电子显微镜简介

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1、电子显微镜简介人类的肉眼是认识客观世界的重要工具。但因受分辨能力的限制，在 300年前光学显微 镜尚未出世之前，人类对世界的认识只能停在肉眼水平。光学显微镜的诞生提供了一把金钥 匙，为我们打开了微观世界知识宝库的第一道大门，从而出现了组织学、细胞学、细胞病理 学等前所未有的新学科。然而，光学显微镜因受照明光波波长的限制，其分辨能力也有限。 自 1932 年德国 Max Knolls 和 Ernst Ruska 发明了电子显微镜，为我们打开了微观世界知 识宝库的第二道大门。目前电镜不仅可以观变一般细胞的超微结构，而且还可以探讨其分子 结构；从一般超微结构的定性观，走向定量分析；从透射电镜超薄切片

2、的平面观察，进入扫 描电镜三维空间的立体表面观变和元素分析，使人们的认识不断深化。一、分辨率和放大倍数电镜的分辨率是指分辩二点间最小距离的能力。德国理论光学家Ernst Abbe证实光学 显微镜分辨率的极限为照明光源波长的一半，如照明光源的平均波长为5000A(lA=10-im)光 学显微镜分辨率的极限则为2500A(0.25“m=250nm)。电镜利用波长极短的电子束为光源， 其分辨率可达2-2.5A(0.2-0.25nm),比光镜高1000倍，比肉眼高一百万倍。二、透射电镜(t ransmission elec tron microscope)的结构与原理(一) 光学透镜与电子透镜1. 透

3、镜：光镜以可见光作光源，经玻璃透镜(凸或凹)使光线会聚或发散，形成放大的实 像或虚像。电镜则以电子束为光源。电子具有波动性和粒子性，经过电磁透镜时，在电场或 磁场作用下，可以改变其前进的轨道。因而，可利用电场或磁场控制电子运动的轨迹，使之 产生偏转、聚集或发散。2. 电磁透镜：根据轴对称的弯曲磁场对电子束能起聚焦的作用的原理制成。磁场范围比 焦距小得多的轴对称磁场透镜称为短磁透镜。短磁透镜的焦距与磁场强度的平方呈反比。磁 场强度越强，焦距越短、放大倍数越大。短磁透镜的磁场强度则与透镜励磁线圈的匝数呈反 比。近代高辨率电镜透镜，在线圈的内侧有高精度加工的非常轴对称的纯铁或铁钴合金高导 磁材料制成

4、的“极靴”，线圈外包有铁壳屏罩。当线圈通过电流时，就会在极靴间隙产生轴 对称磁场。这种短磁透镜的焦距等于极靴间隙宽度。“极靴”内孔越小、上下“极靴”间隙 越小，透镜的放大率越大。因此，“极靴”是电镜的关键部分，对电镜的分辨率起着决定性 作用。只要改变透镜线圈的是电流，就能相应地改变透镜的焦距和放大率。(二) 电镜成像原理 电子显微镜以电子束为光源。由热阴极发射的电子，在几十至几百千伏加速电压作用下，经聚光镜聚焦成束，以较高速度投射到很薄的样品上，并在与样品中的原子发生碰撞时，改 变方向，产生立体角发散。散射角的大小与样品的密度和厚度有关：质量、厚度越大者，电 子散射角也越大，通过的电子被样品后

5、面小孔光栏挡住的就越多，像的亮度较暗；质量、厚度较小者，电子散射角亦较小，穿过光栏的电子较强，则成像的亮度较大。因此对于不同质量、厚度的物质，在荧光屏就形成明暗不同的黑白影像（图附2-1） 0（三）透射电镜的构造透射电镜主要由电子光学系统、真空系统和供电系统三部分构成（图附2-2） o1. 电子光学系统：构成电镜的主体，包括电子枪、聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、荧光屏以及屏下的照相记录装置。电子東图 附 2-1 透射电镜的投射原理图附2-2透射电镜剖面示意图（1）电子枪：为电子的发射源。由阴极、栅极和阳极组成。电子枪的阴极是由直径 0.08-0.15mm细钨丝制成的“V”形灯丝，另端点

