什么是电子显微镜？

电子显微镜常用的有透射电镜（transmission electron microscope，TEM）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）。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。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。

成像原理

1． 透射电镜技术透射电镜技术

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0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。 由於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50～100nm）。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50～100nm）。 其制备过程与石蜡切片相似，但要求极严格。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,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。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,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。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（electron dense）。称电子密度高（electrondense）。 反之，则称为电子密度低（electron lucent）。反之，则称为电子密度低（electronlucent）。

2． 扫描电镜术扫描电镜术

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。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。 （细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。 （细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。

扫描电镜样品用戊二醛和饿酸等固定，经脱水和临界点干燥后,再於样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子数。扫描电镜样品用戊二醛和饿酸等固定，经脱水和临界点干燥后,再于样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子数。 扫描电镜能观察较大的组织表面结构，由於它的景深长，1mm左右的凹凸不平面能清所成像，故放样品图像富有立体感。扫描电镜能观察较大的组织表面结构，由于它的景深长，1mm左右的凹凸不平面能清所成像，故放样品图像富有立体感。

相关知识

1. 光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜为电子束为介质，由於电子束波长远较可见光小，故电子显微镜解析度远比光学显微镜高。 光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜为电子束为介质，由于电子束波长远较可见光小，故电子显微镜解析度远比光学显微镜高。 光学显微镜放大倍率最高只有约 1500 倍，扫描式显微镜可放大到 10000 倍以上。 光学显微镜放大倍率最高只有约 1500 倍，扫描式显微镜可放大到 10000 倍以上。

2. 根据 de Broglie 波动理论，电子的波长仅与加速电压有关： 根据 de Broglie 波动理论，电子的波长仅与加速电压有关：

λ e ＝ h / mv ＝ h / (2qmV) 1/2 ＝ 12.2 / (V) 1/2 (03) λ e ＝ h / mv ＝ h / (2qmV) 1/2 ＝ 12.2 / (V) 1/2 (03) 在 10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为 0.1203 ，远低於可见光的 4000 - 700003 ，所以电子显微镜解析度自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在 50 - 10003 之间，电子与原子核的弹性散射 (Elastic Scattering) 与非弹性散射 (Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的解析度比扫描式电子显微镜高。 在 10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为 0.1203 ，远低于可见光的 4000 - 700003 ，所以电子显微镜解析度自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在 50 - 10003 之间，电子与原子核的弹性散射 (Elastic Scattering) 与非弹性散射 (Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的解析度比扫描式电子显微镜高。

3. 扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深 (depth of field) ，约为光学显微镜的 300 倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的试片。 扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深 (depth of field) ，约为光学显微镜的 300 倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的试片。

4. 扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪 (Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦 (Condenser Lens) 聚焦後，用遮蔽孔径 (Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸 (Beam Size) 後，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 (Objective Lens) 聚焦，打在试片上，在试片的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子 (Secondary Electron) 或背向散射电子 (Backscattered Electron) 成像。 扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪 (Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔径 (Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸 (Beam Size) 后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 (Objective Lens) 聚焦，打在试片上，在试片的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子 (Secondary Electron ) 或背向散射电子 (Backscattered Electron) 成像。

5. 电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有三种，钨 (W) 灯丝、六硼化鑭 (LaB 6 ) 灯丝、场发射 (Field Emission) ，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。 电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有三种，钨 (W) 灯丝、六硼化镧 (LaB 6 ) 灯丝、场发射 (Field Emission) ，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。 透射电子显微镜 透射电子显微镜（英文：Transmission electron microscopy，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍， 用于观察超微结构，即小于0.208m、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。 成像原理 透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：

吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。

衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。

相位像：当样品薄至10003以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。 组件 电子枪：发射电子，由阴极、栅极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作用。

聚光镜：将电子束聚集，可用已控制照明强度和孔径角。

样品室：放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装配加热、冷却等设备。

物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。物镜是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。

中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。

透射镜：为高倍的强透镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。

此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。 透射电子显微镜结构包括两大部分：主体部分为照明系统、成像系统和观察照相室；辅助部分为真空系统和电气系统。

1、照明系统

该系统分 成两部分：电子枪和会聚镜。电子枪由灯丝(阴极)、栅级和阳极组成。加热灯丝发射电子束。在阳极加电压，电子加速。阳极与阴极间的电位差为总的加速电压。经加速而具有能量的电子从阳极板的孔中射出。射出的电子束能量与加速电压有关，栅极起控制电子束形状的作用。电子束有一定的发散角，经会聚镜调节后，可望 得到发散角，很小甚至为0的平行电子束。电子束的电流密度(束流)可通过调节会聚镜的电流来调节。

样品上需要照明的区域大小与放大倍数有关．放大倍数愈高，照明区域愈小，相应地要求以更细的电子束照明样品．由电子枪直接发射出的电子束的束斑尺寸较大，相干性也较差。为了更有效地利用这些电子，获得亮度高、相干性好的照明电子束以满足透射电镜在不同放大倍数下的需要，由电子枪子枪发射出来的电子束还需要进 一步会聚，提供束斑尺寸不同、近似平行的照明束．这个任务通常由两个被叫做聚光镜的电磁透镜完成．图中C1和C2分别表示第一聚光镜和第二聚光镜．C1通 常保持不变，其作用是将电子枪的交叉点成一缩小的像，使其尺寸缩小一个数量级以上．此外，在照明系统中还安装有束倾斜装置，可以很方便地使电子束在 2°～3°的范围内倾斜，以便以某些特定的倾斜角度照明样品。

2、成像系统

该系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光栏、衍射光栏、投射镜以及其它电子光学部件。样品室有一套机构，保证样品经常更换时不破坏主体的真空。样品可在X、Y二方向移动，以便找到所要观察的位置。经过会聚镜得到的平行电子束照射到样品上，穿过样品后就带有反映样品特征的信息，经物镜和反差光栏作用形成一次电子图象，再经中间镜和投射镜放大一次后，在荧光屏上得到最后的电子图象。

照明系统提供了一束相干性很好的照明电子束，这些电子穿越样 品后便携带样品的结构信息，沿各自不同的方向传播(比如，当存在满足布拉格方程的晶面组时，可能在与入射束交成2θ角的方向上产生衍射束)．物镜将来自样 品不同部位、传播方向相同的电子在其背焦面上会聚为一个斑点，沿不同方向传播的电子相应地形成不同的斑点，其中散射角为零的直射束被会聚于物镜的焦点，形成中心斑点．这样，在物镜的背焦面上便形成了衍射花样．而在物镜的像平面上，这些电子束重新组合相干成像．通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与 物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像．通过两个中间镜相互配合，可实现在较大范围内调整相机长度和放大倍数。

透射电子显微镜与透射光学显微镜光路比较

3、观察照相室

电子图像反映在荧光屏上。荧光发光和电子束流成正比。把荧光屏换成电子干板，即可照相。干板的感光能力与其波长有关。

4、真空系统

真 空系统由机械泵、油扩散泵、离子泵、真空测量仪表及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在10-5托以上，目前最好的真空度可以 达到10-9—10-10托。如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。

5、供电控制系统

加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透 镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。透射电镜的电路主要由以下部分组成，高压直流电源、透镜励磁电源、偏转器线圈电源、电子枪灯丝加热电源，以及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动装置及自动曝光电路等。

另外，许多高性能的电镜上还装备有扫描附件、能谱议、电子能量损失谱等仪器。透射电子显微镜结构和成像原理 应用 透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为50～100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。