什么是電子顯微鏡？電子顯微鏡的應(yīng)用及原理

什么是電子顯微鏡？

電子顯微鏡是通過用電子束照射樣品來觀察樣品的顯微鏡。由于電子束的波長(zhǎng)極短，因此可以觀察到光學(xué)顯微鏡無(wú)法觀察到的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。主要有兩種類型：將電子束的透射率輸出為圖像的類型，以及將電子束與樣品之間相互作用產(chǎn)生的信號(hào)成像的類型。

許多作為產(chǎn)品出售的電子顯微鏡都針對(duì)工業(yè)材料進(jìn)行了優(yōu)化，并且針對(duì)觀察生物樣品進(jìn)行了優(yōu)化。此外，電子顯微鏡?？s寫為“電子顯微鏡"或EM，這是其英文名稱的第一個(gè)字母。

電子顯微鏡的應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域，它用于通過分析斷裂表面來調(diào)查金屬零件損壞的原因，并通過觀察加工表面來檢查質(zhì)量。此外，通過觀察聚合物網(wǎng)絡(luò)，我們可以研究機(jī)械性能并評(píng)估雜質(zhì)的存在。在生命科學(xué)領(lǐng)域，我們通過可視化細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的精細(xì)結(jié)構(gòu)并觀察神經(jīng)元復(fù)雜的纏繞來繪制神經(jīng)元之間的連接。此外，該方法還被發(fā)現(xiàn)通過對(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理即可應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，并因此獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

電子顯微鏡原理

構(gòu)成電子顯微鏡的元件是輻射源、透鏡和探測(cè)器，從文字上看，它的結(jié)構(gòu)與光學(xué)顯微鏡非常相似。然而，它們的原理都與光學(xué)顯微鏡顯著不同。

首先，電子束與空氣中的分子碰撞，立即衰減消失。因此，電子束的產(chǎn)生和照射必須在真空中進(jìn)行。

其次，一般光學(xué)系統(tǒng)中使用的玻璃透鏡傳輸電子束，因此為了折射電子束，需要使用施加磁場(chǎng)來聚焦電子束的磁透鏡。

此類鏡頭的一個(gè)特點(diǎn)是光學(xué)像差較大，為了改善這一點(diǎn)，它們被設(shè)計(jì)成較小的數(shù)值孔徑。這使得電子顯微鏡能夠具有較深的焦深，從而可以進(jìn)行深度的三維觀察。

標(biāo)準(zhǔn)電子顯微鏡分為兩類：

1.透射電子顯微鏡 (TEM)

這是一種使電子束穿過樣品并根據(jù)其衰減獲得對(duì)比度的方法。為了使電子束能夠通過，必須將樣品厚度調(diào)整極薄。噴射電子的強(qiáng)度稱為加速電壓，在300 kV的加速電壓下，波長(zhǎng)極短為0.00197 nm，分辨率為0.1 nm，與光源尺寸數(shù)量級(jí)。換算到最高放大倍數(shù)時(shí)，這是80萬(wàn)倍，是光學(xué)顯微鏡的800倍，可見高分辨率。透射電子顯微鏡觀察穿過樣品的電子，非常適合在極小的區(qū)域觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如晶體結(jié)構(gòu)。

2.掃描電子顯微鏡（SEM）

當(dāng)在真空中用電子束照射材料時(shí)，會(huì)發(fā)射二次電子、反射電子、特征X射線等。掃描電子顯微鏡圖像是通過掃描空間聚焦電子束并根據(jù)二次電子和背散射電子信號(hào)形成圖像來創(chuàng)建的。由于二次電子是在樣品表面附近產(chǎn)生的，因此二次電子圖像適合觀察樣品上的微小不規(guī)則性。背散射電子是與構(gòu)成樣品的原子碰撞并被反彈回來的電子，背散射電子的數(shù)量取決于樣品的組成（原子序數(shù)、晶體取向等）。因此，背散射電子圖像適合評(píng)估樣品表面的成分分布。

當(dāng)電子束擊中樣品時(shí)，構(gòu)成其表面的原子被激發(fā)并發(fā)射電子。另外，還會(huì)發(fā)射反射電子和特征X射線，但它們被稱為二次電子，可以通過點(diǎn)掃描所發(fā)射的二次電子的強(qiáng)度來獲得。

只能用電子顯微鏡才能觀察到的東西

與一般光學(xué)顯微鏡相比，電子顯微鏡具有高分辨率，使得可以以原子尺寸觀察細(xì)胞和金屬晶體等微小組織結(jié)構(gòu)。

以細(xì)胞為例，用光學(xué)顯微鏡無(wú)法詳細(xì)觀察細(xì)胞內(nèi)除細(xì)胞核以外的微小結(jié)構(gòu)，但用電子顯微鏡卻可以。這使得詳細(xì)研究各種功能成為可能，例如細(xì)胞內(nèi)酶的功能和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。