電子顯微鏡原理



電子顯微鏡是20世紀的重大科學技術發明,如同三極管的發明推動革命了半導體界一樣,電子顯微鏡也極大地促進了生命科學的發展,發明掃描隧道電子顯微鏡的兩位科學家還獲得了諾貝爾獎。

1. 電子顯微鏡原理—簡介電子顯微鏡(electron microscopy)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。 近年來,電鏡

的研究和制造有了很大的發展:一方面,電鏡的分辨率不斷提高,透射電鏡的點分辨率達到了0.2-0.3nm,晶格分辨率已經達到0.1nm左右,通過電鏡,人們已經能直接觀察到原子像;另一方面,除透射電

鏡外,還發展了多種電鏡,如掃描電鏡、分析電鏡等。電子顯微鏡的分辨本領雖已遠勝於光學顯微鏡,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。

2. 電子顯微鏡原理—結構電子顯微鏡由電子光學系統、真空系統和供電系統三部望遠鏡分組成,下面分別介紹三部分:1) 電子光學系統電子光學系統主要有電子槍、電子透鏡、樣品架、熒光屏和照相機構

等部件,這些部件通常是自上而下地裝配成一個柱體。電子槍是由鎢絲熱陰極、柵極和陰極構成的部件。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於萬分之一。電子透鏡是電

子顯微鏡鏡筒中最重要的部件,它用一個對稱於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,其作用與玻璃凸透鏡使光束聚焦的作用相似,所以稱為電子透鏡。現代電子顯微鏡大多采用

電磁透鏡,由很穩定的直流勵磁電流通過帶極靴的天文望遠鏡線圈產生的強磁場使電子聚焦。

2) 真空系統為了保證真在整個通道中只與試樣發生相互作用,而不與空氣分子發生碰撞,因此,整個電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置於真空系統之內,一般真空度為10-4~10-7毫米汞柱。

3) 供電系統透射電鏡需要兩部分電源:一是供給電子槍的高壓部分,二是供給電磁透鏡的低壓穩流部分。電源的穩定性是電鏡性能好壞的一個極為重要的標志。所以,對供電系統的主要要求是產生高穩

定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。近代儀器除了上述電源部分外,尚有自動操作程序控制系統和數據處理的計算機系統。

3. 電子顯微鏡原理—工作原理目前,電子顯微鏡技術(electron microscopy)已成為研究機體微細結構的重要手段。常用的有透射電鏡(transmission electron microscope,TEM)和掃描電子顯微鏡

(scanning electron microscope,SEM)。下面分別介紹兩種電子顯微鏡的工作原理:1) 透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM)透射電鏡即透射電子顯微鏡(Transmission Electron

Microscope,簡稱TEM),通常稱作電子顯微鏡或電鏡(EM),是使用最為廣泛的一類電鏡。工作原理:在真空條件下,電子束經高壓加速後,穿透樣品時形成散射電子和透射電子,它們在電磁透鏡的作用

下在熒光屏上成像。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金相顯微鏡而呈暗像,電子照片

上則呈黑色。主要優點:分辨率高,可用來觀察組織和細胞內部的超微結構以及微生物和生物大分子的全貌。

2) 掃描電鏡(Scanning Electron microscope)掃描電鏡即掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,簡稱SEM)。主要用於觀察樣品的表面形貌、割裂面結構、管腔內表面的結構等。工作原理

:掃描電鏡是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態。用極細的電子束在樣品表面掃描,激發樣品表面放出二次電子,將產生的二次電子用特制的探測器收集,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,可攝制成照片。主要優點:景深長,所獲得的圖像立體感強,可用來觀察生物樣品的各種形貌特征。



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