電子顯微鏡知識(shí)講座

1、電子顯微鏡知識(shí)講座,編輯：南開大學(xué)化學(xué)院 周杏第,顯微鏡的歷史,大約在400年前（1590年），由荷蘭科學(xué)家楊森和后來(lái)的博物學(xué)家列文虎克發(fā)明和完善的顯微鏡，向人們揭示了一個(gè)陌生的微觀世界，他們是開辟人類顯微分析的始祖。,早期的顯微鏡,因?yàn)樵缙诘娘@微鏡以玻璃鏡片做透鏡，使用可見光為光源，所以人們把它稱為光學(xué)顯微鏡?，F(xiàn)在，最好的光學(xué)顯微鏡可以達(dá)到1500倍的放大倍數(shù)。,現(xiàn)代的光學(xué)顯微鏡,在光學(xué)顯微鏡的完善和發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)：不管如何完善

2、光學(xué)顯微鏡的透鏡和結(jié)構(gòu)，其放大倍數(shù)和分辨率總是被限定在1000多倍和幾百納米的水平，不可能再有所新的突破。,后來(lái)，人們終于發(fā)現(xiàn)：是顯微鏡所使用的光源限制了光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的進(jìn)一步發(fā)展。因?yàn)?，可見光的波長(zhǎng)在390納米到760納米之間，而顯微鏡的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波長(zhǎng)的大小，所以光學(xué)顯微鏡的理論極限分辨本領(lǐng)也就在200納米左右 。,光的本質(zhì),光具有波粒兩像性，其中波長(zhǎng)是光的特性之一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于光

3、有了深入的認(rèn)識(shí)。人們知道了電磁波，紅外線和X射線等等和普通的可見光一樣都是光的一種，它們都具有光的一般性質(zhì)，只不過它們的波長(zhǎng)有所不同。,關(guān)于顯微學(xué)的一些基本概念,分辨率放大倍數(shù)與空放大聚焦，欠焦與過焦景深,什么是分辨率？,簡(jiǎn)單地說，分辨率就是能夠把兩個(gè)點(diǎn)分辨開的最小距離。人眼睛的分辨率大約為0.1個(gè)毫米。所以，要想看清比0.1個(gè)毫米還小的東西，就要借助于放大鏡和顯微鏡。即利用顯微鏡把所要觀察的物體至少放大到0.1個(gè)毫米以上，我

4、們才能看清它。,不同波長(zhǎng)光源分辨本領(lǐng)的比較,點(diǎn)分辨的比較示意圖,放大與空放大,定義：對(duì)于某一顯微鏡而言，在其可分辨能力之內(nèi)的圖像放大，叫做有效放大。此時(shí)的圖像放大不失圖像表面的細(xì)節(jié)。而在顯微鏡分辨能力以外的圖像放大，叫做空放大，也叫做無(wú)效放大?？辗糯笾皇欠糯罅藞D像的輪廓，而不能放大和分辨圖像表面的細(xì)節(jié)。,空放大的示意圖,聚焦和景深的概念,聚焦：簡(jiǎn)單地說就是讓圖像最清楚。在理論上講，就是讓成像在透鏡的焦點(diǎn)上。欠焦：就是成像還未達(dá)到焦點(diǎn)

5、。過焦：就是成像已超過了焦點(diǎn)。景深：就是在焦點(diǎn)附近能看清圖像的余量。一般在低倍率下景深較大，在高倍率下景深變小。,光學(xué)焦距圖,,既然是光源限制了顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的發(fā)展，人們自然會(huì)想到：要想提高顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率，就應(yīng)該更換波長(zhǎng)更短的光源。隨著人們對(duì)電磁波的認(rèn)識(shí)，人們了解到：在一定的電壓下電子束的波長(zhǎng)可以達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)納米，使用電子束做為光源，顯微鏡的分辨率就可能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。,電子顯微鏡的產(chǎn)生,電磁透鏡,研究發(fā)現(xiàn)：靜電

