TEM 三维重构技术
聚焦离子束扫描电镜三维重构夹杂物的形态和分布
聚焦离子束扫描电镜三维重构夹杂物的形态和分布吴园园;洪慧敏;张珂【摘要】The MnS free‐cutting steel and EH36 electroslag weld zone samples were selected as the research object for the study .The layer‐by‐layer sectioning and imaging of inclusions were firstly conducted using the Auto Slice&View functions of focused ion beam‐scanning electron microscope(FIB‐SEM ) .Then ,the Amira software was used for three‐dimensional reconstruction based on the contrast of inclusions to obtain the morphology and distribution of signal inclusion and composite inclusion in steel materials .T he phase i‐dentification of composite inclusion also combined with the elemental mapping analysis function of electron probe micro‐analyzer(EPMA)and phase analysis function of electron back scattering diffraction(EBSD) . The results showed that the inclusions in MnS free‐cutting steel showed the coexisting distribution of strip type ,spindle shape and ellipsoidal type ,while the composite inclusion in EH36 electroslag weld zone sam‐ple was mainly composed of crystalline Mn2 TiO4 phase and amorphous phase with rich Al ,Ca ,Mg ,Si , Mn and O .Moreover ,these two phases were associated with eachother .The three‐dimensional recon‐struction graph clearly showed the morphology and distribution characteristics of inclusions ,which provid‐ed important basis to study the influence of inclusions on steel properties .%以MnS易切削钢和E H36电渣焊焊缝区样品为研究对象，首先利用聚焦离子束扫描电镜的自动系列切片和成像（Auto Slice ＆ View ）功能对夹杂物进行逐层切片并成像，然后利用A mira软件根据夹杂物的衬度进行三维重构，从而得到钢铁材料中单一夹杂物及复合夹杂物的形态和分布。
透射电子显微镜下的生物大分子结构解析
透射电子显微镜下的生物大分子结构解析一、透射电子显微镜技术概述透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用电子束穿透样品的高分辨率显微镜技术。
与传统的光学显微镜相比，透射电子显微镜能够提供纳米级别的分辨率，这使得它在生物大分子结构解析领域具有独特的优势。
本文将探讨透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用，分析其原理、技术特点以及在生物科学领域的重要作用。
1.1 透射电子显微镜的基本原理透射电子显微镜的工作原理基于电子光学原理，电子束通过电磁透镜聚焦，穿透样品后，由检测器接收并转换成图像。
由于电子波长远小于可见光，因此TEM能够达到比光学显微镜更高的分辨率。
1.2 透射电子显微镜的技术特点透射电子显微镜具有以下技术特点：- 高分辨率：能够达到原子级别的分辨率，适合观察生物大分子的精细结构。
- 多模式成像：除了传统的透射成像外，还可以进行扫描透射成像（STEM）和电子衍射等。
- 样品制备要求：需要将生物样品制备成极薄的切片，以确保电子束的有效穿透。
- 环境控制：需要在高真空环境下操作，以避免电子束与空气分子的相互作用。
1.3 透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用非常广泛，包括蛋白质、核酸、病毒等生物大分子的形态学研究和结构分析。
二、生物大分子结构解析的技术和方法生物大分子结构解析是一个复杂的过程，涉及多种技术和方法。
