电子显微分析

第11-12讲

教学目的：使学生了解扫描电子显微镜结构、工作成像原理及应用

教学要求：了解扫描电子显微镜的发展、原理与应用；了解扫描电镜相关术语；掌

握扫描电镜制样技术

教学重点：1. 扫描电镜的工作原理； 2. 扫描电镜的二次电子像和背散射电子像

教学难点：两种种像差的形成原理；

教学拓展：扫描电镜的未来发展趋势 第3节 扫描电子显微分析

扫描电子显微镜又称扫描电镜或SEM（scaning electron microscope），它是利用细聚

焦电子束在样品表面做光栅状逐点扫描，与样品相互作用后产生各种物理信号，这些信号经检

测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描

电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样

品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。扫描电镜所需的加速电压比透射电

镜要低得多，一般约在 1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择。扫描电镜的图

像放大倍数在一定范围内（几十倍到几十万倍）可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显

示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透

射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。

扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用

于显示原子序数衬度。

3.1扫描电子显微镜概述、基本结构、工作原理

一、 扫描电子显微镜概述 第一阶段 理论奠基阶段

1、1834年 法拉第提出“电的原子”概念；

2、1858年 普鲁克发现阴极射线；

3、1878年 阿贝-瑞利给出显微镜分辨本领极限公式；

4、1897年 汤姆逊提出电子概念；

5、1924年 德布罗依提出波粒二象性；

第二阶段 试验阶段

1、1935年 克诺尔提出用电子束从样品表面得到图像的原理并设计简单实验装置;

蛋白质结构分析中的电子显微技术

蛋白质是生命体中最为重要的分子之一，具有极其复杂的结构和功能。为了研究和理解蛋白质的结构和功能，科学家们开发了多种互补的技术手段，其中电子显微技术尤为重要。本文将探讨蛋白质结构分析中的电子显微技术，包括物理原理、技术特点以及应用前景等方面。

一、电子显微技术简介

电子显微技术是以电子束为探针，通过对物质的电子散射、透射、反射等现象进行观察与分析，以获取样品的微观结构信息的技术手段。电子显微技术的发展对生命科学领域的研究及探索提供了强有力的工具，尤其在蛋白质结构分析中，其应用广泛。

二、电子显微技术在蛋白质结构分析中的应用

1.电子衍射

蛋白质的结晶状态是进行X射线晶体衍射结构分析的必要条件，但是，由于部分蛋白质难以结晶或者获得合适的晶体，因此开发其他衍射分析方法是很有必要的。电子衍射是一种新兴的衍射技术，能够应用于那些不能结晶的生物大分子的结构分析。电子束的波长比X射线短，且电子束的相干性高，能够探测到小于10

nm的晶体，因此常用于蛋白质晶体结构分析。

2.电子显微镜观察

电子显微镜技术可以通过电子透射观察样品的形态和结构，具有高分辨率、高灵敏度、非常适合研究生物大分子细节结构的特点。例如，对于由多个蛋白质组成的蛋白质复合物，电子显微镜技术可以帮助研究者观察到不同蛋白质分子的相对位置、定位及组装方式，进而解析蛋白质复合物的3D结构。电子显微镜技术在蛋白质复合物、病毒、核酸结构分析中得到了广泛应用。

3.电子能谱

电子能谱根据样品中不同原子的结合状态测定其电子轨道的能级分布情况，可以用于确定分子离子的化学成分及其结合状态。在蛋白质结构分析中，电子能谱技术可以帮助研究者分析样品中存在的不同蛋白质、蛋白质和其他小分子之间的相互作用及结合模式等问题。

三、电子显微技术的发展趋势

随着电子显微技术的不断发展，其应用越来越多、越来越广泛，而且还存在着不断创新和进步的空间。未来，电子显微技术的发展趋势将会越来越迅速，主要有以下几个方向：

材料结构分析

一、名词解释：

球差

景深

分辨率

明场像

暗场像

消光距离

菊池花样

衍射衬度

双光束条件

电子背散射衍射

二次电子

背散射电子

二、简答

1．透射电镜主要由几大系统构成?各系统之间关系如何?

2．照明系统的作用是什么?它应满足什么要求?

3．成像系统的主要构成及其特点是什么?

4．分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜(像平面与物平面)之间的相对位置关系，并画出光路图。

5．说明多晶、单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理。

6．制备薄膜样品的基本要求是什么?具体工艺过程如何?双喷减薄与离子减薄各适用于制备什么样品?

7．什么是衍射衬度?它与质厚衬度有什么区别?

8．画图说明衍衬成像原理，并说明什么是明场像，暗明场像。

9．什么是消光距离?影响晶体消光距离的主要物性参数和外界条件参数是什么?

10．衍衬运动学的基本假设及其意义是什么?怎样做才能满足或接近基本假设?

11．举例说明理想晶体衍衬运动学基本方程在解释衍衬图像中的应用。

12．什么是缺陷不可见判据?如何用不可见判据来确定位错的布氏矢量?

13．写出电子束入射固体晶体表面激发出的三种物理信号，它们有哪些特点和用途?

14．扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同?

15．二次电子像和背散射电子像在显示表面形貌衬度时有何相同与不同之处?

16．当电子束入射重元素和轻元素时，其作用体积有何不同?各自产生的信号的分辨率有何特点?

17．二次电子像景深很大；样品凹坑底部都能清楚地显示出来，从而使图像的立体感很强，其原因何在?

18. 要在观察断口形貌的同时，分析断口上粒状夹杂物的化学成分，选用什么仪器?用怎样的操作方式进行具体分析?

19．举例说明电子探针的三种工作方式(点、线、面)在显微成分分析中的应用。

20. 电子探针仪与扫描电镜有何异同?电子探针仪如何与扫描电镜和透射电镜配合进行组织结构与微区化学成分的同位分析?

第十三章 扫描电子显微分析

由于透射电镜是利用穿透样品的电子束进行成像的，这就要求样品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范围内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备手段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的程度。能否直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，成为科学家追求的目标。经过努力，这种想法已成为现实-----扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)。 扫描电镜是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段。

第一节 扫描电镜的工作原理

工作过程：

由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈。在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电了、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。

由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频信号，完成一帧图像。从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

第二节 扫描电镜的结构

扫描电镜包含以下部分：

1. 电子光学部分

该系统由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成。它的作用与透射电镜不同，仅仅用来获得扫描电子束。显然，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

目前使用中的扫描电镜大多为普通热阴极电子枪，由于受到钨丝阴极发射率较低的限制，需要较大的发射截面，才能获得足够的电子束强度。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。