6、磁場(chǎng)可以使電子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，對(duì)稱的靜電磁場(chǎng)可以像玻璃聚焦光線那樣把電子束匯聚成一點(diǎn)，這使得用電子束聚焦成像成為可能，這樣就產(chǎn)生了電磁透鏡。由于電磁透鏡能把電子束象光一樣地聚焦成像，所以使用電子束做為光源的顯微鏡就應(yīng)運(yùn)而生了。這就是電子顯微鏡。,靜電透鏡示意圖,實(shí)用的電子顯微鏡,經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)和摸索，在上個(gè)世紀(jì)三十年代，由德國(guó)科學(xué)家M·克諾爾與E·魯斯卡在柏林工學(xué)院制造出了世界上第一臺(tái)透射式電子顯微鏡。由于使用了

7、電子束做為顯微鏡的光源，電子顯微鏡的分辨率大大超過了光學(xué)顯微鏡，達(dá)到了零點(diǎn)幾個(gè)納米的水平。,電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的光路比較,加速電壓與電子束波長(zhǎng)的關(guān)系,電子顯微鏡的電子束波長(zhǎng)視其所使用的加速電壓的大小而定，一般加速電壓在100KV的電子顯微鏡其電子束的波長(zhǎng)約為0.4納米，這樣電子顯微鏡的分辨率應(yīng)該可以達(dá)到兩個(gè)埃(0.2納米）的水平，這要比光學(xué)顯微鏡的分辨率高的多的多。超高壓的電子顯微鏡其電子束的波長(zhǎng)更短，所以會(huì)有更高的分辨率。,普通

8、的透射電子顯微鏡,超高壓電子顯微鏡,我院電鏡室的透射電子顯微鏡,電子顯微鏡的分類,電子顯微鏡基本分為兩種類型：一種是：透射電子顯微鏡，另一種是：掃描電子顯微鏡。透射電鏡是透射成像，圖像是二維的，靠欠焦形成一定的圖像反差。掃描電鏡是反射成像，圖像是三維的，有很好的立體感，但分辨率低于透射電鏡，目前指標(biāo)分辨率可以達(dá)到3個(gè)納米。,掃描電子顯微鏡圖,其它型式的顯微鏡,掃描隧道顯微鏡：利用隧道電流效應(yīng)原子力顯微鏡：利用原子力效應(yīng)激光力

9、顯微鏡：利用激光作用力磁力顯微鏡：利用磁作用力以上各類顯微鏡都屬于探針觸摸效應(yīng)方式的，而光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡則屬于光的視覺效應(yīng)方式。,使用電子顯微鏡的一般要求,由于電子顯微鏡鏡體內(nèi)為真空系統(tǒng)，所以要求被分析物質(zhì)應(yīng)為干燥的，不含有水分或揮發(fā)性溶劑的樣品。對(duì)于透射電鏡還要求被分析樣品要做的很薄，最好在100納米以下，以有利于電子束的穿透成像。當(dāng)加速電壓較高時(shí)，電子束的穿透力會(huì)更強(qiáng)，所以樣品可以做得厚一些。,透射電鏡的制樣目的,制樣

10、目的：就是要使樣品做的很薄，以利于電子束的穿過。制樣方法：可以是粉碎；切片；研磨；減?。环稚?，以及復(fù)型或染色等等。制樣使用的設(shè)備有：超薄切片機(jī)；真空鍍膜機(jī)；離子減薄儀等等。,超薄切片機(jī),真空鍍膜機(jī),離子鍍膜機(jī),樣品制備的具體要求和方法,對(duì)于粉末樣品一般要求粒度應(yīng)小于300納米，粒度較大時(shí)，會(huì)只能看到顆粒的輪廓，不能分析顆粒表面上的細(xì)節(jié)。纖維類樣品得直徑應(yīng)最好小于200納米。不論是纖維，粉末或高分子納米球的樣品都要在適當(dāng)?shù)娜芤褐凶?/p>

11、良好的分散，然后滴在或撈到銅網(wǎng)上的支撐膜上。對(duì)于特殊樣品需要做特殊的制備，列如：切片，染色，離子減薄或復(fù)型處理。,銅網(wǎng)和承載樣品的支撐膜,透射電子顯微鏡使用的銅網(wǎng)一般直徑為2毫米，上面銃有許多微米大小的孔，在銅網(wǎng)上覆蓋了一層很薄的火棉膠膜并在上面蒸鍍了碳層以增加其膜的強(qiáng)度，被分析樣品就承載在這種支撐膜上。如果在連續(xù)的火棉膠膜上再制出一些通透的孔，我們把這種支撐膜叫作“微篩”。高分辨分析時(shí)一般使用微篩來(lái)承載樣品。,什么是染色？,對(duì)于反