6、焊在云母、陶瓷或烧结玻璃支架的牢固棒 上。当灯丝加热至2200-2500K时，就发射自由电子。栅极或称“负偏压栅极”其电位比灯 丝负100-500伏，改变其电位可控制电子束的大小和强度。为了获得适宜的亮度，灯丝尖端 应精确地对准栅极孔的中心，并严格地控制灯丝尖端与栅极表面间的距离，距离小，则可减 少所需发射的电子流，即可降低灯丝的工作温度，而使灯丝寿命延长。阳极接地维持0伏电 位。由阴极灯丝发射的电子，通过栅极上的小孔，再通过电子枪交叉点形成一射线束，经 50-120千伏的电压加速，即形成高速电子流射向聚光镜。（2）聚光镜：能将电子枪射出的电子束聚焦，并使其能量以最小损失送到样品上，用以 控制

7、照明强度和照明孔径角。高分辨的电镜多用双聚光镜：第一聚光镜为强透镜，可把束斑 缩小到1p m；第二聚光镜为弱透镜，可把束斑放大到2p m,而得到几乎平行于光轴的电子 束。双聚光镜有两个优点:一是使样品上亮点的直径恰好等于在给定的放大率下所要求的值; 二是提高照明效率，即能够减少电子枪的亮度，延长灯丝寿命。第一聚光镜装有固定光栏, 用以保护光栏减少污染;第二聚光镜装有可调孔径的活动光栏，其孔径为100、200和500nmo 孔径越小，照明孔径角越小。(3) 样品室：位于物镜之上聚光镜之下。室内有样品架、样品台和样品控制等结构。样 品台可承载样品，使之在同一平面上纵向或横向移动。(4) 物镜：是电

8、镜最重要的部分，决定着电镜的分辨本领和成像质量。物镜由高导磁性、 高纯铁或铁钴合金经精加工成为光洁度极高、很圆而又非常轴对称、在强磁场作用下不发生 磁饱和现象的“极靴”和具有非磁性材料的、带铁壳的线圈所组成。物镜是短距透镜，放大 率较高。在物镜上方装有光栏，孔径为0.02、0.03、0.05、0.07mm。更换不同的孔径可改 变物镜成像的孔径角和反差。一般物镜的质量要求很高，除精密加工外还装有消像散器。(5) 中间镜：结构与物镜相似。中间镜的焦距很长，是可变倍率的弱透镜。其作用是将 经物镜放大几十倍至几百倍的电子像再进行二次放大。只要改变其励磁电流，就可以使电镜 的总放大率在很大范围内连续地改

9、变而不造成像的畸变。一般可达一千倍到几十万倍。(6) 投影镜：位于中间镜之下，结构也与物镜相似，是高倍率的强透镜。作用是使中间 像放大后在荧光屏上成像。(7) 观察与记录部分：观察室内装有荧光屏。当电子轰击时，屏上的荧光物质被激发， 而形成肉眼可见的电子显微图像，在观察室正面及侧面是装有铅玻璃的观察窗，可防止射线 和对观察者的危害。为了再度帮助看清屏上的影像，还在观察室外装人5-10倍的放大镜。 在荧光屏的下方有照相装置，可记录影像。2. 真空系统：电镜对电子束通道(镜筒内空间)内的真空度要求很高，一般应保持在10-4 mmHG以上真空度以“托” (Torr)为单位，1托=lmmHg=133.

