| 词条 | 电子显微镜 |
| 释义 | 电子显微镜电子显微镜常用的有透射电镜（transmissionelectronmicroscope，TEM）和扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope,SEM）。与光镜相比电镜用电子束代替了可见光，用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。与光镜相比电镜用电子束代替了可见光，用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。 § 基本简介 电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。 电磁透镜中电子的运动轨迹 高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制。20世纪70年代，透射式电镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨本领约为0.1毫米)。高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米），所以通过电镜就能用肉眼直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。 § 技术介绍 电子显微镜 分辨本领 电镜的分辨本领以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示，是电镜的重要指标。显微镜的分辨本领可根据0.6λ/sinα求出，其中α为透过样品后电子束锥角之半，λ是波长。可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。当加速电压为 50～100千伏时λ 约为0.0053～0.0037纳米。由于电子束的波长远远小于可见光的波长，即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。 组成 电子源是一个释放自由电子的阴极，一个环状的阳极加速电子。阴极和阳极之间的电压差必须非常高，一般在数千伏到3百万伏之间。 电子透镜用来聚焦电子。一般使用的是磁透镜，有时也有使用静电透镜的。电子透镜的作用与光学显微镜中的光学透镜的作用是一样的。光学透镜的焦点是固定的，而电子透镜的焦点可以被调节，因此电子显微镜不象光学显微镜那样有可以移动的透镜系统。 真空装置用以保障显微镜内的真空状态，这样电子在其路径上不会被吸收或偏向。 样品架 样品可以稳定地放在样本架上。此外往往还有可以用来改变样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。 探测器，用来收集电子的信号或次级信号。 § 种类介绍 电镜按结构和用途可分为透射式电镜、扫描式电镜、反射式电镜和发射式电镜等。透射式电镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构。扫描式电镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合构成电子微探针，用于物质成分分析。发射式电镜用于自发射电子表面的研究。 透射式电镜 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy TEM，台译穿透式电子显微镜），因电子束穿透样品后再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿。在这种电镜中，图像细节的对比度是由样品中的原子对电子束的散射形成的。样品较薄或密度较低的部分电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏参与成像，在图像中显得较亮。反之，样品中较厚或较密的部分在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。 光学显微镜光路与透射式电镜光路对比 透射式电镜镜筒结构 透射式电镜的镜筒结构：顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上。中间镜有两个功能：①通过励磁电流的调节，放大倍数可从几十倍连续地变化到几十万倍；②改变中间镜的焦距，即可在同一样品的微小部位上得到电子显微像和电子衍射图像。为了能研究较厚的金属切片样品，法国杜洛斯电子光学实验室研制出加速电压为3500千伏的超高压电镜。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。 能量过滤透过式电子显微镜 在能量过滤透过式电子显微镜（Energy Filtered Transmission Electron Microscopy，EFTEM）中人们测量电子通过样本时的速度改变。由此可以推测出样本的化学组成，比如化学元素在样本内的分布。 扫描电子显微镜 扫描式电镜（Scanning electron microscope，SEM），电子束不穿过样品，仅在样品表面扫描激发出次级电子。放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像，这与工业电视机的工作原理相类似。扫描式电镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束的直径。放大倍数是显像管上的扫描幅度与样品上扫描幅度之比，可从几十倍连续地变化到几十万倍。扫描式电镜的主要特点是：①不需要很薄的样品；②图像有很强的立体感；③能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子，吸收电子和X射线等信息分析物质成分。 扫描式电镜的电子枪和聚光镜与透射式电镜的大致相同，但是为了使电子束更细，在聚光镜下又增加了物镜和消像散器；在物镜内部还装有两组互相垂直的扫描线圈。物镜下面的样品室内装有可以移动、转动和倾斜的样品台。图4为扫描式电镜镜筒的结构。 § 样本处理 病毒的电子显微镜照片在使用透视电子显微镜观察生物样品前样品必须被预先处理。随不同研究要求的需要科学家使用不同的处理方法。 固定：为了尽量保存样本的原样使用戊二醛来硬化样本和使用锇酸来染色脂肪。 冷固定：将样本放在液态的乙烷中速冻，这样水不会结晶，而形成非晶体的冰。这样保存的样品损坏比较小，但图像的对比度非常低。 脱干：使用乙醇和丙酮来取代水。 垫入：样本被垫入后可以分割。 分割：将样本使用金刚石刃切成薄片。 染色：重的原子如铅或铀比轻的原子散射电子的能力高，因此可被用来提高对比度。 使用透视电子显微镜观察金属前样本要被切成非常薄的薄片（约0.1毫米），然后使用电解擦亮继续使得金属变薄，最后在样本中心往往形成一个洞，电子可以在这个洞附近穿过那里非常薄的金属。无法使用电解擦亮的金属或不导电或导电性能不好的物质如硅等一般首先被用机械方式磨薄后使用离子打击的方法继续加工。为防止不导电的样品在扫描电子显微镜中积累静电它们的表面必须覆盖一层导电层。 § 缺点点评 在电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本。在处理样本时可能会产生样本本来没有的结构，这加剧了此后分析图像的难度。由于投射电子显微镜只能观察非常薄的样本，而有可能物质表面的结构与物质内部的结构不同。此外电子束可能通过碰撞和加热破坏样本。 现在的最新技术可以在电子显微镜中观察湿的样本和不涂导电层的样本（环境扫描电子显微镜，Environmental Scanning Electron Microscopes，ESEM）。假如事先对样本的情况比较清晰的话则可以基本上进行不破坏的观察。 此外电子显微镜购买和维护的价格都比较高。 § 历史沿革 电子显微镜1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。1931年厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透视电子显微镜。展示这台显微镜时使用的还不是透视的样本，而是一个金属格。1986年卢斯卡为此获得诺贝尔物理学奖。1938年他在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜。 1934年锇酸被提议用来加强图像的对比度。1937年第一台扫描透射电子显微镜推出。 一开始研制电子显微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体如病毒等。1949年可投射的金属薄片出现后材料学对电子显微镜的兴趣大增。 1960年代投射电子显微镜的加速电压越来越高来透视越来越厚的物质。这个时期电子显微镜达到了可以分辨原子的能力。 1980年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样本。1990年代中电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显微镜的操作越来越简单。 § 成像原理 1．透射电镜技术 电子显微镜透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所產生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。透射电镜的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍数為几万～几十万倍。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。由於电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片（通常為50～100nm）。