12、射電子能力差，圖像襯度小的樣品常用染色的方法來(lái)提高成像的質(zhì)量。染色的目的就是讓被分析樣品結(jié)合上一些重金屬，以增加其反射電子的能力，使樣品成像的襯度變大，最終獲得高質(zhì)量的電鏡照片。染色常常是對(duì)于生物樣品或高分子樣品而言的，染色的方法有許多種，對(duì)于不同的樣品其染色方法可能完全不同。,無(wú)機(jī)粉末樣品的制備要求,首先，樣品的粒度要足夠的小，例如在100納米以下。如果有團(tuán)聚較大的顆粒，要適當(dāng)?shù)淖鲅心ヌ幚?。一般將粉末樣品置于無(wú)水乙醇之中，使用超聲

13、波將其充分分散，然后再滴到微篩膜上，自然涼干后就可用于電鏡分析了。,超聲波儀,,電鏡照片的分析,對(duì)電鏡照片的分析，應(yīng)先從各種資料中盡可能地對(duì)被分析樣品有所了解，估計(jì)可能出現(xiàn)的結(jié)果，再與電鏡照片進(jìn)行比對(duì)，做出正確的解釋。對(duì)于金屬氧化物可能具有一些典型的構(gòu)成形狀，如球形，條形，支形或核形等等，可以根據(jù)這些形狀來(lái)判斷金屬氧化物的種類和生長(zhǎng)情況?，F(xiàn)代電鏡一般都帶有“能譜”附件，對(duì)于不好判斷的晶粒形狀，可以使用X光能譜對(duì)所分析的樣品做分區(qū)元素

14、分析，然后再做出其正確的判斷。,典型電鏡照片的比較,金顆粒 三氧化二鐵,單晶，多晶與非晶的比較,使用電鏡的電子衍射功能可以判斷樣品的結(jié)晶狀態(tài)：?jiǎn)尉榕帕型旰玫狞c(diǎn)陣。多晶為一組序列直徑的同心環(huán)。非晶為一對(duì)稱的球形。,單晶，多晶與非晶的電子衍射圖,一些樣品的電鏡照片,高分子球 碳棒 MCM41,一些樣品的電鏡照片,Ni晶粒

15、 催化劑 表面 Co顆粒,不同溫度下TiO2晶粒生長(zhǎng)的情況,纖維，角形和花狀的電鏡照片,球表面的Au，氧化鑭，F(xiàn)e2O3,Zn粒，Al2O3，單壁碳管,高分子網(wǎng)，晶體層面，納米球,局部的單晶，晶粒的生長(zhǎng)，晶體棒與顆粒,氧化膜，碳管組裝，銀粒生長(zhǎng),樣品表面的凹凸形態(tài)和附著物,晶體顆粒，F(xiàn)FT變換，電子衍射,硅的晶格排布,金剛石的晶格排布,TECNAI-20拍的AU單晶膜,電鏡使用中的一些問題,放大倍數(shù)不是越大越好。

16、要搞清你做電鏡分析的目的。不是什么樣品都能達(dá)到分辨率的指標(biāo)。要獲得高質(zhì)量的電鏡照片，樣品制備是一個(gè)重要的因素。好的設(shè)備，加上適當(dāng)?shù)臉悠诽幚砗途牡牟僮鞑拍艿玫礁咚降碾婄R分析結(jié)果。,含有表面活性劑的硫化物,結(jié)束語(yǔ),電子顯微鏡以其超高的分辨率而優(yōu)于光學(xué)顯微鏡，使其廣泛地應(yīng)用于材料，醫(yī)學(xué)，化學(xué)，生物等諸多的領(lǐng)域，它已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)研究必不可缺少的科研工具。但是，電子顯微鏡由于它特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其在使用上也有一定的限制，例如：它不能