10、322Pa=1.32X 10-3大气压,真 空度的好坏是影响电镜能否正常使用的关键。在电子束的通道内不能有任何游离气体存在， 否则电子与残余的原子碰撞，引起电离、放电、电散射、灯丝易断，样品污染等现象。因此， 电镜 的真空系统一般用二级真空泵，前级为机械泵，可将真空抽到 10-2托左右；后级为油 扩散泵或离子聚集泵，继续抽至10-5托左右。一般真空度达到10-4即可进行工作。3.电源供电系统：高性能电镜的供电系统比较复杂，有灯丝加热电源、电子加速高压电源和透 镜励磁电源。供电系统的稳定度至关重要，直接影响成像的质量，因此在电路中要加一 、 二级稳压装置。灯丝加热采用高频或直流，以保证稳定。高压

11、电源提供电子加速电压，调节 范围20(25)-100(125)kV,但电流很小只有几十微安。透镜励磁电源供给各透镜的电流，电 压不高而电流较大。加速高压与透镜电源都要求有足够的稳定度，否则将影响透镜的焦距， 造成像差。为得到清晰的像，在照相时间内 (以秒计)加速高压与透镜电流的波动值应小于 10-6/分。三 、 扫 描 电 镜 （scanningelec tron microscope）的结构与原 理自电子枪阴极发射出来的电子 受到 5-30 千伏的电压加速，经二 个聚光镜和物镜组成的电子光学 系统形成极细的电子速并聚焦在样品表面。入射电子与样品中的原子相互作用产生二次电子信号，信号大小依样品

12、表面的形状而异。使二次电子加速至10 千伏左右并射到由闪烁塑料光导管、光电倍增管等组成的探测器上，再经视频 图 附 2-3扫描电镜的结构与原理简图放大后调制显像管的偏转线圈电流与扫描线圈中的电流同步，所以显像管荧光屏上任一点的 亮度便于标本表面上相应点发出 的二次电子数一一相应，结果在荧光屏上形成标本的表 面图像。图像可直接在荧光屏上观察，亦可照相记录（图 附 2-3）。目前一般扫描电镜的分辨率为60-100A（6-10nm）。如果肉眼能分辨荧光屏上两点间的距0.2mm离为0.2nm,则扫描电镜的有效放大倍数为=20 000Xo02mm10(A透射电子显微镜透射电子显微镜是以波长很短的电子束做

13、照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具 有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。其主要特点是，测试的样品要求厚 度极薄（几十纳米），以便使电子束透过样品。图 2-9 透射电子显微镜2-2-1 透射电子显微镜的构造图 2-10 电子系统剖面图透射电子显微镜由电子光学系统，真空系统和供电控制系统三大部分组成。其中， 真空系统是为了保证电子在整个狭长的通道中不与空气分子碰撞而改变原有轨 迹而设计的，供电系统则是为提供稳定加速电压和电磁透镜电流而设计的，它们 是电子显微镜的两个辅助系统。电子光学系统，又称镜筒，是电子显微镜的主体。最上部是照明系统，由钨丝阴极在加热状态下发射电子。经过电场加速形成一个 直径

14、50 微米大小的电子源（相当于光学显微镜的光源）。经过双聚焦镜，发散的电子束被聚焦在样品上（电子束斑直径仅有 3-5 微米）。 穿过样品的电子束经过物镜，在其像平面上形成第一幅高质量的样品形貌放大 像，然后再经过中间镜和投影镜的两次放大，最终形成三级放大像而显示在荧光 屏上，或当荧光屏竖起来时就被记录在照相底片上。样品室是电子光学系统中的重要组成部分，位于聚光镜和物镜之间，其作用是通 过沿平台承载样品，并能使样品平移，倾斜或旋转，以选择感兴趣的样品区域或 位向进行观察分析。在特殊情况下，样品是内还可分别装有加热，冷却或拉伸等 各种功能的侧插式样品座，供相变、形变等过程的动态观察。2-2-2 成

15、像原理透射电子显微镜中，物镜、中间镜，透镜是以积木方式成像，即上一透镜的像就 是下一透镜成像时的物，也就是说，上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面， 这样才能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。在这种成像方式中，如果 电子显微镜是三级成像，那么总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘积。M = M.M.M （ 8 ）0ip式中：MO-物镜放大倍率，数值在50-100范围；Mi中间镜放大倍率，数值 在0-20范围；Mp-投影镜放大倍率，数值在100-150范围，总的放大倍率M 在 1000-200,000 倍内连续变化。图2-11透射电镜的成像方式a）显微成像b）衍射花样成像 成像系统光路图如图 2

