扫描电镜在细胞生物学中的历史与应用

扫描电镜技术原理及应用摘要: 扫描电镜一种新型的多功能的，用途最为广泛的电子光学仪器。

数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

关键词：扫描电镜;应用1938 年德国的阿登纳制成了第一台扫描电子显微镜，1965 年英国制造出第一台作为商品用的扫描电镜，使扫描电镜进入实用阶段。

近 20 年来，扫描电镜发展迅速，多功能的分析扫描电镜（即扫描电镜带上能谱仪、波谱仪、荧光仪等）既能做超微结构研究，又能做超微结构分析，既能做定性、定量分析、又能做定位分析,具有景深大，图像富有立体感，分辨率高，图像放大倍数高，显像直观，样品制备过程相对简单，可连接EDAX（X-射线能谱分析仪）进行微区成分分析等特点，被广泛应用于生物学、医学、古生物学、地质学、化学、物理、电子学及林业等学科和领域［1-2］。

1扫描电镜的工作原理与技术特点1.1 扫描电镜的工作原理扫描电镜( SEM) 的工作原理是由电子枪发射出来直径为50μm（微米）的电子束，在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径为5nm（纳米）的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，同时同步探测入射电子和研究对象相互作用后从样品表面散射出来的电子和光子，获得相应材料的表面形貌和成分分析［3］。

从材料表面散射出来的二次电子的能量一般低于50 eV，其大多数的能量约在2 ～ 3 eV。

因为二次电子的能量较低，只有样品表面产生的二次电子才能跑出表面，逃逸深度只有几个纳米，这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。

扫描电镜工作原理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像。

1.2 扫描电镜的技术特点［4］扫描电子显微镜测试技术特点主要有:( 1) 聚焦景深大。

扫描电子显微镜的聚焦景深是实体显微镜聚焦景深的50倍，比偏反光显微镜则大500 倍，且不受样品大小与厚度的影响，观察样品时立体感强。

扫描电子显微镜的早期历史和发展趋势扫描电子显微镜（SEM）的基本原理在20世纪30年代到40年代初由Knoll, 德国的von Ardenne和美国的Zworykin，Hillier等人确立。

扫描电镜的研究在英国剑桥大学电机工程学系Charles Oatley博士学位的一系列项目中复苏。

在剑桥大学的McMullan和Smith的早期研究之后，SEM的第一次产业应用在加拿大纸浆和造纸研究所实现。

不久之后，在美国的Westinghouse，SEM被应用于集成电路，并在英国和日本实现了扫描电镜的商业化。

截至目前，SEM及其他显微和微分析技术在世界范围内发展，并被应用于越来越多的领域。

关键词：扫描电子显微镜（SEM），成像技术，表面形貌，成分衬度，电子通道花样（ECP），电子背散射花样（EBSP）。

Oatley描述了SEM早期历史和直至其第一次商业化的发展状况。

第一台商业SEM在英国和日本制造。

SEM的历史也被许多作者描述过。

商用SEM性能的提高和操作的简便已经很出色并有望继续进步。

Knoll用仪器得到了四个非常重要的实验结果Fig.1：(i)他从固态多晶样品中得到了样品的吸收电流像Fig.2.(ii) 这张照片显示的晶粒间取向依赖衬度是由电子穿隧效应的对比差异引起的。

（iii）他测量了不同材料的二次电子（SE）加背散射电子(BSE)系数是入射电子能量E0的函数，并且证明当SE+BSE系数为1时，有第二个交叉点，此时E0约为1.5keV。

样品的充电最小化并且保持稳定。

(iv)根据一个早期关于定量电压衬度的译文，测量了束电子对非导电颗粒充电后颗粒的电势。

Figure 3 是由von Ardenne提出的产生二次电子的电子散射模型，模型表明初始束展宽；大角度散射；扩散；BSE逃逸以及每个阶段的二次电子激发。

他提出了两种高分辨率SE图像。

第一种（现在称为SE-I图像的详细讨论见Peters）E0等于数十电子伏，此时电子的穿透深度（几个微米）比二次电子的逃逸深度大很多倍（几个纳米）。

扫描电子显微镜的早期历史和发展趋势扫描电子显微镜（SEM）的基本原理在20世纪30年代到40年代初由Knoll, 德国的von Ardenne和美国的Zworykin，Hillier等人确立。

