電子顯微鏡

電子顯微鏡

電子顯微鏡(electron microscope),簡稱電鏡或電顯,是使用電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短(波粒二象性),而顯微鏡的解析度受其使用的波長的限製,因此電子顯微鏡的解析度(約0.2納米)遠高于光學顯微鏡的解析度(約200納米)。

  • 中文名稱
    電子顯微鏡
  • 外文名稱
    electron microscope

​基本介紹

電子顯微鏡,簡稱電鏡,是根據電子光學原理,用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡,使物質的細微結構在非常高的放大倍數下成像的儀器。

電子顯微鏡

結構組成

電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源櫃三部分組成。

電子顯微鏡

鏡筒主要有電子源、電子透鏡、樣品架、熒光屏探測器等部件,這些部件通常是自上而下地裝配成一個柱體。

電子透鏡用來聚焦電子,是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件。一般使用的是磁透鏡,有時也有使用靜電透鏡的。它用一個對稱于鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦,其作用與光學顯微鏡中的光學透鏡(凸透鏡)使光束聚焦的作用是一樣的,所以稱為電子透鏡。光學透鏡的焦點是固定的,而電子透鏡的焦點可以被調節,因此電子顯微鏡不象光學顯微鏡那樣有可以移動的透鏡系統。現代電子顯微鏡大多採用電磁透鏡,由很穩定的直流勵磁電流通過帶極靴的線圈產生的強磁場使電子聚焦。電子源是一個釋放自由電子的陰極,柵極,一個環狀加速電子的陽極構成的。陰極和陽極之間的電壓差必須非常高,一般在數千伏到3百萬伏之間。它能發射並形成速度均勻的電子束,所以加速電壓的穩定度要求不低于萬分之一。

電子顯微鏡

樣品可以穩定地放在樣品架上。此外往往還有可以用來改變樣品(如移動、轉動、加熱、降溫、拉長等)的裝置。

探測器用來收集電子的信號或次級信號。

真空裝置用以保障顯微鏡內的真空狀態,這樣電子在其路徑上不會被吸收或偏向,由機械真空泵擴散泵真空閥門等構成,並通過抽氣通路與鏡筒相聯接。

電源櫃由高壓發生器、勵磁電流穩流器和各種調節控製單元組成。

主要種類

透射電子顯微鏡

電子顯微鏡

TEMTransmission Electron Microscopy,亦稱投射式電子顯微鏡)因電子束穿透樣品後,再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿,可以直接獲得一個樣本的投影。通過改變物鏡的透鏡系統人們可以直接放大物鏡的焦點的像。由此人們可以獲得電子衍射像。使用這個像可以分析樣本的晶體結構。在這種電子顯微鏡中,圖像細節的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。由于電子需要穿過樣本,因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的解析度決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數納米到數微米不等。原子量越高、電壓越低,樣本就必須越薄。樣品較薄或密度較低的部分,電子束散射較少,這樣就有較多的電子通過物鏡光欄,參與成像,在圖像中顯得較亮。反之,樣品中較厚或較密的部分,在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密,則像的對比度就會惡化,甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。

透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍,電子由鎢絲熱陰極發射出、通過第一,第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品後由物鏡成像于中間鏡上,再通過中間鏡和投影鏡逐級放大,成像于熒光屏或照相幹版上。中間鏡主要通過對勵磁電流的調節,放大倍數可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍;改變中間鏡的焦距,即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。為了能研究較厚的金屬切片樣品,法國杜洛斯電子光學實驗室研製出加速電壓為3500千伏的超高壓電子顯微鏡。

在能量過濾透過式電子顯微鏡(Energy Filtered Transmission Electron Microscopy,EFTEM)中人們測量電子通過樣本時的速度改變。由此可以推測出樣本的化學組成,比如化學元素在樣本內的分布。

掃描電子顯微鏡

SEM Scanning electron microscope)的電子束不穿過樣品,僅以電子束盡量聚焦在樣本的一小塊地方,然後一行一行地掃描樣本。入射的電子導致樣本表面被激發出次級電子。顯微鏡觀察的是這些每個點散射出來的電子,放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子,通過放大後調製顯像管的電子束強度,從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描,這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像,這與工業電視機的工作原理相類似。由于這樣的顯微鏡中電子不必透射樣本,因此其電子加速的電壓不必非常高。

電子顯微鏡

掃描式電子顯微鏡的解析度主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比,可從幾十倍連續地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品;圖像有很強的立體感;能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和X射線等信息分析物質成分。

掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同,但是為了使電子束更細,在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器,在物鏡內部還裝有兩組互相垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內裝有可以移動、轉動和傾斜的樣品台。

