电子显微镜术

晚上好赵翔细胞生物电子显微镜术（electronmicroscopy）是指利用电子与样品作用时所发出的信息，对样品进行微区观察和分析的一种方法学。电子显微镜术透射电镜（Transmissionelectronmicroscope,TEM）扫描电镜（Scanningelectronmicroscope,SEM）最常见的电子显微镜：图片分辨率：分辨两点间最小距离的能力一、基本概念肉眼的分辨率：0.2mm光镜的分辨率：0.2μm电镜的分辨率：0.2nm（1mm＝103μm,1μm＝103nm）光具有波动性和粒子性。衍射是因光的波动性而出现的一种物理现象。光镜的分辨率局限在0.2μ，是因为光的衍射。衍射：光波在传播时，如果通过一个大小近于或小于波长的孔，则以孔为中心，形成环形波向前传播。光的衍射.alnis612n0d=α为孔径角(光线入射角的一半)，sinα1，n为物镜与物之间介质的折射率，λ为入射光的波长。可见光的波长是400nm－800nm。2ld为了减小d，我们用油镜，n=1.5,sinα=0.87（最大的孔径角接近90º），此时最小分辨距离αa.alnis612n0d=α为孔径角(光线入射角的一半)，sinα1，n为物镜与物之间介质的折射率，λ为入射光的波长。2ld为了减小d，我们用油镜，n=1.5,sinα=0.87（最大的孔径角接近90º），此时最小分辨距离可见光的波长是400nm－800nm。肉眼的分辨率：0.2mm光镜的分辨率：0.2μm电镜的分辨率：0.2nm（1mm＝103μm,1μm＝103nm）1．根据法国deBroglie的理论，运动电子具有波动性，我们可以将其同光一样，作显微镜的光源，结合经典量子理论，我们可计算出运动粒子的波长：vmh=lλ＝粒子的波长；h＝Planck常数；m＝粒子的质量；v＝粒子的速度。二、电子显微镜的产生基础考虑到高速电子运动时的质量变化(用相对论进行修正)，可得到公式：将λ代人d的计算公式，若所用电压为60kv，则d≈0.24nm。修正公式V23.1＝l(nm)肉眼的分辨率：0.2mm光镜的分辨率：0.2μm电镜的分辨率：0.2nm（1mm＝103μm,1μm＝103nm）2．德国科学家Busch证明：轴对称电磁场可以象凸透镜汇聚光波成象那样聚焦运动的电子束并使其成象。根据这两个原理制成了电磁透镜。电磁透镜电磁透镜是电镜的核心，它可以象光学透镜那样工作。三、电磁透镜的结构螺旋缠绕的通电短线圈可以产生轴对称磁场，但这样的磁场延伸的很广，是一个沿轴的柱形，且中心强度最大。电磁透镜1除内壁外，将线圈周围用软铁包裹，就可产生较强的并较局限的磁场。电磁透镜2如果线圈内部也裹上软铁，只在内部留一个小园孔，得到一个非常集中而且轴很短的磁场。用这种线圈作的透镜焦距长。电磁透镜3要提高放大倍数，缩短透镜焦距，就需减小线圈直径，这就会最终导致线圈过热。这一问题可用在小园孔上下各加一圆锥形，有轴孔的软铁片来解决。这两个软铁片叫极靴，做工很精细，两极靴顶端的距离和园孔的直径均为几毫米。线圈加电流后，极靴间形成一强的范围很窄的轴对称磁场。这种磁场起着电子透镜的作用。电磁透镜4电子在极靴孔中先受向外或向内的力，后受轴向的力，所以电子的运动是绕轴旋转的，同时向轴折射汇聚成象。因此通过电磁透镜的电子总是汇聚的，而且像不仅能颠倒，还能旋转（电流的方向大小可以改变像的角度）。电子在极靴中的运动照明系统样品室成象系统聚光镜电子枪物镜中间镜投影镜机械泵油泵真空系统供电系统电子光学系统四、透射电镜的结构照明系统包括电子枪聚光镜成象系统包括物镜中间镜投影镜(一)、电子光学系统由三部分组成：阴极（灯丝，f）、栅极(控制极,s)和阳极(a)。电子枪照明系统包括电子枪聚光镜成象系统包括物镜中间镜投影镜(一)、电子光学系统电源真空灯丝阳极栅极第一聚光镜第二聚光镜样品物镜中间镜第一投影镜第二投影镜照相装置观察屏聚光镜的作用是将从电子枪发出的电子聚焦到样品上，以得到好的照明效果。磁透镜电源真空灯丝阳极栅极第一聚光镜第二聚光镜样品物镜中间镜第一投影镜第二投影镜照相装置观察屏物镜是第一级放大电磁透镜，位于样品室下。