光學顯微鏡電子顯微鏡

电子显微镜，简称电镜，英文名Electron Microscope（简称EM），经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。

电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，光学显微镜的分辨率为0.2μm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm，也就是说透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。

中文名 电子显微镜 外文名 electron microscope 简    称 电镜 组    成 镜筒、真空装置和电源柜

目录

1. 1 组成
2. 2 种类
3. ▪ 透射电子显微镜
4. ▪ 扫描电子显微镜
5. ▪ 发展历史
6. 3 参数
7. ▪ 分辨率

1. ▪ 放大率
2. 4 样本处理
3. 5 缺点
4. 6 应用
5. ▪ 物理学
6. ▪ 化学
7. ▪ 生物学

1. ▪ 医药卫生
2. ▪ 地质与考古
3. ▪ 冶金
4. ▪ 电子元件
5. ▪ 机械工业
6. ▪ 石油化工
7. ▪ 纺织、轻工业
8. ▪ 硅酸盐及无机材料

1. ▪ 原子能
2. ▪ 航空和空间技术
3. ▪ 农林、畜牧
4. ▪ 法学
5. ▪ 环境保护

电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。

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，因此电子显微镜不像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。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3百万伏特之间。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。

电子显微镜

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。

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。 [1] 

透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。

电子显微镜透射电子显微镜

因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿，可以直接获得一个样本的投影。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。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。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。样品较薄或密度较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，在图像中显得较亮。反之，样品中较厚或较密的部分，在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密，则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。

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）。

透射式电子显微镜镜筒的顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上。中间镜主要通过对励磁电流的调节，放大倍数可从几十倍连续地变化到几十万倍；改变中间镜的焦距，即可在同一样品的微小部位上得到电子显微像和电子衍射图像。 [2] 

电子显微镜扫描电子显微镜

扫描电子显微镜的电子束不穿过样品，仅以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被激发出次级电子。显微镜观察的是这些每个点散射出来的电子，放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像，这与工业电视机的工作原理相类似。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。

扫描式电子显微镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束的直径。放大倍数是显像管上扫描幅度与样品上扫描幅度之比，可从几十倍连续地变化到几十万倍。扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子、吸收电子和X射线等信息分析物质成分。 [3] 

扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。 [3] 

电子显微镜发展历史

1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。

世界第一台电子显微镜

1931年厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·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年卢斯卡为此获得诺贝尔物理奖。

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。

1938年他在西门子公司研制了第一台商业电子显微镜。

1949年可透射的金属薄片出现后材料学对电子显微镜的兴趣大增。

电子显微镜

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。

电子显微镜观察区间

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。 [4] 

电子显微镜分辨率

分辨能力是电子显微镜的重要指标，电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示，即称为该仪器的最高点分辨率：d=δ。显然，分辨率越高，即d的数值（为长度单位）愈小，则仪器所能分清被观察物体的细节也就愈多愈丰富，也就是说这台仪器的分辨能力或分辨本领越强。 [1] 

分辨率与透过样品的电子束入射锥角和波长有关。可见光的波长约为300～700纳米，而电子束的波长与加速电压有关。依据波粒二象性原理，高速的电子的波长比可见光的波长短，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（0.2纳米）远高于光学显微镜的分辨率（200纳米）。当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米。由于电子束的波长远远小于可见光的波长，所以即使电子束的锥角仅为光学显微镜的1%，电子显微镜的分辨本领仍远远优于光学显微镜。光学显微镜的最大放大倍率约为2000倍，而现代电子显微镜最大放大倍率超过300万倍，所以通过电子显微镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。

电子显微镜放大率

单就放大率（magnification）而言，是指被观察物体经电子显微镜放大后，在同一方向上像的长度与物体实际长度的比值。这是两条直线的比值，有人将放大率理解为像与物的面积比，这是一种误解，势必引起概念上的混淆和计算方法与结果上的混乱。

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。

1. 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。

2. 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。

3. 脱干：使用乙醇和丙酮来取代水。

4. 垫入：样本被垫入后可以分割。

5. 分割：将样本使用金刚石刃切成薄片。

6. 染色：重的原子如铅或铀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

电子显微镜下的病毒

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硅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。

1.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。随着技术的进步，环境扫描电镜将逐渐实现直接对活样本的观察；