場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)是一種比較簡單的掃描電子顯微鏡,它觀察樣本上因強電場導致的場發射所散發出來的電子。

假如觀察的是透過樣本的掃描電子的話,那麽這種顯微鏡被稱為掃描透射電子顯微鏡(Scanning Transmission Electron Microscopy,STEM)。

數碼電子顯微鏡

數碼電子顯微鏡又叫影片顯微鏡,它是將顯微鏡看到的實物圖像通過數模轉換,使其成像在顯微鏡自帶的螢幕上或電腦上。 數碼電子顯微鏡是將精銳的光學顯微鏡技術、先進的光電轉換技術、液晶螢幕技術完美地結合在一起而開發研製成功的一項高科技電子產品。從而,我們可以對微觀領域的研究從傳統的普通的雙眼觀察到通過顯示器上再現,從而提高了工作效率。 數碼顯微鏡在觀察物體時能產生正立的三維空間影像。立體感強,成像清晰和寬闊,又具有長工作距離,並是適用範圍非常廣泛的常規顯微鏡。 它操作方便、直觀、檢定效率高,適用于電子工業生產線的檢驗、印刷線路板的檢定、印刷電路組件中出現的焊接缺陷(印刷錯位、塌邊等)的檢定、單板PC的檢定、真空熒光顯示屏VFD的檢定等等,它將實物的圖像放大後顯示在電腦的螢幕上,可以將圖片儲存,放大,列印。配測量軟體可以測量各種資料。

數碼電子顯微鏡連線電腦觀察PCB板數碼電子顯微鏡連線電腦觀察PCB板

主要用途

透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構;掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌,也能與X射線衍射儀或電子能譜儀相結合,構成電子微探針,用于物質成分分析;發射式電子顯微鏡用于自發射電子表面的研究。數碼電子顯鏡用于觀察物體表面,它將實物的圖像放大後顯示在電腦的螢幕上,可以將圖片儲存,放大,列印。配測量軟體可以測量各種資料。

發展歷史

1926年漢斯·布希研製了第一個磁力電子透鏡。1931年厄恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾研製了第一台透視電子顯微鏡。展示這台顯微鏡時使用的還不是透視的樣本,而是一個金屬格。1986年盧斯卡為此獲得諾貝爾物理學獎。1938年他在西門子公司研製了第一台商業電子顯微鏡。1934年鋨酸被提議用來加強圖像的對比度。1937年第一台掃描透射電子顯微鏡推出。一開始研製電子顯微鏡最主要的目的是顯示在光學顯微鏡中無法分辨的病原體如病毒等。1949年可投射的金屬薄片出現後材料學對電子顯微鏡的興趣大增。

電子顯微鏡

1960年代投射電子顯微鏡的加速電壓越來越高來透視越來越厚的物質。這個時期電子顯微鏡達到了可以分辨原子的能力。

1980年代人們能夠使用掃描電子顯微鏡觀察濕樣本。1990年代中電腦越來越多地用來分析電子顯微鏡的圖像,同時使用電腦也可以控製越來越復雜的透鏡系統,同時電子顯微鏡的操作越來越簡單。

成像原理

1.透射電鏡技術 

透射電鏡是以電子束透過樣品經過聚焦與放大後所產生的物像,投射到熒光屏上或照相底片上進行觀察。透射電鏡的解析度為0.1~0.2nm,放大倍數為幾萬~幾十萬倍。由于電子易散射或被物體吸收,故穿透力低,必須製備更薄的超薄切片(通常為50~100nm)。其製備過程與石蠟切片相似,但要求極嚴格。要在機體死亡後的數分鍾釣取材,組織塊要小(1立方毫米以內),常用戊二醛和餓酸進行雙重固定樹脂包埋,用特製的超薄切片機(ultramicrotome)切成超薄切片,再經醋酸鈾和檸檬酸鉛等進行電子染色。電子束投射到樣品時,可隨組織構成成分的密度不同而發生相應的電子發射,如電子束投射到質量大的結構時,電子被散射的多,因此投射到熒光屏上的電子少而呈暗像,電子照片上則呈黑色,稱電子密度高(electrondense)。反之,則稱為電子密度低(electronlucent)。

2。掃描電鏡技術 掃描電鏡是用極細的電子束在樣品表面掃描,將產生的二次電子用特製的探測器收集,形成電信號運送到顯像管,在熒光屏上顯示物體。(細胞、組織)表面的立體構像,可攝製成照片

電子顯微鏡

掃描電鏡樣品用戊二醛和餓酸等固定,經脫水和臨界點幹燥後,再於樣品表面噴鍍薄層金膜,以增加二波電子數。掃描電鏡能觀察較大的組織表面結構,由於它的景深長,1mm左右的凹凸不平面能清所成像,故放樣品圖像富有立體感。

