电子显微镜的原理与演示.doc

电子显微镜的原理与演示 实验十一 透射电子显微镜的原理与演示 一 实 验 目 的 1. 通过对透射电镜的结构和成像原理的讲解, 了解透射电镜的工作原理和结构。 2. 通过对电镜演示，了解电镜的操作方法及其在细胞生物学领域中的应用情况。 二 实验原理 透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。 1. 透射电镜的结构 电镜主要由真空系统、供电及保护系统、电子照明系统、成象系统和观察记录系统五大部分构成，其中, 电子照明系统、成象系统和观察记录系统又被称为透镜系统或电子光学系统。(1) 真空系统 电镜所用“光”源为高压电子束，这就要求其介质必须处于真空状态。一般说来，抽真空的意义有三: ?防止灯丝的氧化损伤;?确保电子束在运行过程中不受空气分子的干扰(因为电子在运行过程中一旦遇到空气分子便被散射或吸收, 会严重干扰电子的运动轨迹); ?去除空气分子对样品的污染。 (2) 供电及保护系统 一般的电镜均拥有两个电源, 一个是高电压低电流的高压电源，主要作用是产生高速电子;另一个是低电压高电流的透镜电源，主要作用是控制高速电子束的运动轨迹。另外, 为了保证电压和电流的高度稳定, 电镜还配备有高精度的稳压和稳流等保护与控制系统; 而且一旦电镜的某一部分发生故障后, 电镜的保护系统会让其自动紧急关机和断电, 以免损伤电镜。 (3) 电子照明系统 由电子枪和两级聚光镜组成, 电子枪可产生高压电子束，在灯丝前还有一栅板, 栅板中央有一孔经可调的小孔，用来控制电子束流的粗细, 以阻挡一些散射电子。极细的高压电子束还要经过两级聚光镜进行会聚。第一聚光镜将电子束的直径缩小20~60倍，第二聚光镜再将电子束的直径扩大1~2倍，以期得到极细而均匀的电子束流。 (4) 成象系统 成象系统包括样品室、成像和放大装置。样品室为放置样品的部位，样品放置在一金属样品托中(可同时放置两个不同的样品)，直接插入到样品室中。此外，还有一冷阱直接与样品室相连。冷阱由一液氮罐和一金属导杆组成，金属导杆直接插入到样品室中。液氮罐中的液氮(-196?)将低温经金属导杆直接传递到样品室中, 低温金属导杆通过直接吸附样品室中的少量空气分子以提高真空度，而且样品室内温度的降低还可防止电子的热漂移。 成像和放大部分分别由物镜、中间镜I、中间镜II和投影镜四级电磁透镜组成, 透过样品的电子经过物镜后可被放大50倍，经中间镜I可被放大3倍, 经中间镜II可被放大15倍，经投影镜可被放大200倍，共计可被放大约500,000倍。 (5) 观察记录系统 由观察室、放大镜和照相装置构成。观察室又包括荧光屏和铅玻璃窗。透过样品的电子打到荧光屏上可显示出反映样品真实结构的图像。由于电子对人眼有害，故需要通过一个铅玻璃窗来观察，为了观察得更加清晰，在观察室外还配有一放大镜。鉴于电子形成的荧光图像衰减速度很快，所以一旦观察到理想的结构图像就需要尽快利用照相装置进行照相。值得注意的是，电镜照相与普通照相不同，图像的反衬度最低时才是正聚焦，且底片还必须要经过预干燥处理。 2. 透镜电镜的成像原理 透射电镜之所以能获得高分辨率的图像, 主要是因为它解决了两个关键问题, 一是用电子枪发射出了波长极短的电子波, 二是利用电磁透镜可控制电子的运动轨迹, 即可对电子束进行聚焦、放大和成像。故透射电镜的有效放大倍数可高达数百万倍。 电子枪发射出的高速电子束在磁场中聚焦，从而被会聚到待观察的样品上;电子束在通过样品时会发生散射，但由于样品不同部位的质量厚度不同, 即物质的组成结构不同，电子束发生散射的程度就不同;透过样品后的电子束撞击到荧光屏上，由电能转变成光能，形成了浓淡不同的图像。此图像各处浓淡的不同真实反映了样品不同部位的物质结构，因而可用来分析和研究样品的超微结构。 3. 电镜与光镜的异同点 电镜在结构上与光镜相同，均是由照明光源和透镜构成。所不同的是，(1)电镜所用照明光源为电子枪发射的高压电子束，而光镜为卤灯(或汞灯)产生的可见光(或紫外光)。(2)电镜所用透镜为电透镜，聚焦方式为电聚焦; 而光镜所用透镜为光学透镜, 聚焦方式为机械聚焦。(3)电镜所用介质必须是真空，而光镜则为空气 电镜与光镜的成像原理也基本相同，但由于二者所用照明光源的不同，其成像机理又有着本质的区别。光镜的成像过程是对可见光的反射与吸收; 而电镜的成像过程则是通过对电子束的散射 光学显微镜 电子显微镜 照 射 光 光 束 电子束 波长(nm) 长:200~750 短:0.003~0.008 介 质 空 气 真 空 透 镜 光学透镜 电磁透镜 分 辨 力 0.2~0.1mm 0.1nm 放大倍数 1,000 1,000,000 聚焦方式