第一章电子显微镜基本原理
电子显微镜的发展简史
电子波的波长 电磁透镜
电磁透镜的缺陷
电磁透镜的景深和焦长 电子显微镜的构成 与光学显微镜的比较
电子显微镜的发展简史(1)
电子显微镜的诞生，首先在医学生物上得到应用，随后用于金属材料研究。
1949年海登莱西(Heidenreich )第一个用透射电镜观察了用电解减薄的铝 试样；20世纪50年代开始，电镜直接观察到位错层错等以前只能在理论上 描述的物理现象；
1970年日本学者首次用透射电镜直接观察到重金属金的原子近程有序排列， 实现了人类两千年来直接观察原子的夙愿。
2电子显微镜包括以下三种类型的仪器： 扫描电子显微镜：用于微形貌观察、显微成
(SEM ) 分分析 透射电子显微镜：用于微结构分析、微形貌 (TEM ) 观察
电子探针：微区成分分析、显微形貌观察
(EPMA )
3光学显微镜的局限性
任何显微镜的用途都是将物体放大，使物体上的细微部分清晰地显示出来， 帮助人们观察用肉眼直接看不见的东西。
假如物体上两个相隔一定距离的点，利用显微镜把他们区分开来，这个距离 的最小极限，即可以分辨的两个点的最短距离称为显微镜的分辨率，或称分辨 本领。
人的眼睛的分辨本领为0.5mm 左右。一个物体上的两个相邻点能被显微镜 分辨清晰，主要依靠显微镜的物镜。假如在物镜形成的像中，这两点未被分开 的话，贝论利用多大倍数的投影镜或目镜，也不能再把它们分开。 根据光学原理，两个发光点的分辨距离为：
0.61 A
r0 :两物点的间距；
入：光线的波长；
n ：透镜周围介质的折射率； sin a:数值孔径，用N.A 表示。
将玻璃透镜的一般参数代入上式，即最大孔径半角 a =70-75，在介质为油 的情况下，n = 1.5,其数值孔径nsin a = 1.25-1.35,上式可化简为：
1 2 3 4 5 6 7 1
这说明，显微镜的分辨率取决于可见光的波长，而可见光的波长范围为 故而光学显微镜的分辨率不可能高于
2000?。
电子显微镜的发展简史(7)
为进一步提高分辨率，唯一的可能是利用短波长的射线。 例如用紫外线(<400nm )作光源，分辨率可提高一倍。
曾有人提出利用 射线，当时在技术上比较困难，至今仍没有很大发展。但电子的波动性被 发现后，很快就被用来作为提高显微镜分辨率的新光源，即出现了电子显微镜。目前电子 显微镜的放大倍数已达到几十万倍，这是光学显微镜所无法达到的。下面来计算电子束的 波长。
2电子波的波长(1)
已知电子束具有波动性，对于运动速度为
V ，质量为m 的电子波的波长为：
=h/mv
V 和加速电压U 之间存在下面的关系
eU = 1/2 mv 2
V = ( 2eU/m ) 1/2 =h/(2emU) 1/2 h=6.62 X 10-34J.S, m=9.11 X 10-31kg , e=1.60 X
10-19c 后，得
=12.25/U 1/2 U 的单位用伏特，
的单位为？。
前面计算的过程中，电子的质量采用的是静止时的质量，但根据相对论理论，在高速 运动的情况下，其质量有变化：
m = m 0/[1-(v/c) 2]1/2
V 为电子运动的速度，c 为光速。 波长与电压的计算公式应校正为
=12.25/[U(1+0.9788 X 10-6U)]1/2
加速电压与电子波长的关系如下表所示： 可见，只要能使加速电压提高到一定值就可得到很短的电子波。正是这一原因，用高压加 速电子就成为近代电镜的最重要特点，用这样的电子波作为照明源就可显著提高显微镜的 分辨本领。问题是能否制造出使电子波聚焦成像的透镜。
3900 - 7600?, 电子的速度 即 由此得 带入
加速电ffi
电干波长(A)加速电压fkV)
电干波长(血〕
0,0370 0.0142 0.00637
3
电磁透镜(1)
光学显微镜是利用玻璃透镜使可见光聚焦成像的。
电子和可见光不同，它是一带电粒子，不能凭借光学透镜会聚成像。
电子显微镜可以利用电场或磁场使电子束聚焦成像，其中用静电场成像的透镜称为静 电透镜，用电磁
场成像的称为电磁透镜。
由于静电透镜从性能上不如电磁透镜，所以在目前研制的电子显微镜中大都采用电磁透镜。
电子不受磁场力作用，其运动速度的大小及方向不变；
(2) 若V 丄B ，即只改变运动方向，不改变运动速度，从而使电子在垂直于磁
力线方向的 平面上做匀速圆周运动。
(3) 若V 与B 既不垂直也不平行，而成一定夹角，则其运动轨迹为螺旋线。 如图是一常用的电磁透镜剖面图。磁力线围绕短线圈呈环状。
以上表明电磁透镜与光学玻璃凸透镜具有相似的聚焦性质。
4电磁透镜的缺陷(1)
电子波波长很短，在 100KV 的加速电压下，电子波波长为 0.037?,用这样短波长的电子波
做显微镜的照明源，根据 △丫 0=0.61入/ ( n sin a)计算，显微镜的最小分辨率可达
0.02?
