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电子显微镜

透射电子显微镜

电子显微镜(英语:electron microscope,简称电镜电显)是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜

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0.2纳米)远高于光学显微镜的分辨率(约200纳米)。

技术

电子显微镜的主要组成部分是:

  • 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,因此电子显微镜不像光学显微镜那样有可以移动的透镜系统。
  • 真空装置。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

  • 穿透式电子显微镜(TEM)可以直接获得一个样本的投影。在这种显微镜中电子穿过样本,因此样本必须非常薄。样本的厚度取决于组成样本的原子的原子量、加速电子所用的电压和所希望获得的分辨率。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低,样本就必须越薄。

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。

在能量过滤穿透式电子显微镜(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。

  • 扫描式电子显微镜(SEM)中的电子束尽量聚焦在样本的一小块地方,然后一行一行地扫描样本。入射的电子导致样本表面散发出电子,显微镜观察的是这些每个点散射出来的电子。由于这样的显微镜中电子不必透射样本,因此其电子加速的电压不必非常高。场发射扫描电子显微镜是一种比较简单的电子显微镜,它观察样本上因强电场导致的场发射所散发出来的电子。

假如观察的是透过样本的扫描电子的话,那么这种显微镜被称为扫描透射电子显微镜(Scanning Transmission Electron Microscopy,STEM)。

冷冻电镜,就是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品,如生物、高分子材料等。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样(喷金/喷碳)等处理后,通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台(温度可至-185℃)即可进行观察。其中,快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态,减少冰晶的产生,从而不影响样品本身结构,冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。

样本处理

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。
  • 脱水:使用乙醇丙酮来取代水。
  • 包埋:样本被包埋于合成树酯后进行切片。
  • 切片:将样本使用金刚石刃或玻璃刀刃切成薄片。
  • 染色:重的原子如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

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。由于透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。还有,电子显微镜观察到的样本都是没有颜色的。

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光学显微镜高出许多。

历史

1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。1931年恩斯特·鲁斯卡和马克斯·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年鲁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年代透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。


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