電子顯微鏡介紹

1、L o g oL o g o電子顯微鏡電子顯微鏡 electron microscopeL o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L (electron microscope (electron microscope，EM)EM)一般一般是指利用電磁場(chǎng)偏折、聚焦電子及電子與物質(zhì)是指利用電磁場(chǎng)偏折、聚焦電子及電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生散射之原理來研究物質(zhì)構(gòu)造及微細(xì)作用所產(chǎn)生散射之原理來研究物質(zhì)構(gòu)造及微細(xì)結(jié)構(gòu)的精密儀器。近年來，由于電子光學(xué)的理結(jié)構(gòu)的精密儀器。近年來，由于電子光學(xué)的理論及應(yīng)用發(fā)展迅速，此項(xiàng)定義已嫌狹窄，故重論及應(yīng)用發(fā)展迅速，此項(xiàng)定義已嫌狹窄，

2、故重新定義其為一項(xiàng)利用電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生之新定義其為一項(xiàng)利用電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生之訊號(hào)來監(jiān)定微區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)、微細(xì)組織、化學(xué)訊號(hào)來監(jiān)定微區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)、微細(xì)組織、化學(xué)成份、成份、 化學(xué)鍵結(jié)和電子分布情況的電子光學(xué)裝化學(xué)鍵結(jié)和電子分布情況的電子光學(xué)裝置。置。v用電子光學(xué)儀器研究物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成分的用電子光學(xué)儀器研究物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成分的技術(shù)稱為電子顯微術(shù)。技術(shù)稱為電子顯微術(shù)。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L Knoll(1897-1969) Ernst Ruska(1906-1988)Max Knoll(1897-1969) Ernst

3、Ruska(1906-1988)19381938年，德國(guó)工程師年，德國(guó)工程師Max KnollMax Knoll和和Ernst RuskaErnst Ruska制造出了世界上第一臺(tái)制造出了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡(TEM)(TEM)。電子顯微鏡。電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)(10-9nm)(10-9nm)?？梢杂脕碛^察很多在可見光下看不見可以用來觀察很多在可見光下看不見的物體的物體, ,例如病毒。例如病毒。Charles OatleyCharles Oatley19521952年，英國(guó)工程師年，英國(guó)工程師Charles OatleyCharles Oa

4、tley制造出了制造出了第一臺(tái)掃描電子顯微鏡第一臺(tái)掃描電子顯微鏡(SEM)(SEM)。世界上第一臺(tái)電子顯微鏡世界上第一臺(tái)電子顯微鏡L o g oL o g oCompany L 電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史電子顯微鏡技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 L o g oL o g oCompany L 電子顯微鏡的組成電子顯微鏡的組成v 電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成。電子源是一電子源是一個(gè)釋放自由個(gè)釋放自由電子的陰極電子的陰極，柵極，一，柵極，一個(gè)環(huán)狀加速個(gè)環(huán)狀加速電子的陽極電子的陽極構(gòu)成的。構(gòu)成的。 電子透鏡電子透鏡用來聚焦電用來聚焦電子，是電子子，是電子顯微鏡鏡

5、筒顯微鏡鏡筒中最重要的中最重要的部件。部件。探測(cè)器用來探測(cè)器用來收集電子的收集電子的信號(hào)或次級(jí)信號(hào)或次級(jí)信號(hào)信號(hào) 真空裝置用以保障顯微鏡內(nèi)的真空狀態(tài)，這樣電子在其路徑上不會(huì)被吸收或偏真空裝置用以保障顯微鏡內(nèi)的真空狀態(tài)，這樣電子在其路徑上不會(huì)被吸收或偏向，由機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵和真空閥門等構(gòu)成，并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接。向，由機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵和真空閥門等構(gòu)成，并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接。 電源柜由高壓發(fā)生器、勵(lì)磁電流穩(wěn)流器和各種調(diào)節(jié)控制單元組成電源柜由高壓發(fā)生器、勵(lì)磁電流穩(wěn)流器和各種調(diào)節(jié)控制單元組成樣品可以穩(wěn)定地放在樣品架上樣品可以穩(wěn)定地放在樣品架上。此外往往還有可以用來改變。此外往往還有可以

