电子显微镜简介

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(1A=10-10m)光学显微镜分辨率的极限则为2500A(0.25μm=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(transmission electron microscope)的结构与原理(一)光学透镜与电子透镜1.透镜：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)。

(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)。

1.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。

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1μm ；第二聚光镜为弱透镜，可把束斑放大到2μm ，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500nm 。

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=1mmHg=133.322Pa=1.32×10-3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(scanning electron 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离为0.2nm,则扫描电镜的有效放大倍数为Amm 1002.0=20 000×。

Amm 1002.0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 = M0.Mi.Mp（8）式中：M0---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2-11所示。