左右，然而到目前为止，电镜的最佳分辨率仍停留在
1-2?的水平，这是因为电磁透镜存在
球差，像散及色差等各种缺陷
----像差。
(1) 球差
球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域对电子会聚能力不同而造成的。
远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得多，因而有同一物点散射的电子经过 透镜后不交在一点上，而是在透镜相平面上变成了一个漫射圆斑。
(2) 像散
像散是由干诱镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。磁场不同方向对电子的折射
能力不一样，电子经透镜后形成界面为椭圆状的光束，是圆形物点的像变成了一个漫射圆 斑。
(3) 色差
K
B ，则 F=0,
(1) v // K M
K X
色差是由于成像电子的能量或波长不同而引起的一种像差。能量大的电子在距透镜 中心比较远的地
点聚焦，而能量较低的电子在距透镜中心比较近的地点聚焦。结果使得由 同一物点散射的具有不同能量的电子经透镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射 圆斑。 由于上述像差的存在， 虽然电子波长只有光波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透
镜的分辨率提高十万倍。
目前还不能制造出无像差的大孔径角的电磁透镜，而只能采用很小的孔径角尽可能减小 球差等缺陷的影响。电磁透镜的分辨本领只比光学透镜提高一千倍左右。 5电磁透镜的景深和焦长(1) (1) 景深 透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离 换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。
造成景深现象的原因是像差和衍射综合影响的结果。
景深大小Df 与物镜的分辨本领
△丫 0成正比，而与孔径半角
a 成反比，即：
Df = 2 △丫 0 0/ a
2△丫 0 :为电磁透镜的分辨本领， a:为孔径半角。
因此，电磁透镜的孔径半角越小，景深越大。 一般电磁透镜的 a = 10— 2— 10 —3 rad ，因此
Df = (200 2000) A Y 0
若 A Y 0 = 10?, 则 Df = 2000 ——20000? 即电子显微镜对于高度相差在 2000?的物体，可以同时聚焦在成像平面上。
(2) 焦长
当透镜焦距和物距一定时，像平面沿轴向一定距离内移动，也会引起失焦。但如果 所引起的失焦尺
寸不大于其他原因所引起的散焦斑大小，则对透镜的分辨率没有影响。
DL = 2 A Y 0M 2/ a 一般的电镜焦长都超过 10-20cm 。
因此，只要图象在显示屏上是清晰的， 那么在屏的上下10cm 范围放置胶片，得到的图
象依然是清晰的。
6电子显微镜的构成(1)
(1) 扫描电子显微镜 (2) 透射电子显微镜 (3) 电子探针
6与光学显微镜的比较(1)
(1) 光源 (2) 媒介 (3) 透镜
(4) 分辨率
Df 。
电子束波长＜0.037A 真空
10— 4— 10— 8托
电子透镜(电磁铁)
透射电镜 1.4? 扫描电镜 60?
:
10— 1百万，连续可调 .
透射电子像
二次电子像 背散射电子像
可见光 4000 — 7500? 大气
光学透镜(玻璃透镜) 可见光区 2000? 紫外光去 1000?