6、用來改變樣品（如移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、加熱、樣品（如移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、加熱、降溫、拉長(zhǎng)等）的裝置降溫、拉長(zhǎng)等）的裝置。L o g oL o g oCompany L 樣品制備方法主要包括： 超薄切片、負(fù)染色、金屬投影、冷凍復(fù)型、快速冷凍深度蝕刻技術(shù)、免疫電子顯微鏡術(shù)、掃描電鏡常規(guī)樣品制備及掃描電鏡冷凍斷裂技術(shù)等。v 在生命科學(xué)領(lǐng)域可用于胚胎及組織發(fā)生學(xué)方面的研究和觀察；v 在臨床上可用于多種疾病亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)病變的觀察和診斷，特別是腎小球疾病及肌病的診斷，以及一些疑難腫瘤的組織來源和細(xì)胞屬性判定，如一些去分化、低分化或多向分化腫瘤的診斷和鑒別診斷；在農(nóng)林科學(xué)方面，電鏡技術(shù)對(duì)植物各種疾病病因診斷與防治的研究越來越重

7、要。v 利用電鏡技術(shù)觀察高分子、表面活性劑、碳納米管及納米粒子等結(jié)構(gòu)形態(tài)，為化學(xué)及材料科學(xué)研究提供了有力的技術(shù)手段。L o g oL o g oCompany L 3個(gè)納米。掃描式電個(gè)納米。掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌，也能與體表面的形貌，也能與X X射射線衍射儀或電子能譜儀相線衍射儀或電子能譜儀相結(jié)合，構(gòu)成電子微探針，結(jié)合，構(gòu)成電子微探針，用于物質(zhì)成分分析用于物質(zhì)成分分析3發(fā)射式電子顯微鏡用于發(fā)射式電子顯微鏡用于自發(fā)射電子表面的研究。自發(fā)射電子表面的研究。用途用途L o g oL o g oCompany L 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡TEM TEM （

8、Transmission Electron MicroscopyTransmission Electron Microscopy，亦稱投射式電子顯微鏡）因電子束穿透樣品后，再用電子透鏡成像放大而得名。v 成像原理：成像原理：透射電鏡是以電子束透過樣品經(jīng)過聚焦與放大后所產(chǎn)生的物像，投射到熒光屏上或照相底片上進(jìn)行觀察。透射電鏡的分辨率為0.10.2nm，放大倍數(shù)為幾萬幾十萬倍。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，必須制備更薄的超薄切片（通常為50100nm）。其制備過程與石蠟切片相似，但要求極嚴(yán)格。要在機(jī)體死亡后的數(shù)分鐘釣取材，組織塊要小(1立方毫米以內(nèi)），常用戊二醛和餓酸進(jìn)行雙重固定樹脂包埋

9、，用特制的超薄切片機(jī)（ultramicrotome）切成超薄切片，再經(jīng)醋酸鈾和檸檬酸鉛等進(jìn)行電子染色。電子束投射到樣品時(shí)，可隨組織構(gòu)成成分的密度不同而發(fā)生相應(yīng)的電子發(fā)射，如電子束投射到質(zhì)量大的結(jié)構(gòu)時(shí)，電子被散射的多，因此投射到熒光屏上的電子少而呈暗像，電子照片上則呈黑色，稱電子密度高v 構(gòu)造構(gòu)造：透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、通過第一，第二兩個(gè)聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級(jí)放大，成像于熒光屏或照相干版上。中間鏡主要通過對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，放大倍數(shù)可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍；改變中間鏡的焦距，即可在同一樣品的微小

10、部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡SEM SEM Scanning Electron MicroscopesScanning Electron Microscopes 掃描電鏡是繼透射電鏡之后發(fā)展起來的一種電鏡。與之不同的是，SEM是聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像，試樣為塊狀或粉末顆粒，成像信號(hào)為二次電子、背散射電子或吸收電子v 成像原理：成像原理： 二次電子成像：由電子槍發(fā)射的能量為535keV的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)聚焦縮小后形成具有一定能量、強(qiáng)度和直徑的微細(xì)

11、電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下在試樣表面做柵網(wǎng)式掃描。電子束與試樣作用產(chǎn)生的二次電子的量隨試樣表面形貌而變，二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，經(jīng)處理后得到反應(yīng)試樣表面形貌的二次電子像v 掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數(shù)是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比，可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品；圖像有很強(qiáng)的立體感；能利用電子束與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的次級(jí)電子、吸收電子和X射線等信息分析物質(zhì)成分v 掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同，但是為了使電子束更細(xì)，在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器，在物鏡內(nèi)部還裝有兩組互相