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片（通常为50～100nm）。其制备过程与石蜡切片相似，但要求极严格。其制备过程与石蜡切片相似，但要求极严格。要在机体死亡后的数分鐘钓取材，组织块要小(1立方毫米以内），常用戊二醛和饿酸进行双重固定树脂包埋,用特制的超薄切片机（ultramicrotome）切成超薄切片，再经醋酸铀和柠檬酸铅等进行电子染色。要在机体死亡后的数分钟钓取材，组织块要小(1立方毫米以内），常用戊二醛和饿酸进行双重固定树脂包埋,用特制的超薄切片机（ultramicrotome）切成超薄切片，再经醋酸铀和柠檬酸铅等进行电子染色。电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子发射，如电子束投射到质量大的结构时，电子被散射的多，因此投射到荧光屏上的电子少而呈暗像，电子照片上则呈黑色。电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子发射，如电子束投射到质量大的结构时，电子被散射的多，因此投射到荧光屏上的电子少而呈暗像，电子照片上则呈黑色。称电子密度高（electrondense）。称电子密度高（electrondense）。反之，则称為电子密度低（electronlucent）。反之，则称为电子密度低（electronlucent）。 2。扫描电镜术 扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将產生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。（细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。（细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。 扫描电镜样品用戊二醛和饿酸等固定，经脱水和临界点干燥后,再於样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子数。扫描电镜样品用戊二醛和饿酸等固定，经脱水和临界点干燥后,再于样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子数。扫描电镜能观察较大的组织表面结构，由於它的景深长，1mm左右的凹凸不平面能清所成像，故放样品图像富有立体感。扫描电镜能观察较大的组织表面结构，由于它的景深长，1mm左右的凹凸不平面能清所成像，故放样品图像富有立体感。 § 其它方面 电子显微镜1、光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜为电子束為介质，由於电子束波长远较可见光小，故电子显微镜解析度远比光学显微镜高。光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜为电子束为介质，由于电子束波长远较可见光小，故电子显微镜解析度远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍，扫描式显微镜可放大到10000倍以上。光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍，扫描式显微镜可放大到10000倍以上。 2.根据deBroglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关：根据deBroglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关：λe＝h/mv＝h/(2qmV)1/2＝12.2/(V)1/2(?)λe＝h/mv＝h/(2qmV)1/2＝12.2/(V)1/2(?)在10KV的加速电压之下，电子的波长仅為0.12?，远低於可见光的4000-7000?，所以电子显微镜解析度自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100?之间，电子与原子核的弹性散射(ElasticScattering)与非弹性散射(InelasticScattering)的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的解析度比扫描式电子显微镜高。在10KV的加速电压之下，电子的波长仅为0.12?，远低于可见光的4000-7000?，所以电子显微镜解析度自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100?之间，电子与原子核的弹性散射(ElasticScattering)与非弹性散射(InelasticScattering)的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的解析度比扫描式电子显微镜高。 3.扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深（depthoffield），约為光学显微镜的300倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更这合观察表面起伏程度较大的试片。扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深(depthoffield)，约为光学显微镜的300倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的试片。 4.扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪(ElectronGun)发射电子束，经过一组磁透镜聚焦(Cond enserLens)聚焦后，用遮蔽孔径(CondenserAperture)选择电子束的尺寸(BeamSize)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜（ObjectiveLens）聚焦，打在试片上，在试片的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子(SecondaryElectron)或背向散射电子(BackscatteredElectron)成像。扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪(ElectronGun)发射电子束，经过一组磁透镜聚焦(CondenserLens)聚焦后，用遮蔽孔径(CondenserAperture)选择电子束的尺寸(BeamSize)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜(ObjectiveLens)聚焦，打在试片上，在试片的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子(SecondaryElectron)或背向散射电子(BackscatteredElectron)成像。 5.电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散佈(EnergySpread)要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化鑭(LaB6)灯丝、场发射(FieldEmission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布(EnergySpread)要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射(FieldEmission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。‘ § 电子显微镜与光学显微镜性能比较 分辨能力是电子显微镜的重要指标，电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示，它与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。依据波粒二象性原理，高速的电子的波长比可见光的波长短，而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.2纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1％，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，而现代电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量的提高等问题也有待继续研究。 电子显微镜观察 § 相关词条 光学显微镜 卵子 沥青 视网膜 蔗糖素 磷酸 染色质 氢氧化钠 酚酞 糖精 癌细胞 染色体 煤油 酱油 冰糖 细胞分裂 蓝宝石 石蜡 免疫细胞 二氧化硅 精子 氟里昂 干燥剂 红糖 高锰酸钾 § 相关链接 1、http://www.malvern.com.cn/Labchi/products/morphologi/particle_image_analyzer.htm 2、http://www.cinv.cn/ 3、http://www.cc.ntut.edu.tw/~mnslab/ZEISS-Microscope-Specs.doc |
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