10— 2000换镜头
光学透射、反射、干涉像
(5)放大倍数 (9)主要图象
吸收电子像
X射线面扫描像
X射线线扫描像
(10)主要附件电子衍射装置
偏光、反光、锥光…
特征X射线波谱仪
特征X射线能谱仪
俄歇电子谱仪
作业
1电子波的特征及与可见光的异同。
2电子透镜的像差。
3电子显微镜景深大的原因及用途。
第二章电子显微镜成像原理
(一)仪器构型
R I F
Bit
*■
f
A
（二）成像
Electron microscopes use something similar to a light bulb to produce electrons. This is called the filame nt. The filame nt is a p iece of wire and whe n electricity goes through it, not only is light give n off, but also electr ons.
These electro ns are focused by a series of magn ets. The magn ets are made magn etic by
electricity and are called electromag nets. The electrons can be focused on the sample and when they hit the sample a sig nal is give n off.
Stanniris 'Mill H J
J 泸
oeittere-el
E I 亡d imn
El^cliun GLUi
A 內心曰匡
M eiQnellc
El^dnoii
Td-TV
5ceB~in?r
"二 3^0on dory
FD1 星f tQF
FilnULWlH
Sk ll|>
A sp ecial type of detector acts like a TV camera and the image of the sample is dis played on a TV scree n. By cha nging how the electr ons are bent and how the beam of electr ons strikes the sample, you can cha nge the magni ficatio n and focus of the TV image.
The mea ning of
“ SCANNING
Fi nally ， we get the “Image ”.
第三章电子束与物质之间的作用
(一)概述 高速运动的电子束轰击样品，会产生很多物理信息，主要有： 二次电子 背散射电子 透射电子 吸
收电子
X 射线 俄歇电子
阴极发光 EteciflOft/Sp 比
imtfl Inttractiofis
Incident
Beam
Fnnr 可 El 朝zirorts
Atomic humti^r and Topographic ：
^! rnfQTmaton
Sim pie
Sp ccimcn Currem Elec-trie Q 1 Informahan
只有了解上述物理信息的产生原理及所代表的含义，才能设法检测它们、利用它们。 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy) (SEM) 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy) (TEM) 电子探针(Electron Probe Microscopic Analyzer) (EPMA) 分别侧重于对上述某一方面或几方面的信息进行测量分析的。
(二)二次电子 (Secondary Electron )
二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。
由于原子核外层价电子间
的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后， 即可脱离
原子核变成自由电子。
如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，
则那些能量大于材料
逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。
(Secondary Electron )
(Back — scattered Electron )
(Transmitted Electron ) (Absorption Electron ) (X ray ) (Auger Electron )
(Cathodo —
Cathodoluffli nescence
El*血嗣[nJbrmjLijon 加刖r Elglrpr? Surface
尿 5mpo#iiiQira]
infernution