透射电子显微镜技术在这一过程中扮演着重要角色，但也需要与其他技术相结合，以获得更全面和准确的结构信息。
2.1 样品制备技术生物大分子的样品制备是结构解析的第一步，也是关键步骤之一。
透射电子显微镜要求样品必须足够薄，通常需要使用超微切割、冷冻断裂或聚焦离子束等技术来制备样品。
2.2 高分辨率成像技术高分辨率成像是获取生物大分子结构信息的基础。
透射电子显微镜通过优化电子束的聚焦、样品的放置和成像条件，可以获得高质量的图像。
电子显微镜及其应用
电子显微镜及其应用电子显微镜，简称电镜，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。
电子显微镜常用的有扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）和透射电镜（transmission electron microscope，TEM）。
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。
电镜组成部分电子显微镜由镜筒，真空装置和电源柜三部分组成。
镜筒主要有电子源，电子透镜，样品架，荧光屏和探测器等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。
（一）电子源是一个释放自由电子的阴极，栅极，一个环状加速电子的阳极构成的。
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。
它能发射并形成速度均匀的电子束，所以加速电压的稳定度要求不低于万分之一。
（二）电子透镜用来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中最重要的部件。
一般使用的是磁透镜，有时也有使用静电透镜的。
它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦，其作用与光学显微镜中的光学透镜（凸透镜）使光束聚焦的作用是一样的，所以称为电子透镜。
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。
现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。
（三）样品架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样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。
（四）探测器用来收集电子的信号或次级信号。
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。
成像原理扫描电镜技术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。
三维重构技术
紧接着，主讲人对三维重构技术的基本应用进行了简要的阐述，主要有TEMBF三维重构、弱束暗场技术、高角度散射暗场电子透射显微法(HAADF一STEM)。经过发展其又表现出了新的特征，如四维重构、原子分辨率的三维重构、硬件的革新与突破，重构尺度的复合与手段多样化。并由此产生了新的三维重构技术，如聚焦离子束三维重构技术、电子衍射三维重构技术等。
首先，主讲人冯老师对生活中的三维形态问题和三维重构技术的背景意义，进行了简单的介绍，并指出获取三维形象的三要素，即分析仪器、计算机采集二维信息和计算机辅助，只有满足这三个要素，才能实现三维重构的功能。对于三维重构技术，主讲人向在场的同学解释道，这是人们的习惯称呼，其全称为三维电子断层扫描技术。至此，主讲人冯老师通过详细的讲解，让在座的老师同学们对三维重构技术有了基本的正确的认识，为同学对该技术有更深入的了解打下了一些基础。
活动最后，主讲人冯老师还介绍了重庆大学在三维重构技术方面的研究工作并列举了本校所拥有的仪器设备，如球差校正透射镜、JEOLJEM2100型透射电子显微镜、双束显微分析系统、三维原子探针。活动中同学们认真听讲，对三维重构技术有了更深入的了解。
教你认识三维重构技术
——记系列学术沙龙之三维重构技术
2014年5月9日下午由研究生创新实践基地和材料学院中心实验室联合举办的多主题系列学术沙龙活动在重庆大学材料学院B区二楼学术报告厅圆满完成，主讲人冯宗强老师向在场的来自材料等专业的老师同学对比讲述三维重构技术的主要分类、发ห้องสมุดไป่ตู้过程与技术特点，并以透射电镜三维重构技术为重点，系统介绍基于多种图像衬度的三维重构技术的基本原理、技术要点、应用领域及发展趋势。
TEM的结构原理及其操作使用
透 射 电 镜 的 结 构 、 原 理 、 及 操 作
JEM-2100F场发射透射电子显微镜（FETEM）
Field Emission Transmission Electron Microscope
一、透射电镜的结构与工作原理
成像方式
(n通常为3~6）
衍射方式
二、透射电镜的用途
透射电镜是研究固态物质显微形貌、晶体结构和测量微 小物体的尺寸和形状的仪器，广泛应用于高分子材料、纳 米材料、金属材料、陶瓷、冶金、生物、医学、地质、半 导体、仿生学等各个领域以及工农业生产中。通过透射电 镜可以方便的观察到物质的微观结构、晶体的生长规律， 检测各种材料的老化及其疲劳损害程度，分析各种材料中 各种成分的分布规律及其各种元素间的比例关系。