16、-11所示。当来自照明系统的平行电子束投射到晶体样品 上后，除产生透射束外还会产生各级衍射束，经物镜聚焦后在物镜背焦面上产生 各级衍射振幅的极大值。每一振幅极大值都可看作是次级相干波源，由它们发出 的波在像平面上相干成像，这就是阿贝光栅成像原理。由此看出，透镜成像可分 为两个过程，一是平行电子束与样品作用产生衍射束经透镜聚焦后形成各级衍射 谱，即物的信息通过衍射谱呈现出来。二是各级衍射谱发出的波通过干涉重新在 像面上形成反映样品的特征的像。显然从物样同一点发出的各级衍射波经过上述 二过程后在像面上会聚为一点，而从物样不同地点发出的同级衍射波经过透镜 后，都会聚到后焦面上的一点。只有这样，才能形

17、成反映物样特点的像。这样，当中间镜物面与物镜像面重合时，得到三级高倍放大像（图 2-11a）- 试样显微成像；当中间镜物面与物镜背焦面重合时，将得到放大了的衍射谱（图 2-11b）-衍射花样成像；2-2-3 透射电子显微镜的样品制备透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电子 束是“透明”的。电子束穿投固体样品的能力主要取决与加速电压和样品的物质 原子序数。一般来说，加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透样品 的厚度就越大。对于透射电镜常用的加速典雅100KV，如果样品是金属其平均原 子序数在Gr的原子附近，因此适宜的样品厚度约200纳米。显然要植被这样薄的金

18、属样品不是一件轻而易举的事。因此当透射电镜诞生后， 首先被用于观察医学生物样品，而金属样品遇到的困难就是样品制备问题。目前，样品可以通过两种方法获得，一是表面复型技术，二是样品减薄技术。表面复型技术谓复型技术就是把金相样品表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄 的膜上，然后把复制膜（叫做“复型”）放到透射电镜中去观察分析，这样才使 透射电镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。用于制备复型的材料必须满足以下特点：1. 本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说，为了不干扰对 复制表面形貌的观察，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也 不显示其本身的任何结构细节。2.

19、必须对电子束足够透明（物质原子序数低）；3. 必须具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；4. 必须具有良好的导电性，耐电子束轰击；5. 最好是分子尺寸较小的物质-分辨率较高。常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型比塑料复型要好。常见的复 型： 塑料一级复型，碳一级复型，塑料碳二级复型，萃取复型（图 2-11 所示）。图 2-11 常见的复型方法图 2-12 复型的典型应用 a) 珠光体组织 b) 准解理断口 c) 断口萃取复型样品减薄技术 复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能揭示晶体内部组织结构信息，受复 型材料本身尺寸的限制，电镜的高分辨率本领不能得到充分发挥，萃取复

20、型虽然 能对萃取物相作结构分析，但对基体组织仍是表面性貌的复制。在这种情况下， 样品减薄技术具有许多特点，特别是金属薄膜样品：1. 可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领；2. 能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬 成像及电子衍射研究，把性貌信息于结构信息联系起来；3. 能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等 晶体缺陷在引力下的运动与交互作用。用于透射电镜观察式样的要求是：它的上下底面应该大致平行，厚度应在50-500nm，表面清洁。由大块试样制备薄膜一般需要经历以下三个步骤：1. 利用砂轮片，金属丝或用电火花切割方法切取厚度小于 0.5mm 的薄块。2. 用金相砂纸研磨，把薄块减薄到 0.1mm-0.05mm 左右的薄片。这种方法可 能会严重发热或形成应力使样品受到影响，为此可采用化学抛光法。它的 特点是可用于陶瓷等不导电的样品。3. 用电解抛光的方法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于500nm的薄 膜。图 2-13 双喷电解减薄仪图 2-14 离子减薄装置