￡4?eojitkiry EliicLreiut rop&graphitnl InfhriiEbon
X-nys
Comp Oil ton Informa^uon
透射电子显微镜的原理及应用 一．前言 人的眼睛只能分辨1/60度视角的物体，相当于在明视距离下能分辨0.1mm 的目标。光学显微镜通过透镜将视角扩大，提高了分辨极限，可达到2000A 。。光学显微镜做为材料研究和检验的常用工具，发挥了重大作用。但是随着材料科学的发展，人们对于显微镜分析技术的要求不断提高，观察的对象也越来越细。如要求分表几十埃或更小尺寸的分子或原子。一般光学显微镜，通过扩大视角可提高的放大倍数不是无止境的。阿贝（Abbe ）证明了显微镜的分辨极限取决于光源波长的大小。在一定波长条件下，超越了这个极限度，在继续放大将是徒劳的，得到的像是模糊不清的。 图1-1（a ）表示了两个点光源O 、P 经过会聚透镜L ，在平面上形成像O ，、P ，的光路。实际上当点光源透射会聚成像时，由于衍射效应的作用在像平面并不能得到像点。图1-1（b ）所示，在像面上形成了一个中央亮斑及周围明暗相间圆环所组成的埃利斑（Airy ）。图中表示了像平面上光强度的分布。约84%的强度集中在中央亮斑上。其余则由内向外顺次递减，分散在第一、第二……亮环上。一般将第一暗环半径定义为埃利斑的半径。如果将两个光源O 、P 靠拢，相应的两个埃利斑也逐渐重叠。当斑中心O ，、P ，间距等于案例版半径时，刚好能分辨出是两个斑，此时的光点距离d 称为分辨本领，可表示如下： α λs in 61.0d n = （1-1） 式中，λ为光的波长，n 为折射系数，α孔径半角。上式表明分辨的最小距离与波长成正比。在光学显微镜的可见光的波长条件下，最大限度只能分辨2000A 。。于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。后来的X
2012年1月内蒙古科技与经济Januar y2012 第2期总第252期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.2T o tal N o.252电子显微镜技术在生物医学领域的应用X 孙计桃 (内蒙古医学院基础医学院电镜中心,内蒙古呼和浩特 010059) 摘 要:电子显微镜在临床研究和疾病诊断中作出了巨大的贡献,并不断开辟着生物医学研究的新领域,主要从细胞、亚细胞的形态结构上阐明疾病的发生、发展及转归规律,丰富了传统病理学的知识。 通过对亚细胞结构和病原体的观察,可以诊断一些肿瘤疾病、心血管疾病、肝病、肾病、血液疾病、细菌、病毒、寄生虫疾病等。随着电镜技术的不断改进以及与多种研究手段相结合,电子显微镜将在生物医学领域应用会更加广泛。 关键词:电子显微镜;临床研究;疾病诊断;应用 中图分类号:T N16∶R318 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)02—0127—02 电子显微镜包括扫描电子显微镜和透射电子显微镜两种类型,利用透射电子显微镜可以观察样品内部超微结构,利用扫描电子显微镜可以观察样品表面形貌,立体感强,在生物医学领域应用较多的是透射电子显微镜。透射电子显微镜的发明为人类在医学科学研究领域做出了巨大的贡献,早在20世纪40年代电子显微镜就在医学上开始发挥其作用,在病毒学、细胞生物学、组织学、病理学、分子生物学及分子病理学都有应用[1-2]。笔者参考相关文献对电子显微镜技术在肿瘤诊断、病毒和病毒性疾病、系统性疾病等研究领域的应用做一概述,说明其是现代临床研究和疾病诊断中不可缺少的重要工具之一。1 电子显微镜技术在医学领域应用特点 随着科学技术的发展,电子显微镜放大倍数已从第一台电镜的十几倍提高到现在的百万倍,因此在生物医学领域利用高性能的电子显微镜观察细胞中各种细胞器正常的和病理的超微结构,诸如内质网、线粒体、高尔基体、溶酶体、细胞骨架系统等,对探明病因和治疗疾病有很大帮助。通过研究细胞结构和功能的关系,也可以研究细胞的通讯与运输、分裂与分化、增殖与调控等生命活动的规律,电子显微镜也可结合各种制样技术观察病毒、细菌、支原体、生物大分子等的超微结构,是现代生物医学研究不可替代的工具。 2 电子显微镜技术在肿瘤诊断中的应用 电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的,光学显微镜的分辨率为0.2L m,透射电子显微镜的分辨率为0.2nm,也就是说透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。因此,透射电子显微镜突破了光学显微镜分辨率低的限制,成为了诊断疑难肿瘤的一种新的工具。有研究报道,无色素性肿瘤、嗜酸细胞瘤、肌原性肿瘤、软组织腺泡状肉瘤及神经内分泌肿瘤这些在光镜很难明确诊断的肿瘤,利用电镜可以明确诊断[3-5]。 电镜主要是通过对超微结构的精细观察,寻找组织细胞的分化标记,确诊和鉴别相应的肿瘤类型。