1、L o g oL o g o电子显微镜电子显微镜 electron microscopeL o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L (electron microscope (electron microscope，EM)EM)一般一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射之原理来研究物质构造及微细作用所产生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。近年来，由于电子光学的理结构的精密仪器。近年来，由于电子光学的理论及应用发展迅速，此项定义已嫌狭窄，故重论及应用发展迅速，此项定义已嫌狭窄，
2、故重新定义其为一项利用电子与物质作用所产生之新定义其为一项利用电子与物质作用所产生之讯号来监定微区域晶体结构、微细组织、化学讯号来监定微区域晶体结构、微细组织、化学成份、成份、 化学键结和电子分布情况的电子光学装化学键结和电子分布情况的电子光学装置。置。v用电子光学仪器研究物质组织、结构、成分的用电子光学仪器研究物质组织、结构、成分的技术称为电子显微术。技术称为电子显微术。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，德国工程师年，德国工程师Max KnollMax Knoll和和Ernst RuskaErnst Ruska制造出了世界上第一台制造出了世界上第一台透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)(TEM)。电子显微镜。电子显微镜的分辨率可以达到纳米级的分辨率可以达到纳米级(10-9nm)(10-9nm)。可以用来观察很多在可见光下看不见可以用来观察很多在可见光下看不见的物体的物体, ,例如病毒。例如病毒。Charles OatleyCharles Oatley19521952年，英国工程师年，英国工程师Charles OatleyCharles Oa
4、tley制造出了制造出了第一台扫描电子显微镜第一台扫描电子显微镜(SEM)(SEM)。世界上第一台电子显微镜世界上第一台电子显微镜L o g oL o g oCompany L 电子显微镜技术发展简史电子显微镜技术发展简史 L o g oL o g oCompany L 电子显微镜的组成电子显微镜的组成v 电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。电子源是一电子源是一个释放自由个释放自由电子的阴极电子的阴极，栅极，一，栅极，一个环状加速个环状加速电子的阳极电子的阳极构成的。构成的。 电子透镜电子透镜用来聚焦电用来聚焦电子，是电子子，是电子显微镜镜
5、筒显微镜镜筒中最重要的中最重要的部件。部件。探测器用来探测器用来收集电子的收集电子的信号或次级信号或次级信号信号 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，由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接。向，由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接。 电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成样品可以稳定地放在样品架上样品可以稳定地放在样品架上。此外往往还有可以用来改变。此外往往还有可以
6、用来改变样品（如移动、转动、加热、样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置降温、拉长等）的装置。L o g oL o g oCompany L 样品制备方法主要包括： 超薄切片、负染色、金属投影、冷冻复型、快速冷冻深度蚀刻技术、免疫电子显微镜术、扫描电镜常规样品制备及扫描电镜冷冻断裂技术等。v 在生命科学领域可用于胚胎及组织发生学方面的研究和观察；v 在临床上可用于多种疾病亚细胞结构病变的观察和诊断，特别是肾小球疾病及肌病的诊断，以及一些疑难肿瘤的组织来源和细胞属性判定，如一些去分化、低分化或多向分化肿瘤的诊断和鉴别诊断；在农林科学方面，电镜技术对植物各种疾病病因诊断与防治的研究越来越重
7、要。v 利用电镜技术观察高分子、表面活性剂、碳纳米管及纳米粒子等结构形态，为化学及材料科学研究提供了有力的技术手段。L o g oL o g oCompany L 3个纳米。扫描式电个纳米。扫描式电子显微镜主要用于观察固子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与体表面的形貌，也能与X X射射线衍射仪或电子能谱仪相线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，结合，构成电子微探针，用于物质成分分析用于物质成分分析3发射式电子显微镜用于发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。自发射电子表面的研究。用途用途L o g oL o g oCompany L 透射电子显微镜透射电子显微镜TEM TEM （
8、Transmission Electron MicroscopyTransmission Electron Microscopy，亦称投射式电子显微镜）因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。v 成像原理：成像原理：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。透射电镜的分辨率为0.10.2nm，放大倍数为几万几十万倍。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50100nm）。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
9、，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，称电子密度高v 构造构造：透射式电子显微镜镜筒的顶部是电子枪，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。中间镜主要通过对励磁电流的调节，放大倍数可从几十倍连续地变化到几十万倍；改变中间镜的焦距，即可在同一样品的微小