扫描电镜的研究在英国剑桥大学电机工程学系Charles Oatley博士学位的一系列项目中复苏。

在剑桥大学的McMullan和Smith的早期研究之后，SEM的第一次产业应用在加拿大纸浆和造纸研究所实现。

不久之后，在美国的Westinghouse，SEM被应用于集成电路，并在英国和日本实现了扫描电镜的商业化。

截至目前，SEM及其他显微和微分析技术在世界范围内发展，并被应用于越来越多的领域。

关键词：扫描电子显微镜（SEM），成像技术，表面形貌，成分衬度，电子通道花样（ECP），电子背散射花样（EBSP）。

Oatley描述了SEM早期历史和直至其第一次商业化的发展状况。

第一台商业SEM在英国和日本制造。

SEM的历史也被许多作者描述过。

商用SEM性能的提高和操作的简便已经很出色并有望继续进步。

Knoll用仪器得到了四个非常重要的实验结果：(i)他从固态多晶样品中得到了样品的吸收电流像.(ii) 这张照片显示的晶粒间取向依赖衬度是由电子穿隧效应的对比差异引起的。

（iii）他测量了不同材料的二次电子（SE）加背散射电子(BSE)系数是入射电子能量E0的函数，并且证明当SE+BSE系数为1时，有第二个交叉点，此时E0约为。

样品的充电最小化并且保持稳定。

(iv)根据一个早期关于定量电压衬度的译文，测量了束电子对非导电颗粒充电后颗粒的电势。

Figure 3 是由von Ardenne提出的产生二次电子的电子散射模型，模型表明初始束展宽；大角度散射；扩散；BSE逃逸以及每个阶段的二次电子激发。

他提出了两种高分辨率SE图像。

第一种（现在称为SE-I图像的详细讨论见Peters）E0等于数十电子伏，此时电子的穿透深度（几个微米）比二次电子的逃逸深度大很多倍（几个纳米）。

电镜技术不仅成了医学领域中诸多形态学科的不可缺少的丁具，而且在临床病理分析和研究、临床医学检验诊断等方面都发挥着重要的作用。

特别是对病毒学和细胞学的发展起着重要的作用。

(一)在细胞生物学和分子生物学方面的应用电镜具有很高的分辨率和放大倍数，人们已经能够观察和司「究业细胞的超微结构，例如细胞膜、内质网、细胞骨架、细胞器等的结构，并能把形态结构和生理功能联系起来进行动态研究。

大量的组织、细胞和微生物在病理状态下超微结构变异的实验事实，极大地丰富了细胞生物学的内容，促进了基础医学与临床医学的结合。

例如，利用冷冻蚀刻方法观察到细胞膜的内、外表面，揭示了许多过去未见到的生命科学的新现象、新事实。

超高压电镜有希望对活标本的生命状态进行直接观察。

电镜技术在染色体、生物大分子的结构观察研究方面具有广泛应用，为分子遗传学、生物遗传工程的发展提供了形态学研究的有力工具。

日前，主要应用于蛋白质、核酸、氨基酸系列，以及转录和翻译的基因片段的研究上。

(二)在解剖学中的应用目前用电镜可观察研究所有的人体组织和器官、可观察到血管的微细结构、可研究微血管在各种组织和器官中空间分布的形态特征、能看到骨组织表面的超微结构、还能看到骨细胞的超微结构和骨基质中钙盐在胶原纤维间的沉积过程。

电镜在解剖学中的应用，使得对人体组织结构的认识进入超微结构层次，促进了解剖学的深入发展。

电镜不仅为神经纤维的形态学研究同时也为神经生物学的发展贡献力量。

(三)在病毒研究方面的应用病毒是目前人类认识的最小的生命状态，而电镜是对它们进行直接观察的唯一工具。

许多病毒的发现都依赖于电镜的应用。

利用电镜技术对病毒形态结构、发展发育以及对靶细胞的作用的研究，为病毒性疾病的病因分析及防治提供了形态学资料。

对于不会明显引起细胞发生明显病变的病毒如风疹病毒、鼻病毒等，电镜技术是一种可靠的鉴定、诊断手段。

(四)在临床检验方面的应用随着超微结构诊断学的研究发展，电镜对血液病、肿瘤、肝胆、消化、泌尿、皮肤等方面的多种疑难病症的临床诊断都可提供有价值的资料。

论述扫描电镜的原理及应用一、扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束与样本相互作用产生的信号来获取样本表面信息的仪器。