细胞凋亡与肿瘤有着密切的关系,电镜对细胞凋亡的研究起着重要的作用,因此利用电镜观察细胞的超微结构病理变化和细胞凋亡情况,将为肿瘤的诊断和治疗提供科学依据。 3 电子显微镜技术在肿瘤鉴别诊断中的应用透射电子显微镜观察的是组织细胞、生物大分子、病毒、细菌等结构,能够观察到不同病的病理结构,也可以鉴别一些肿瘤疾病,有研究报道电子显微镜技术通过超微结构观察可以区分癌、黑色素瘤和肉瘤以及腺癌和间皮瘤;可区别胸腺瘤、胸腺类癌、恶性淋巴瘤和生殖细胞瘤;可区别神经母细胞瘤、胚胎性横纹肌瘤、Ew ing氏肉瘤、恶性淋巴瘤和小细胞癌;可区别纤维肉瘤、恶性纤维组织细胞瘤、平滑肌肉瘤和恶性神经鞘瘤以及区别梭形细胞癌和癌肉瘤(杨光华,1992)[6-10] 。 4 电镜在肾活检病理诊断中应用 肾穿活检对了解疾病发生、发展及选择治疗方法是十分重要的,可以提高诊断的准确性。目前采用的方法有免疫组化和电子显微镜检查,电子显微镜检查可以弥补光学显微镜分辨率不高的缺陷,可观察到光镜所看不到的成分的超微结构病理变化,特别是上皮细胞、系膜、肌膜细胞和间质的改变,确定有无电子致密物沉着及其沉着部位。Sieg el等曾报道,经对213例肾病活检资料分析,发现有11%的病例需要用电镜作出正确诊断,有36%病例肾的超微结构改变对光镜诊断提供确诊或亚分类,如遗传性肾炎,此病肾小球的组织学特征无特殊改变,唯电镜检查才能作出准确诊断[11]。 5 电镜在代谢性疾病诊断中的应用 随着科学技术的进步,电镜的应用越来越广泛,已有研究报道,电镜在肝脏代谢性疾病、软组织系统疾病诊断中的作用值得肯定。Mierau等(1997)认为 ? 127 ? X收稿日期:2011-12-25
电子显微分析技术及应用 材料测试技术是材料科学与工程研究以及应用的重要手段和方法,目的就是要了解、获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系,即材料的基本性质和基本规律。同时为发展新型材料提供新途径、新方法或新流程。在现代制造业中,测试技术具有非常重要的地位和作用。材料的组织形貌观察,主要是依靠显微镜技术,光学显微镜是在微米尺度上观察材料的组织及方法，电子显微分析技术则可以实现纳米级的观察。透射电子显微镜、扫描电子显微镜和电子探针仪等已成为从生物材料、高分子材料到金属材料的广阔范围内进行表面分析的不可缺少的工具。下面将主要介绍其原理及应用。 1.透射电子显微镜（TEM） a）透射电子显微镜 b)透射光学显微镜 图1：透射显微镜构造原理和光路 透射电子显微镜(TEM)是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学、技术的研究、开发工作中被广泛地使用。 所谓电子显微镜是以电子束为照明光源的显微镜。由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”，从而开发出电子显微镜。而作为透射电子显微镜(TEM)其特点在于我们是利用透过样品的电子束来成像，这一点有别于扫描电子显微镜。由于电子波的波长大大小于可见光的波长(100kV的电子波的波长为0．0037nm，而紫光的波长为400nm)，根据
光学理论，我们可以预期电子显微镜的分辨本领应大大优于光学显微镜。 图l是现代TEM构造原理和光路。可以看出TEM的镜筒(Column)主要有三部分所构成：(1)照明系统，即电子枪；(2)成像系统，主要包括聚光镜、物镜、中间镜和投影镜；(3)观察系统。 通过TEM中的荧光屏，我们可以直接几乎瞬时观察到样品的图像或衍射花样。我们可以一边观察，一边改变样品的位置及方向，从而找到我们感兴趣的区域和方向。在得到所需图像后，可以利用相机照相的方法把图像记录下来。现在新一代TEM也有的装备了数字记录系统，可以将图像直接记录到计算机中去，这样可以大大提高工作效率。 2.扫描电子显微镜（SEM） 下图为扫描电子显微镜的原理结构示意图。由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10m m的电子束，并在试样表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。这种扫描方式叫做光栅扫描。 图2：扫描电子显微镜的原理和结构示意图
电子显微镜作业 一、判断题 1．俄歇电子是从距样品表面几个埃深度范围内发射的并具有特征能量的二次电子。（√）2．透镜光阑的作用是限制扫描电子束入射试样时的发散度。（×） 3．改变扫描线圈锯齿波的振幅可改变扫描速度，改变扫描线圈电源锯齿波的频率可改变放大倍数。（×） 4．扫描电子显微镜分辨本领的测定方法有两种：一种是测量相邻两条亮线中心间的距离，所测得的最小值就是分辨本领；另一种是测量暗区的宽度，测得的最小宽度定为分辨本领。（×） 二、选择填空 1.电镜的分辨本领主要取决于（A）的分辨本领。 A．物镜；B．中间镜；C．投影镜；D．长磁透镜 2．增加样品反差的方法经常有（A、B））。 A．染色；B．重金属投影；C．超薄切片；D．复型 3．（B）是用来观察聚合物表面的一种制样方法。 A．“超薄切片”；B．“复型”技术；C．