明场像
离轴暗场像
中心暗场像
影响衍射强度的主要因素是晶体取向和结构振幅，主要是晶体对电子的衍射。 由于晶体样品的复杂性和不完整性，样品衍射衬度也有多种表现形式，例如：
1）衍射明场像中两个晶粒一明一暗，说明前者不处于布拉格衍射条件位置， 而后者处于布拉格衍射条件位置；
2）由于电子波长短，衍射角小，晶体中位错、层错、空位等的缺陷的存在， 致使局部晶格发生畸变，改变了这些部位的衍射条件，正常的周期性遭到了破 坏，使其与周围有不同的成像电子束强度而显示衬度； 3）基体中微区域元素的富集，使正常的晶面间距发生变化，也会改变局部 区域的衍射条件，提供新的衬度； 4）两种不同的物相，组成不同，对电子散射本领不同，结构振幅不同，引 起衬度差别； 5）电子衍射强度由于样品厚度的变化在像中会产生等厚条纹（同一条纹上 的样品厚度相同）；而由于晶体的弯曲在像中会产生等倾条纹（同一条纹上晶 体偏离矢量的数值相等）。 通常衍射衬度明、暗场成像分析常与衍射方式中的选区电子衍射相结合来确 定物相的显微形态、点阵类型和参数。
原子分辨成像
原子分辨成像是一种能够在原子级别上提供物质结构的详细图像的技术。
原子分辨成像技术能够揭示材料的微观结构，对于科学研究和材料开发具有重要意义。
以下是一些关键的原子分辨成像技术：
1. 透射电子显微镜（TEM）：TEM是一种常用的高分辨率成像技术，其分辨率通常在1到2个纳米范围内。
它通过将电子束照射到非常薄的样品上，并通过样品传输，来获取图像。
2. 扫描透射电子显微镜（STEM）：STEM与SEM（扫描电子显微镜）类似，但使用的是透射电子而不是二次电子。
STEM的分辨率比TEM更高，能够提供更加清晰的原子级别图像。
3. 冷冻电子显微镜（cryo-EM）：cryo-EM是一种革命性的分子成像技术，它能够在原子级别上分辨出蛋白质的结构。
这种技术对于研究蛋白质的功能和作用方式非常有用。
4. 超分辨成像方法：中国科学技术大学的团队借鉴经典成像领域的受激耗尽超分辨成像方法，结合冷原子系统的原子量子态初始化和读取技术，在离子阱中实现了单个离子的超分辨成像。
这种方法的空间分辨率可以超越衍射极限一个量级以上。
5. 原子分辨率电子层析三维重构技术：中国科学院金属研究所的研究人员使用这种技术解析了金属晶界的三维原子结构，这对于理解材料的性能和改进材料的设计具有重要意义。
这些技术的发展和应用极大地推动了材料科学、生物学和纳米科技等领域的研究，使得科学家们能够在原子级别上观察和分析物质，从而深入理解物质的基本性质和功能机制。
【精编】TEM-的原理PPT课件
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真空系统
电镜真空系统一般是由机械泵、油扩散泵、离子泵、阀门、 真空测量仪和管道等部分组成. 整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统 之内，一般真空度为10－4 －10－6 Torr。 如果真空度不够，就会出现下列问题：
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2）多晶材料的电子衍射。
NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射
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3）非晶态物质衍射。
典型的非晶衍射花样
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理论准备-----电子衍射原理
电子衍射是以满足（或基本满足）布 拉格方程作为产生衍射的必要条件。它与X 射线衍射相似。
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布拉格定律
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倒易点阵
电子衍射斑点与晶体点阵有一定对应关系，但不是晶体 某晶面上原子排列的直观影像。这些斑点可以通过另外一个 假想的点阵很好的联系起来---倒易点阵。
三极管的沟道边界的高分辨环形探测器adf图像及能量损失谱光学显微镜与透射电镜的比较比较部分光学显微镜透射电镜光源可见光日光电灯光电子源电子枪透镜光学透镜磁透镜放大成象系统光学透镜系统电子光学透镜系统样品1mm厚的载玻片约10nm厚的薄膜介质空气和玻璃高度真空像的观察直接用眼利用荧光屏分辨本领200nm0203nm有效放大倍数10聚焦方法移动透镜改变线圈电流或电压1926年布施发现轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦
射谱投影到荧光屏上，形成最终放大的电子像及衍射谱。
它可以保持图像的清晰度不受中间镜放大倍数的影响。