它能够提供高分辨率、高深度的表面和形貌信息，成为材料科学、生物科学等领域的重要工具。

扫描电镜的原理主要包括以下几个方面：1. 电子光源扫描电子显微镜是使用高能电子束进行成像的，因此需要一个电子光源。

一般采用热阴极或冷阴极发射电子的电子枪作为电子光源。

电子光源在电子束形成中起到了核心的作用。

2. 准直与聚焦准直与聚焦系统是扫描电镜中的重要组成部分。

它通常由准直系统、导向系统和聚焦系统组成。

准直系统用于控制电子束的方向和角度，导向系统用于控制电子束的位置，而聚焦系统则用于将电子束聚焦到一个细小的区域。

3. 样本与扫描盘样本与扫描盘是扫描电镜中的另外两个重要部分。

样本是待观察的对象，它需要被放置在扫描盘上以便与电子束相互作用。

样本的制备与处理对于扫描电镜成像的质量有着重要的影响。

4. 信号检测与处理扫描电子显微镜中，样本与电子束的相互作用会产生多种信号，如二次电子发射、后向散射电子等。

这些信号需要经过特定的检测器进行捕捉，并经过处理后形成最终的图像。

常用的检测器包括二次电子检测器、信号放大器等。

二、扫描电镜的应用扫描电镜具有很多应用领域，下面列举了几个主要的应用方向：1. 材料科学扫描电镜可以用于对材料表面形貌和结构的观察和分析。

通过扫描电镜的高分辨率成像，可以研究材料的晶体结构、相界面、缺陷等信息。

这对于材料的研发、改进和质量控制具有重要意义。

2. 生物科学生物科学中常常需要观察和研究生物细胞、组织和器官的形态和结构。

扫描电镜能够提供高分辨率、高深度的图像，可用于观察细胞表面的超微结构、细胞器的形态以及细胞间相互作用等情况。

扫描电镜在生物学研究中有着广泛的应用。

3. 纳米技术纳米技术是当今科技领域的一个热点，扫描电镜作为纳米尺度下表面形貌观测的有效手段，在纳米技术研究领域得到了广泛应用。

简述扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。

二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。

扫描电镜的结构主要包括：
1.真空系统和光源系统；
2.电子光学系统——电子强、电磁透镜、扫描线圈、样品室；
3.信号放大系统。

扫描电镜的优点是：
1.有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；
2.有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；
3.试样制备简单。

扫描电镜的应用范围是：
1.生物——种子、花粉、细菌……
2.医学——血球、病毒……
3.动物——大肠、绒毛、细胞、纤维……
4.材料——陶瓷、高分子、粉末、金属、金属夹杂物、环氧树脂……
5.化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥（杆菌）、机械、电机及导电性样品，如半导体(IC、线宽量测、断面、结构观察……）电子材料等。

主流厂家：
美国FEI（赛默飞）——Apreo SEM扫描电镜
德国蔡司——EVO MA 25/LS 25
日本日立——TM4000、SU8220，SU8230，SU8240日本电子——JSM-7900F 热场发射扫描电子显微镜捷克TESCAN——S8000系列
韩国COXEN——CX-200系列
中科院KYKY——KYKY-2800系列。

细胞生物学研究中的显微成像技术细胞是构成生物体的基本单位，因其极小的尺寸，只能通过显微成像技术进行观察。

随着科技的进步，显微成像技术逐渐趋于成熟，为细胞生物学研究提供了极大的便利。

一、光学显微成像技术光学显微成像技术是最常用的细胞成像技术，包括亮场显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜和总内反射荧光显微镜等。

