生物电镜技术.docx

第一章透射电子显微镜的原理与操作主讲：吴金浪一、电子显微镜的发展简史20世纪30年代，卢斯卡（E.ruska）发明了世界上第一台透射式电子显微镜(transmission electron microscope，TEM)，并且成功地得到了一张由电子束作为光源形成的铜网放大像。当时放大倍数仅有12倍。到1934年——电子显微镜的分辨率提高到50nm，放大倍数达到1万倍。这就是电子显微镜的初型设计阶段。1935年电子显微镜基本定型。1939年德国西门子公司生产了世界上第一批作为商品的透射式电子显微镜，分辨率优于10nm，放大倍数达到10万倍。60年代——透射式电子显微镜的分辨率达到0.5nm。70年代末——电子显微镜的点分辨率已优于0.3nm，晶格条纹分辨率达到0.14nm。实现了人们早就向往的对原子像和晶格像的观察。80年代——电子显微镜已发展成为一种综合分析仪器。例如，安装配有计算机系统的能量分析谱仪，对样品进行元素的成分分析。样品室内亦可装配加热、冷却、大角度倾斜、拉伸样品台等附件，使透射式电子显微镜既能观察样品的形态又能分析样品的成分。扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)是显微镜世家中的一位后起之秀。自第一台定型的透射式电子显微镜产生后，法国卡诺尔就提出了扫描电子显微镜的设计思想和工作原理。到1942年剑桥大学首次制成世界上第一台扫描电子显微镜。由于扫描电子显微镜使用范围广，并具备分辨率高、图像立体感强、放大倍率选择范围广、样品适应性大、制样方便等优点。所以后期发展速度比透射式电子显微镜快的多。70年代已发展成为性能完善，自动化程度高，功能齐全的一种电子光学仪器。电子显微镜种类：由于电子与物质相互作用会产生透射电子、弹性散射电子、能量损失电子、二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和电动力等等。电镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。主要分为透射式电子显微镜(简称透射电镜，transmission electron microscope，TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜，scanning electron microscope,SEM)两大类。扫描透射电子显微镜(简称扫描透射电镜，STEM)则兼有两者的性能。为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，如：超高压(1MV)和中等电压(200~500kV)透射电镜、低电压(~1kV)扫描电镜；有以电子枪类型区分的，如钨灯丝电镜、场发射电镜；有以用途区分的，如高分辨电镜，分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、双束扫描电镜(FIB)等。有以激发的信息命名的，如电子探针X射线微区分析仪(简称电子探针，EPMA)等。二、透射电镜的基本原理就最基本的原理来说，透射电镜和光学显微镜是相同的，它们的显微放大过程基本相似，而且电镜的光路和部件术语也同光镜基本一样。不同的是，电镜的照明源不是可见光而是电子束；透镜也不是玻璃而是轴对称的电场或磁场，并且电子显微镜的总体结构、成像原理、操作方式等与光学显微镜有着本质上的区别。透射电镜的基本原理如下： (一)分辨本领与放大倍数分辨本领是指能够分辨物体上两点之间的最小距离。光学显微镜的分辨极限为O.2μm，而电镜的分辨本领可优于2 ? ，相差达l 000倍，因为影响光镜提高分辨本领的主要因素是由于光线的衍射作用。光学显微镜的分辨本领由阿贝公式决定：式中d为分辨本领，λ为照明波波长，n为物体与物镜之间介质的折射率，α为物体上的点与物镜所成夹角的一半。普通光学显微镜用油浸镜头时n≈1.5，α90。即sinα1，用可见光作照明源时，其平均波长约为5 000 ?，那么它的分辨本领约为2 000 ?。这说明光学显微镜只能分辨大于2 000 ?的结构。要提高分辨本领，必须采用波长短的照明源。电子显微镜的照明源波长约为0.05 ? ，目前最好的电镜分辨本领已达1.4 ? ，比光学显微镜提高了1000多倍。放大倍数是指物体经过仪器放大后的像与物的大小之比。放大了的像还可多次放大，但到一定限度后继续放大时便不能增加细节，这是分辨本领的限制所致。不能增加图像细节的放大倍数称为空放大，而与分辨本领相应的最高放大倍数称为有效放大倍数，为眼的分辨本领与仪器的分辨本领之比。目前商品电镜的分辨本领可达到2 ? ，其有效放大倍数为My= =即100万倍。这个倍数可以从电镜上直接得到，也可在摄制20万倍的底片后再以光学放大5倍来获得。因此，标示电镜性能的主要指标是分辨本领而不是放大倍数。(二)电子束的产生电子束是电镜的照明介质。目前大多数电镜的电子束是由热阴极、控制极和阳极构成的三极式电子枪产生，其示意图：阴极又称为灯丝 (包括钨丝、六铍化镧等)，通常用钨丝制成，通电加热后灯丝内的自