12、垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內(nèi)裝有可以移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜的樣品臺(tái)。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 掃描電子顯微鏡的工作內(nèi)容掃描電子顯微鏡的工作內(nèi)容微區(qū)形貌觀測(cè)微區(qū)形貌觀測(cè) 二次電子像 可得到物質(zhì)表面形貌反差的信息，即微觀形貌像 背反射電子像 可得到不同區(qū)域內(nèi)平均原子序數(shù)差別的信息，即組成分布像。 X射線元素分布像 可得到樣品表面元素及其X射線強(qiáng)度變化的分布圖像。掃描電鏡掃描電鏡工作內(nèi)容工作內(nèi)容微區(qū)定性和定量分析微區(qū)定性和定量分析 與常規(guī)的定性、定量分析方法不同的是，掃描電子顯微鏡系統(tǒng)是在微觀形貌觀測(cè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行特定的

13、定性或定量分析。L o g oL o g oCompany L 這些方面優(yōu)于透射電子顯微鏡，所以掃描電鏡這些方面優(yōu)于透射電子顯微鏡，所以掃描電鏡成為高分子材料成為高分子材料 常用的重要剖析手段常用的重要剖析手段L o g oL o g oCompany L 一種一種PVCPVC粉料的形貌觀測(cè)粉料的形貌觀測(cè)ABSABS脆件斷裂后微觀形態(tài)的觀測(cè)脆件斷裂后微觀形態(tài)的觀測(cè)L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 減少減少波長(zhǎng)散怖像差波長(zhǎng)散怖像差增加分辨率等增加分辨率

14、等已增進(jìn)到廠家保證最佳已增進(jìn)到廠家保證最佳解像能為點(diǎn)與點(diǎn)間解像能為點(diǎn)與點(diǎn)間0.18 nm、線與線間、線與線間0.14nm。美國(guó)於美國(guó)於1983年成立國(guó)家年成立國(guó)家電子顯微鏡中心，其中電子顯微鏡中心，其中l(wèi)000 keV之原子分辨電之原子分辨電子顯微鏡子顯微鏡 其點(diǎn)與點(diǎn)間之其點(diǎn)與點(diǎn)間之分辨率達(dá)分辨率達(dá)0. 17nm，可直，可直接觀察晶體中的原子接觀察晶體中的原子如附加電子如附加電子能量分析能量分析 可可監(jiān)定微區(qū)域監(jiān)定微區(qū)域的化學(xué)組成的化學(xué)組成具高亮度及契合具高亮度及契合性，電子束可小性，電子束可小至至1nm。除適用。除適用於微區(qū)域成份分於微區(qū)域成份分析外，更有潛力析外，更有潛力發(fā)展三度空間全發(fā)展

15、三度空間全像術(shù)像術(shù)L o g oL o g oCompany L v近年來將TEM與SEM結(jié)合為一，取二者之長(zhǎng)所制成的掃描穿透式電子顯微鏡(scanning transmission electron microscope，簡(jiǎn)稱STEM) 亦漸普及 。L o g oL o g oCompany L 由于電子顯微鏡鏡體內(nèi)為真空系統(tǒng)，所以要求被分析物質(zhì)由于電子顯微鏡鏡體內(nèi)為真空系統(tǒng)，所以要求被分析物質(zhì)應(yīng)為干燥的，不含有水分或揮發(fā)性溶劑的樣品。應(yīng)為干燥的，不含有水分或揮發(fā)性溶劑的樣品。v 對(duì)于透射電鏡還要求被分析樣品要做的很薄，最好在對(duì)于透射電鏡還要求被分析樣品要做的很薄，最好在100100納米以下

16、，以有利于電子束的穿透成像。納米以下，以有利于電子束的穿透成像。v 當(dāng)加速電壓較高時(shí)，電子束的穿透力會(huì)更強(qiáng)，所以樣品可當(dāng)加速電壓較高時(shí)，電子束的穿透力會(huì)更強(qiáng)，所以樣品可以做得厚一些。以做得厚一些。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 1932年德國(guó)物理學(xué)家Knoll和Ruska研制成功第一臺(tái)透射電子顯微鏡。v 20世紀(jì)80年代末，商品透射電子顯微鏡普遍進(jìn)入市場(chǎng)。v 主要電鏡廠家： 日本日立（Hitachi）公司 日本電子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室（JEOL) 荷蘭菲利浦公司（Philips）（即美國(guó)FEI公司） 德國(guó)蔡司（Zeiss）公司 捷克 英國(guó)劍橋L o g oL o g oCompany L 1959中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制成功第一臺(tái)透射電子顯微鏡10萬倍100kv重大科學(xué)技術(shù)成v 1975中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器