирование механических свойств $жёсткость,адгезия,силавзаимодействия,force‑spectroscopy$.Объект чувствителен к электронным повреждениям или не проводящ.Поле интереса небольшое $нано–микрометры$.

Предпочитать SEM, если:

Нужна широкая статистика/карта больших участков $от\mu mдоmm$ и быстрая навигация.Нужен высокий контраст топографии при высокой латеральной разрешающей способности $особеннонатвёрдых/покрытыхобразцах$.Требуется композиционный контраст $BSE$ или сопутствующий элементный анализ $EDS$.Нужно визуализировать крупную архитектуру $например,поверхностьткани,сетчатыеструктурыECM$ с меньшей заботой о нативной гидратации.Можно использовать cryo‑SEM или ESEM для минимизации артефактов при работе с влажными/мягкими объектами.

5) Практические рекомендации по подготовке и режимам

Для SEM мягких/водосодержащих биоматериалов:

Рассмотреть cryo‑SEM $фриз‑лом/фриз‑скольжение$ или ESEM, чтобы сохранить гидратацию.Если сушить, предпочтительны критическая точка высыхания $CPD$ или замена на карбоновые смолы для минимизации артефактов.Покрытие тонким слоем металла $2–5nmPt/Pd$ минимально влияет, но конволюция неизбежна; можно использовать углеродную напыление для EDS совместимости.Использовать низкое ускоряющее напряжение и воронкообразные/in‑lens детекторы для поверхностного сигнала.

Для AFM мягких биологических образцов:

Сканировать в жидкости $буфере$ для минимизации капиллярных сил и поддержания нативной структуры.Выбирать мягкие кантилеверы $низкаяжёсткость$, работать в tapping/PeakForce для снижения боковых сил.Надёжно фиксировать/иммобилизовать образец на плоской подложке $стекло,mica$, избегать сильной химической фиксации, если нужно сохранить мех. свойства.Контролировать скорость сканирования, температуру, калибровать чувствительность и жёсткость кантилевера; проверять форму и износ зонда $ограничиваетразрешение$.

6) Дополнительные замечания

SEM даёт «изображение, связанное с выходом электронов» — нельзя напрямую интерпретировать его как точную высоту. AFM же даёт абсолютные высоты, но латеральная геометрия искажена формой зонда и деформацией.Для изучения внутренней ультраструктуры клеток/органелл SEM не подходит — нужна TEM или крио‑томография. Для 3D топографии поверхности возможны FIB‑SEM стэки, но это разрушающий и трудоёмкий подход.Возможна совместная стратегия: сначала SEM для ориентации и охвата больших полей, затем AFM для детального нано‑исследования интересующих участков; доступны кореллятивные устройства $CLEM/SE‑AFM$.

Короткий вывод

AFM лучше для нативной гидратированной поверхности, точных высотных измерений и механики на наноуровне, но ограничен по полю, скорости и даёт артефакты от зонда/деформации.SEM лучше для широких обзоров, высокой латеральной детализации $натвёрдыхилиправильноподготовленныхбиологическихобразцах$ и элементного анализа, но часто требует подготовки $сушка,покрытие,криофиксация$ и сопряжён с риском электронного повреждения и сдвигов структуры.

Если хотите, могу:

предложить конкретную протокольную схему подготовки конкретного типа образца $клетки,внеклеточныйматрикс,бактерии$ под SEM или AFM;помочь выбрать режим AFM $контакт/tapping/PeakForce$ и тип кантилевера для вашей задачи;порекомендовать параметры SEM $ускоряющеенапряжение,покрытие,cryo/ESEM$ для конкретного образца.