染色；D．支持膜 4．（A）是研究本体高聚物内部结构的主要方法。 A．“超薄切片”；B．“复型”技术；C．染色；D．支持膜 5．入射电子中与试样表层原子碰撞发生弹性散射和非弹性散射后从试样表面反射回来的那部分一次电子统称为（B）电子。 A．二次电子；B．背散射电子；C．反冲电子；D．透射电子。 6．扫描电子显微镜的（C）是利用对试样表面形貌敏感的物理信号作为调制信号得到的一种像衬度。 A．散射衬度；B．衍射衬度；C．表面形貌衬度；D．原子序数衬度。 7．（A）是从距样品表面10nm左右深度范围内激发出来的低能电子。 A．二次电子；B．背散射电子；C．吸收电子；D．透射电子。 8．扫描电子显微镜图像的衬度原理有（B）。 （a）散射衬度（b）表面形貌衬度（c）衍射衬度（d）相位衬度9．下面的图中（C）的二次电子信号最大。
透射电子显微镜部分结构及功能 在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构，这些结构称为亚显微结构（s ubmicroscopic structures）或超微结构（ultramicroscopic structures；ultrastructur es）。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1 932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜（transmission electron mi croscope，TEM），电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。 电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机（ultramicrotome）制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成，如果细分的话：主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机。 电子显微镜是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。 透射式显微镜的结构与原理 透射式电子显微镜(TEM)与投射式光学显微镜的原理很相近，它们的光源、透镜虽不相同，但照放大和成像的方式却完全一致。 在实际情况下无论是光镜还是电镜，其内部结构都要比图示复杂得多，图中的聚光镜（condonser lens）、物镜（object lens）和投影镜（projection lens）为光路中的主要透镜，实际制作中它们往往各是一组（多块透镜构成），在设计电镜时为达到所需的放大率、减少畸变和降低像差，又常在投影镜之上增加一至两级中间镜（in temediate lens）。 透射式电子显微镜的总体结构包括镜体和辅助系统两大部分,镜体部分包含：①照明系统（电子枪G，聚光镜C1、C2），②成像系统（样品室，物镜O，中间镜I1、
据国外媒体报道，下面这十五张令人惊异的人体图片，都是用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的，通过它们你可以更近地观察人体的内部情况。 下面将从头部开始，穿过胸腔，一直到达腹腔，经过这次自我发现之旅，让你切身体验到扫描电子显微镜的非凡影响力。在这个过程中，你将看到当细胞受到肿瘤侵扰时，会出现什么情况，以及卵子第一次与精子相遇时的情景。 1.红血球 红血球 从这张图片上看，它们很像肉桂色糖果，但事实上它们是人体里最普通的血细胞——红血球。这些中间向内部凹陷的细胞的主要任务，是将氧气输送到我们的整个身体。在女性体内，每立方毫米血液中大约有400万到500万个红血球，男性每立方毫米血液中有大约500万到600个红血球。居住在海拔较高的地区的人，体内的红血球数量更多，因为他们生活的环境氧气相对更少。 2.头发分叉
头发分叉 经常修剪和良好的护理，可避免像这张图片上出现发梢分叉的现象。 3. 普尔基涅神经元
普尔基涅神经元 在大脑里的1000亿个神经元中，普尔基涅神经元是体积最大的。这些细胞是小脑皮层里的运动协调大师。接触酒精、锂等有毒物质、患有自身免疫性疾病、存在孤独症和神经退行性疾病 (Neurodegenerative disease)等遗传变异，都会对人类的普尔基涅神经元造成消极影响。 4.耳毛细胞 耳毛细胞 这张图片看起来好像是在耳朵里面对耳毛细胞进行近距离观察时拍摄的。耳毛细胞的主要功能是发现对声震作出反应时产生的机械运动。 5.从视神经中伸出的血管
从视神经中伸出的血管 这张照片显示的是血管从黑色视盘中伸出。视盘是个盲点，因为视网膜的这个区域没有光感细胞，视神经和视网膜血管从眼睛后面的这个部位伸出去。 6.舌头上的味蕾