10、部位上得到电子显微像和电子衍射图像。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 扫描电子显微镜扫描电子显微镜SEM SEM Scanning Electron MicroscopesScanning Electron Microscopes 扫描电镜是继透射电镜之后发展起来的一种电镜。与之不同的是，SEM是聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像，试样为块状或粉末颗粒，成像信号为二次电子、背散射电子或吸收电子v 成像原理：成像原理： 二次电子成像：由电子枪发射的能量为535keV的电子，以其交叉斑作为电子源，经聚焦缩小后形成具有一定能量、强度和直径的微细
11、电子束，在扫描线圈驱动下在试样表面做栅网式扫描。电子束与试样作用产生的二次电子的量随试样表面形貌而变，二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经处理后得到反应试样表面形貌的二次电子像v 扫描式电子显微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。扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；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v 扫描式电子显微镜的电子枪和聚光镜与透射式电子显微镜的大致相同，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
12、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。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 扫描电子显微镜的工作内容扫描电子显微镜的工作内容微区形貌观测微区形貌观测 二次电子像 可得到物质表面形貌反差的信息，即微观形貌像 背反射电子像 可得到不同区域内平均原子序数差别的信息，即组成分布像。 X射线元素分布像 可得到样品表面元素及其X射线强度变化的分布图像。扫描电镜扫描电镜工作内容工作内容微区定性和定量分析微区定性和定量分析 与常规的定性、定量分析方法不同的是，扫描电子显微镜系统是在微观形貌观测的基础上，针对感兴趣区域进行特定的
13、定性或定量分析。L o g oL o g oCompany L 这些方面优于透射电子显微镜，所以扫描电镜这些方面优于透射电子显微镜，所以扫描电镜成为高分子材料成为高分子材料 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 一种一种PVCPVC粉料的形貌观测粉料的形貌观测ABSABS脆件断裂后微观形态的观测脆件断裂后微观形态的观测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 减少减少波长散怖像差波长散怖像差增加分辨率等增加分辨率
14、等已增进到厂家保证最佳已增进到厂家保证最佳解像能为点与点间解像能为点与点间0.18 nm、线与线间、线与线间0.14nm。美国於美国於1983年成立国家年成立国家电子显微镜中心，其中电子显微镜中心，其中l000 keV之原子分辨电之原子分辨电子显微镜子显微镜 其点与点间之其点与点间之分辨率达分辨率达0. 17nm，可直，可直接观察晶体中的原子接观察晶体中的原子如附加电子如附加电子能量分析能量分析 可可监定微区域监定微区域的化学组成的化学组成具高亮度及契合具高亮度及契合性，电子束可小性，电子束可小至至1nm。除适用。除适用於微区域成份分於微区域成份分析外，更有潜力析外，更有潜力发展三度空间全发展
15、三度空间全像术像术L o g oL o g oCompany L v近年来将TEM与SEM结合为一，取二者之长所制成的扫描穿透式电子显微镜(scanning transmission electron microscope，简称STEM) 亦渐普及 。L o g oL o g oCompany L 由于电子显微镜镜体内为真空系统，所以要求被分析物质由于电子显微镜镜体内为真空系统，所以要求被分析物质应为干燥的，不含有水分或挥发性溶剂的样品。应为干燥的，不含有水分或挥发性溶剂的样品。v 对于透射电镜还要求被分析样品要做的很薄，最好在对于透射电镜还要求被分析样品要做的很薄，最好在100100纳米以下
16、，以有利于电子束的穿透成像。纳米以下，以有利于电子束的穿透成像。v 当加速电压较高时，电子束的穿透力会更强，所以样品可当加速电压较高时，电子束的穿透力会更强，所以样品可以做得厚一些。以做得厚一些。L o g oL o g oCompany L o g oL o g oCompany L 1932年德国物理学家Knoll和Ruska研制成功第一台透射电子显微镜。v 20世纪80年代末，商品透射电子显微镜普遍进入市场。v 主要电镜厂家： 日本日立（Hitachi）公司 日本电子光学实验室（JEOL) 荷兰菲利浦公司（Philips）（即美国FEI公司） 德国蔡司（Zeiss）公司 捷克 英国剑桥L
17、 o g oL o g oCompany L 1959中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制成功第一台透射电子显微镜10万倍100kv重大科学技术成v 1975中国科学院北京科学仪器厂研制成功第一台扫描电子显微镜 v 电镜厂家：中国科学院北京科学仪器厂研制中心 上海电子光学技术研究所 南京光学仪器厂L o g oL o g oCompany L 随着电镜技术的不断发展，以及与其他方法的综合使用，还出现了免疫电镜、电镜细胞化学技术、电镜图像分析技术及全息显微术等。 电镜技术也有其局限性：如电镜设备昂贵、样本制备较复杂、实验费用较高；另外，由于样本取材少，观察范围有限，有时还可能会遗漏信息；当用于辅助肿瘤外检诊断时，只能判定组织或细胞的来源，不能确定肿瘤的良恶性。L o g oL o g oL o g oL o g o