它的好坏的电镜的分辨率起决定性作用，是评价电镜好坏的重要指标。电源真空灯丝阳极栅极第一聚光镜第二聚光镜样品物镜中间镜第一投影镜第二投影镜照相装置观察屏中间镜的结构与物镜类似。用来放大的电磁透镜。调节其电流可使像连续放大。它的调节范围很大，一般在一千倍到几十万倍。物镜和中间镜电源真空灯丝阳极栅极第一聚光镜第二聚光镜样品物镜中间镜第一投影镜第二投影镜照相装置观察屏电子显微镜中，电子从电子枪发出通过样品到达荧光屏的整个路程应该不与空气分子碰撞，这就要求镜筒中具有高真空。镜筒的高真空还可以使灯丝寿命延长，避免电子枪放电而引起高压不稳，也可使样品避免污染。（二）、真空系统衡量真空度的单位是Torr(乇，音“托”)，即毫米汞柱（1Torr＝1mmHg）。电镜工作的真空要求在10－4～10－6Torr。一般电镜有二级真空泵，前级是机械泵（10－2Torr），后级是油扩散泵（10－5Torr）。衡量单位电镜各部分对电压电流的要求不同。例如，电子枪需高压（25KV～125KV可调），但电流很小（几十微安）；电磁透镜所需的电压不高，但电流相对较高（安培级）。无论哪一部分对供电系统的要求有一共同点，就是稳定，这样才能保证成象清晰。（三）、供电系统真空系统供电系统电子光学系统图象转换系统照明系统样品室聚光镜电子枪扫描系统信号探测系统信号放大系统信号显示系统机械泵油泵五、扫描电镜的结构照相机扫描发生器探测器放大系统１．电子枪：扫描电镜的分辨率是由电子束在样品上扫描时的直径决定的。电子束交叉点的直径约50μ以下，因此必需将其缩小，才能观察到很小的样品。２．聚光镜：扫描电镜的聚光镜的结构与透射电镜的类似，它们都是强磁透镜，有很强的聚焦能力，两级或三级透镜可将电子束聚成直径在1nm以下的光斑，打在样品上。末级透镜又叫物镜，(一)、电子光学系统照相机扫描发生器探测器放大系统１．扫描系统：要使电子束在样品上扫描，可加两对电场适当的偏转线圈。在里外加一对线圈，也加上锯齿形电流，则电子束沿左右运动。两对偏转线圈共同作用，可使电子束在样品上前后左右扫描。电子运动方向偏转方向磁场方向(二)、图象转换系统1．信号的产生:电子束打在样品上，实际上是电子束与样品间相互作用，产生多种信号。2．信号的收集：一般扫描电镜主要观察样品表面的形态，使用二次电子信号。二次电子的能量很低(50eV)，只能从表面几nm厚的样品表面发出。我们可以较容易的把二次电子信号同其它信号分开。二次电子的收集是由二次电子探系统来完成的。(三)、信号探测系统透射电子X－射线二次电子二次电子可见光（光子）非弹性散射电子非弹性散射电子入射电子弹性散射电子N扫描电镜电子信号1．信号的产生:电子束打在样品上，实际上是电子束与样品间相互作用，产生多种信号。2．信号的收集：一般扫描电镜主要观察样品表面的形态，使用二次电子信号。二次电子的能量很低(50eV)，只能从表面几nm厚的样品表面发出。我们可以较容易的把二次电子信号同其它信号分开。二次电子的收集是由二次电子探系统来完成的。(三)、信号探测系统聚焦极（）250V光电倍增管闪烁体（）10KV放大器入射电子二次电子探测器放大系统和显示系统包括：放大电路和显示器及相机入射电子束在样品扫描时，每一点产生的信号就在荧光屏或底片上同一位置显示出这一信号（严格一一对应）。因此，入射电子扫描的范围决定像的放大倍数。即荧光屏的边长与入射电子在样品上扫描的边长之比即放大倍数。显示系统的终端即显示器接在显象管和相机上。(五)、真空系统和供电系统(四)、显示系统照相机扫描发生器探测器放大系统(四)、显示系统放大系统和显示系统包括：放大电路和显示器及相机入射电子束在样品扫描时，每一点产生的信号就在荧光屏或底片上同一位置显示出这一信号（严格一一对应）。因此，入射电子扫描的范围决定像的放大倍数。即荧光屏的边长与入射电子在样品上扫描的边长之比即放大倍数。显示系统的终端即显示器接在显象管和相机上。(五)、真空系统和供电系统思考题：1.什么叫分辨率?用什么来评价电镜？2.透射电镜的好坏是由什么决定的？什么决定透射电镜的分辨率？3.扫描电镜的好坏是由什么决定的？什么决定扫描电镜的分辨率？4.透射电镜和扫描电镜的区别。