2.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；

3.由于电子散射能力极 强，容易发生二次衍射等；

4.由于为三维物体的二维平面投影像，有时像不唯 一；

5.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；

6.超薄样品（100纳米以下），制样过程复杂、困难，制样有损伤；

7.电子束可能通过碰撞和加热破坏样本；

8.此外电子显微镜购买和维护的价格都比较高。

以下列举电镜常见的应用（截至1984年），其在对外贸易和军事等其他领域也有其用武之地 [5]  。

电子显微镜物理学

分子和原子形态的研究；晶体薄膜位错和层错的研究；表面物理现象的研究等 [5]  。

电子显微镜化学

高分子结构和性能方面的研究；一些有机复合材料的结构形态和添加剂的研究；催化剂的研究：各种无机物质性能、结构、杂质含盘的研究；甚至对一些化学反应过程的研究等 [5]  。

电子显微镜生物学

在分子生物学、分子遗传学及遗传工程方面的研究；昆虫分类的研究：人工合成蛋白质方面的研究以及对各种细菌；病毒、噬菌体等微生物的研究 [5]  。

电子显微镜医药卫生

癌症发病机理的研究及早期诊断；药理及病理学方面的研究；计划生育和节育药物的研究；对病毒及干扰素方面的研究以及临床诊断等 [5]  。

电子显微镜技术在肿瘤诊断中的应用

因此，透射电子显微镜突破了光学显微镜分辨率低的限制，成为了诊断疑难肿瘤的一种新的工具。有研究报道，无色素性肿瘤、嗜酸细胞瘤、肌原性肿瘤、软组织腺泡状肉瘤及神经内分泌肿瘤这些在光镜很难明确诊断的肿瘤，利用电镜可以明确诊断电镜主要是通过对超微结构的精细观察，寻找组织细胞的分化标记，确诊和鉴别相应的肿瘤类型。细胞凋亡与肿瘤有着密切的关系，电镜对细胞凋亡的研究起着重要的作用，因此利用电镜观察细胞的超微结构病理变化和细胞凋亡情况，将为肿瘤的诊断和治疗提供科学依据。

电子显微镜技术在肿瘤鉴别诊断中的应用

电子显微镜地质与考古

地层的研究、分析、识别：矿石的分析研究：化石、古尸、古瓷及各种出土文物的分析研究：文物古董的真伪鉴别等 [5]  。

电子显微镜冶金

精密合金的性能和工艺研究；钢铁材料断口分析和夹杂物成分及分布的分析研究；耐高温、高强度金属材料及超导材料等的研究；金相分析等 [5]  。

电子显微镜电子元件

各种半导体器件如超大规模集成电路等的失效分析和性能检查；硅单晶等各种半导体材料性能的分析研究；各种开关、电位器．接插件的可靠性研究及耐久性分析；录音磁带．磁粉晶形的分析检查等 [5]  。

电子显微镜机械工业

热处理工艺、焊接工艺、铸造工艺等等的研究；破损机件的断口分析等 [5]  。

电子显微镜石油化工

油田岩芯的研究分析：石油制品性能结构的研究和成分分析；催化剂的研究等等 [5]  。

电子显微镜纺织、轻工业

羊毛纤维、纸张和粮食等的质量评定；畲成纤维性能的研究：感光胶片的乳剂的研究等等 [5]  。

电子显微镜硅酸盐及无机材料

各种陶瓷、玻璃、云母、石墨、人造金刚石及新型建筑材料的性能结构和工艺研究和成分分析 [5]  。

电子显微镜原子能

放射性同位素以及反应堆所用特殊材料的研究分析 [5]  。

电子显微镜航空和空间技术

航空和宇航特种材料的研究：高空生理和太空生理的研究；宇宙物质的研究分析等 [5]  。

电子显微镜农林、畜牧

由于植物病毒引起的粮食、果树、烟草等作物的病害的防治研究；家畜、家禽、战马等发生癌病的动物病毒的研究；杂交优势以及诱发突变的研究 [5]  。

电子显微镜法学

刑事案件中对尸体、假币、锁钥。凶器及各种作案工具的判别与分析，为破案提供充分的证据 [5]  。

电子显微镜环境保护

大气或水中的固体粉尘、微粒的分析研究和粒度测定等 [5]  。

• 1    电子显微镜   ．中山大学化学与化学工程学院 厚朴工作室[引用日期2013-07-16]
• 2    第十章 透射电镜的结构与成像原理   ．中南大学材料结构分析精品课程[引用日期2013-07-18]
• 3    扫描电子显微镜   ．浙江大学化学系网站[引用日期2013-07-17]
• 4    电子显微镜发展历史   ．华南师范大学实验中心[引用日期2013-07-16]
• 5    朱祖福，沈锦德等编. 电子显微镜[M]. 北京：机械工业出版社, 1984.12:1-3.