樣本處理

在使用透視電子顯微鏡觀察生物樣品前樣品必須被預先處理。隨不同研究要求的需要科學家使用不同的處理方法。

固定:為了盡量儲存樣本的原樣使用戊二醛來硬化樣本和使用鋨酸來染色脂肪。

冷固定:將樣本放在液態的乙烷中速凍,這樣水不會結晶,而形成非晶體的冰。這樣儲存的樣品損壞比較小,但圖像的對比度非常低。

電子顯微鏡

脫幹:使用乙醇和丙酮來取代水。

墊入:樣本被墊入後可以分割。

分割:將樣本使用金剛石刃切成薄片。

染色:重的原子如比輕的原子散射電子的能力高,因此可被用來提高對比度。

使用透視電子顯微鏡觀察金屬前樣本要被切成非常薄的薄片(約0.1毫米),然後使用電解擦亮繼續使得金屬變薄,最後在樣本中心往往形成一個洞,電子可以在這個洞附近穿過那裏非常薄的金屬。無法使用電解擦亮的金屬或不導電或導電性能不好的物質如矽等一般首先被用機械方式磨薄後使用離子打擊的方法繼續加工。為防止不導電的樣品在掃描電子顯微鏡中積累靜電它們的表面必須覆蓋一層導電層。

其他資料

在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察,因此無法觀察活樣本。隨著技術的進步,環境掃面電鏡將逐漸實現直接對活樣本的觀察。在處理樣本時可能會產生樣本本來沒有的結構,這加劇了此後分析圖像的難度。由于投射電子顯微鏡隻能觀察非常薄的樣本,而有可能物質表面的結構與物質內部的結構不同。此外電子束可能通過碰撞和加熱破壞樣本。

電子顯微鏡

現在的最新技術可以在電子顯微鏡中觀察濕的樣本和不塗導電層的樣本(環境掃描電子顯微鏡,Environmental Scanning Electron Microscopes,ESEM)。假如事先對樣本的情況比較清晰的話則可以基本上進行不破壞的觀察。

此外電子顯微鏡購買和維護的價格都比較高。

與光學顯微鏡

性能比較

分辨能力是電子顯微鏡的重要指標,電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示,它與透過樣品的電子束入射錐角和波長有關。可見光的波長約為300~700納米,而電子束的波長與加速電壓有關。依據波粒二象性原理,高速的電子的波長比可見光的波長短,而顯微鏡的解析度受其使用的波長的限製,因此電子顯微鏡的解析度(約0.2納米)遠高于光學顯微鏡的解析度(約200納米)。當加速電壓為50~100千伏時,電子束波長約為0.0053~0.0037納米。由于電子束的波長遠遠小于可見光的波長,所以即使電子束的錐角僅為光學顯微鏡的1%,電子顯微鏡的分辨本領仍遠遠優于光學顯微鏡。光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍,而現代電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍,所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。電子顯微鏡的分辨本領雖已遠勝于光學顯微鏡,但電子顯微鏡因需在真空條件下工作,所以很難觀察活的生物,而且電子束的照射也會使生物樣品受到輻照損傷。其他的問題,如電子槍亮度和電子透鏡質量的提高等問題也有待繼續研究。

電子顯微鏡

主要參數

圖像感測器:130萬像素,彩色CMOS,有效像素1280(H)*1024(V)

清晰度:650線以上

圖像重新整理率:15幀/秒

信噪比:>60dB

影片接口:標準VGA接口

VGA輸出支持:1024X768 60Hz(默認),1024X768 75Hz

鏡頭接口:CS

控製功能:亮度,對比度,色飽和度,銳度,Cb偏移量, Cr偏移量,十字游標疊加,垂直鏡像,水準鏡像,負片

電源:5V DC允許10%偏差

工作電流:400mA

功率:2W

體積:48*60*100(mm)總放大倍數:7-150倍

物鏡:0.7-4.5連續變倍

目鏡:0.5X

升降範圍:270mm

手輪調焦範圍:65mm

中心距離:140mm

立柱直徑:25mm

鏡頭接口直徑:50mm

支架總高度:355mm

底座尺寸:390X270X28

凈重:6KG

8寸工業液晶顯示器。

顯微鏡的放大倍數可以根據需要最大可以600倍、觀察面積可以到達30mm以上、使用方便等特點。

選配物件:XY移動平台、LED環形光源、1X、0.3倍目鏡0.5倍、2倍物鏡、底座有多款可選、可以選配多種攝像頭。    

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