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物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100 倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为0-20 倍。三级成像的总放大倍数为：
M总 = M物 ×M中 ×M投
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4dstem原理 -回复
4dstem原理-回复什么是4dstem原理？4dstem原理是一种高分辨透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）技术，可以实现在多个维度上同时对样品进行成像和分析。
它结合了传统电子显微镜的高分辨率成像能力和时间分辨能力，同时还能够获得样品的三维结构和动态变化信息。
在传统的TEM中，通过使用电子束穿透样品来获取高分辨率的成像。
然而，由于电子束的强度较弱，样品中的较细结构可能因为散射和吸收而难以观察。
此外，传统TEM也无法提供样品的三维信息和动态变化。
而采用4dstem原理的TEM则可以克服这些限制。
它使用了一种先进的探测器，可以收集多个角度上的电子衍射图像，这些图像可以被重新构建为三维复原图。
通过利用样品对不同入射角度的电子束的散射行为，4dstem可以获取样品的三维结构信息，从而实现对样品的高分辨率成像。
除了静态成像，4dstem还可以通过时间分辨成像来观察样品的动态变化。
它利用快速的图像采集技术，可以在非常短的时间内连续获取样品的图像序列。
通过对这些图像序列进行分析，可以研究样品的动态变化过程，如相变、晶体生长等。
4dstem原理在材料科学、纳米科学、生物科学等领域具有广泛的应用。
例如，在材料科学中，它可以用来研究材料的晶体结构、缺陷行为和界面性质，进而优化材料的性能。
在纳米科学中，4dstem可以用来探索纳米颗粒的形貌、生长动力学和表面反应等。
在生物科学中，它可以用来研究生物大分子的结构和动态行为，揭示生物体内的微观细节。
总之，4dstem原理通过将传统TEM和动态时间分辨技术结合起来，为我们提供了一种强大的工具，可以实现在多个维度上对样品进行成像和分析。
它在材料科学、纳米科学和生物科学等领域的应用前景十分广阔，有望为科学研究和技术创新带来新的突破。
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大规模的数据量是三维重构至关重要必不可少的 另一因素，决定了TEM 三维重构的计算量非常巨大。 目前所有的重构软件都是在牺牲图像分辨率的前提下 完成三维重构的巨大计算量，如何在不牺牲分辨率的 情况下，选用高性能计算技术将上百张图像进行重构 也成为研究三维重构的热点。
TEM 模式下分别倾转( a) － 62°，( b) 0°，( c) + 60° Xplore 软件采集的二维图 像;d: பைடு நூலகம்构得到的三维模型Bar = 50 nm
实例2：表征材料显微组织之间的相对位置
在纳米管中填充金属颗粒相对改 善纳米管的性能有明显的作用。但 金属颗粒是否被真正填充到纳米管 中，还是附着在纳米管的表面，从 TEM 的形貌观察中无法确认。利 用三维重构，可以从不同角度观察 金属颗粒的位置，确定是否真正完 成了在纳米管中的填充。 通过合成的录像( movie) 可以明 显的判定金属颗粒包裹在碳纳米管 内部。
TEM 模式下分别倾转( a) － 60°，( b) 0°，( c) + 60° Xplore 软件采集的二维图 像;d: 重构得到的三维模型Bar = 50 nm
实例3: 表征材料显微组织结构内部孔道信息
简单的纳米空心球在TEM 下 通过调节得到合适的衬度可以显 示出空心的位置和尺寸，但观察 具有孔道的空心球时，孔道的结 构在二维的图像中就会掩盖空心 部分的显现，极易造成显微组织 结构信息判断的失误。通过三维 重构后利用Amira 软件模拟还 原三维立体图，就可以直观的反 映出空心球内部孔道信息。 样品为具有孔道结构、直径约 为150 nm 的二氧化硅球，经三 维重构后Amira 软件模拟出二 氧化硅球内部的孔道信息，如图 7e，二氧化硅球是空心的，孔道 分布呈现发散状，但不规则
TEM 三维重构的基本原理示意图
TEM 三维重构操作步骤
在纳米材料领域应用实例
实例1：表征材料的立体空间形貌－ 纳米球包裹纳米纤维
当合成纳米球并包裹纳米纤维 时，无法从TEM 的二维图片直观 地判断纳米纤维是否均匀的分布 在纳米球上，利用三维重构可以 从立体空间形貌上判断合成后材 料的均匀程度； 通过三维重构可以判断，样品 为海胆状、分布均匀的球，直径 100nm 左右，沿着球面均匀伸出 纳米线，纳米线的末 端接有纳米颗粒。
TEM 三维重构技术
TEM 三维重构技术是电子显微术、电子衍射与计算机图像处理相 结合而形成的一种有效且高分辨率的三维重构方法，用以表征材料三 维空间结构。 TEM 三维重构的基本原理基于中心截面定理：任何实空间的三维
物体沿电子束方向投影的傅立叶变换是该物体所对应的傅立叶空间中
通过中心且垂直于投影方向的一个截面，换言之，只要收集样品在不 同方向的投影或同一样品在不同角度的投影，对每张投影图进行傅立 叶变换，按照投影方向填充到三维傅里叶空间对应的切面，再进行反 傅立叶变换，就可得到实空间的三维结构。