显微分析技术 摘要：透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜已经成为了分析纳米材料的重要手段之一。本文简要的介绍了透射电子显微镜、扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜的发展以及应用。 引言 纳米科技是在20世纪80年代后才逐渐发展起来的前沿性、交叉性的新型科学领域，纳米材料的性能与其微观结构有着重要的关系，因此，纳米材料微观结构的表征对于认识纳米材料，推动纳米材料的应用有着深远的意义。 自16世纪出现了光学显微镜以后，把正常人眼睛仅能分辨约0.2mm 细节的能力，延伸到可以看细菌和微生物。20世纪30年代，科学家利用电子源制造出了扫描电子显微镜，其分辨率远远超出了光学显微镜。1932年M.Knoll和E.Ruska 研制出了第一台透射电子显微镜实验装置(TEM)，1938年,V on.Ardence将扫描线圈加到透射电子显微镜上（TEM），制成了第一台扫描透射电子显微镜（STEM），放大倍数8000X，分辨率在500～1000 ?之间直到1952年，C.W.Qatley 和McMullan 在剑桥（Cambridge ）制成了第一台现代的SEM，分辨率达到500?，很大程度的提高了人类认识微观世界的能力。但是，后来人们发现，当显微镜的放大率提高到1000-1500倍时，受光的衍射效应影响，图像将变得不再清晰。1982年国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·洛雷尔(Heimich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（简称STM）。它的出现使人类第一次能够实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为有关的物理、化学性质，为科学家提供了一种前所未有的直接观察单原子、单分子的手段，从而从根本上改变了人类对微观（纳米）世界的认识水平。STM的探针是由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，因此要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且导电薄膜掩盖了物质表面的细节为了克服
“科学之眼“越来越亮 ——电子显微镜的发展历程 摘要：Ruska和Knowll在1932年（有说是1931年和1933年的）研制成功第一台电 子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而获得1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显微镜技术的迅速发展和应用，改 变了细胞学、组织学、病毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促使生物学从细胞水平进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的手段。近年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关的课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。 关键词：电子显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜扫描透射显微镜 正文：电子显微镜问世已有半个多世纪了，但其应用于医学、生物学，尤其是细胞 学的研究方面才只有二十余年的历史。我国学者在六十年代初期开始这方面的工作。下 面我们来看一下电子显微镜的总体发展历程。 一．电子显微镜的总体发展历程 人类对于生物微观世界的认识过程，有着一段漫长的历史。荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek)在300年前创制成功世界上第一架显微镜，发现了当时人们还不知道的微生物世界。这是显微镜第一次显示其巨大作用。 早在一百年以前，朴率克(Plucker)就曾在盖斯雷管的阴极近管壁上发现过一种黄 绿色的光辉，但他当时对这一现象并无认识，未予重视。自从1924年德布罗意提出了 电子与光一样，具有波动性的假说和1926年Busch发现了旋转对称、不均匀的磁场可 作为一个用于聚焦电子束的透镜，就为后来的电子显微镜的问世奠定了理论基础，这就打开了电子光学的大门。经六年后，到1932年克诺露(Knoll)及鲁斯卡(Ruska)等人首 次发表了关于电子显微镜的实验和理论研究，并试制成功第一台电磁式电子显微镜。为了获得较大的放大能力，人们又研究制造了短焦距的电磁透镜，它除了会聚透镜外，再利用两个透镜作连续两次的造像。到1934年鲁斯卡和马顿(Marton)分别制成了新型复式电子显微镜。近代的电磁式电子显微镜在具体结构上已经有了很大改进。 Ruska和Knowll在1932年（有说是1931年和1933年的）研制成功第一台电子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴
研究生课程论文 《扫描电子显微镜在生产生活中的应用》 课程名称xxx 姓名xxx 学号xxx 专业机械制造及自动化 任课教师xxx 开课时间xxx 课程论文提交时间：2016 年 6 月27 日
扫描电子显微镜在生产生活中的应用 作者：xxx 学院：xxx年级：xxx学号：xxx 摘要：扫描电子显微镜是迄今为止，在物质结构的研究中能给出的信息最多，分辨本领最高的大型分析仪器。电镜已经在物理学,材料科学和生命科学等领域得到了广泛的应用。本文从扫描电子显微镜在人体形态学、刑事案件侦查技术、纺织品检测、粒度分析、纳米材料研究、植物分类学及矿物加工等领域中的应用，来探讨扫描电镜的应用前景。 关键词：物质结构；扫描电镜；粒度分析；应用前景 1 前言 电镜的产生要追溯到19世纪末的一系列科学发现。当时Abbe建立了显微镜分辨率的 理论,即认为用显微镜看不到比显微镜的光源波长还小的物体。从这个理论出发,人们意识 到用光学显微镜看不到原子。不过从另一方面看,Abbe的理论也指出了,如果能找到一个比 光波波长还短的光源,就能提高显微镜的分辨率。1924年是近代科学史上的新纪元。德布 罗意提出了波粒二重性的假说,并很快的为电子衍射的发现所证实。德国的布什又开创了电 磁透镜的理论。具备了上述两个条件,使人们产生了制作一个新型显微镜的想法,即用具有 波动性的电子做光源,再用电磁透镜来放大。1932年德国的Knon和Ruska制成了第一台电镜。1934年他们又把电镜的分辨率提高到500人,这是近代电镜的先导。Ruksa也因此得到 了1986年度诺贝尔物理奖的一半。1939年德国的西门子公司制造出第一台商品电镜。现在,一般的电镜的分辨率已达到原子分辨率的水平(2人)。已经使道尔顿和阿伏加德罗提出 的原子和分子的理论得到了直接的证实。今后的电镜,作为大型分析设备,除了提高分辨本 领之外,还要向操作自动化,多功能化方向发展,成为功能齐全,使用操作简单,给出的数据 可靠的大型仪器。我们可以看到,在众多种类的显微镜家族中,透射电镜(TEM)是最佳的一种。
扫描电子显微镜的基本原理和结构 下图为扫描电子显微镜的原理结构示意图。由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10m m的电子束，并在试样表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。这种扫描方式叫做光栅扫描。 扫描电镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。 1 电子光学系统 电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。 <1>电子枪： 其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度。 扫描电子显微镜的原理和结构示意图
电子显微镜技术 目前，电子显微镜技术(electron microscopy)已成为研究机体微细结构的重要手段。常用的有透射电镜 (transmission electron microscope，TEM)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)。与光镜相比电镜用电子束代替了可见光，用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。 成像原理 1、透射电镜技术 透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片(通常为50～100nm)。其制备过程与石蜡切片相似，但要求极严格。要在机体死亡后的数分钟钓取材，组织块要小(1立方毫米以内)，常用戊二醛和饿酸进行双重固定树脂包埋,用特制的超薄切片机(ultramicrotome)切成超薄切片，再经醋酸铀和柠檬酸铅等进行电子染色。 电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子发射，如电子束投射到质量大的结构时，电子被散射的多，因此投射到荧光屏上的电子少而呈暗像，电子照片上则呈黑色。称电子密度高(electron dense)。反之，则称为电子密度低 (electron lucent)。 2、扫描电镜术 扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。(细胞、组织)表面的立体构像，可摄制成照片。 扫描电镜样品用戊二醛和饿酸等固定，经脱水和临界点干燥后,再于样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子数。扫描电镜能观察较大的组织表面结构，由于它的景深长，1mm 左右的凹凸不平面能清所成像，故放样品图像富有立体感。 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到