通常，亮场显微镜是最基础的一种显微成像技术，可以看到被染色的细胞结构，但无法观察非染色细胞结构。

而荧光显微镜是一种更为常用的显微成像技术，可以标记特定的蛋白或细胞结构，并通过荧光标记物激发成像。

总内反射荧光显微镜则是一种用于观察细胞表面的荧光显微镜。

共聚焦显微镜则可以将荧光成像技术发展到三维结构成像，具有更强的深度分辨率。

二、电子显微成像技术电子显微成像技术是用电子束取代光线进行成像，分为透射电镜和扫描电镜两种。

透射电镜可以通过超高放大倍数观察有机和无机物质的超细结构，通常用于观察细胞中的超微小结构，例如细胞核、线粒体、内质网等等。

与之相似，扫描电镜则可以使观察对象获得清晰的三维俯视图，用于观察细胞表面，例如红血球、细胞质极等等。

使用电子显微镜有一定的技术难度和对设备和试样的要求严格，但其成像分辨率远高于传统的光学显微镜。

三、光学成像技术在蓝色光微环境下的应用随着光学显微技术技术的发展，获得单分子级别的分辨率的光学显微镜已经成为生物学研究的一部分。

相比传统的光学显微技术，同一种荧光分子所需激发光子数明显减少。

以此为基础，实现了在弱激发光条件下获得高时间分辨率图像的蓝色光微环境下的显微成像技术。

其中，基于单分子荧光此技术可以直观、高分辨率的跟踪移动的斜纹肌细胞、线粒体等分子的运动过程中的变化，探究细胞内的生理现象。

此项技术具有非常高的研究价值，且对生命科学的发展产生了积极的推动作用。

四、大脑光学显微成像技术的研究和应用大脑是一个知识之源和生命科学的重要研究对象，对其高效率，精准，低损伤的成像技术需求也越来越大。

扫描电子显微镜SEM应用案例介绍扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种非常重要的科学仪器，在物理学、材料科学、地质学、生物学等领域有着广泛的应用。

SEM通过扫描物样表面并检测从样品表面反射回来的电子来获取样品的形貌信息，并利用其高分辨率和高放大倍数能够提供关于样品的详细结构的信息。

以下将介绍几个SEM应用案例。

1.材料科学中的SEM应用在材料科学领域，SEM被广泛用于研究材料的微观形貌和结构。

例如，在金属材料方面，SEM可以用于分析金属的晶体形貌、结构和尺寸分布，从而帮助优化材料的性能。

另外，SEM还可以用于研究陶瓷材料、聚合物材料以及复合材料等其他材料的形貌和结构。

2.生物学中的SEM应用在生物学研究中，SEM可以用于观察生物样品的微观形貌，例如细胞、细胞器、细菌、病毒等。

利用SEM的高分辨率和快速成像功能，研究者可以获得样品的真实形貌，并进一步了解生物系统的结构和功能。

例如，可以利用SEM观察细胞表面微结构的变化、细胞分裂过程中的细胞形态变化等。

3.地质学中的SEM应用在地质学领域，SEM可广泛用于矿物学、岩石学和沉积学等方面的研究。

例如，SEM可以用于分析岩石和矿物的形貌、组成以及微观结构，从而帮助研究者了解地质样品的成因和演化历史。

此外，SEM还可以用于进行环境和污染监测，例如观察和分析大气颗粒物、土壤微观结构以及水样中的微生物等。

4.纳米科学中的SEM应用在纳米科学和纳米技术研究中，SEM被广泛用于观察和研究纳米材料的表面形貌、尺寸分布以及形貌与性能之间的关系。

通过SEM的成像功能，可以观察到纳米材料的纳米颗粒、纳米管、纳米片等纳米结构的形态和尺寸，并进一步了解纳米材料的特殊性能。

综上所述，SEM作为一种重要的科学仪器，在多个领域都有广泛的应用。

它可以提供高分辨率、高放大倍数的图像，并利用这些图像帮助科研人员了解样品的微观形貌、结构和性质，进而推动科学研究和技术应用的发展。

扫描电子显微镜下生物细胞的形态学观察生物细胞是构成生命体的基本单位，其复杂的形态结构为生物体内的功能和代谢提供了重要的保障。

而扫描电子显微镜(SEM)作为一种高分辨率的显微镜观察细胞的形态学则成为了生物学研究中重要的工具之一。

SEM观察原理SEM与普通的光学显微镜不同，它并不是使用光子对样品进行观察，而是通过射出电子束来扫描样品表面，获得样品表面上电子反射的图像。

由于电子波长很小(比光子波长短),因此SEM的分辨率可以达到亚微米甚至纳米级别。

同时，SEM还拥有大深度和大广角观察的能力，具有清晰展示细胞形态特征和细微结构的优势。

SEM在生物细胞形态学研究中的应用通过SEM观察生物细胞，可以获得其表面形态，进一步了解其特定的形态构型和微观结构。

例如，使用SEM观察肠系膜淋巴结的生物细胞表面形态，可以看到其细胞核呈圆形分布，周围有不规则的小突起，这些突起对于肠系膜淋巴结的生理功能有重要作用。

同时，在生物组织的微结构研究中，SEM还可以被用来观察细胞组织的表面形态和细微结构，包括细胞膜、微绒毛、微孔等等，从而深入了解细胞功能和组织器官的互动关系。

例如，SEM可以清晰展示红血球的表面凸起和凹陷，以及白细胞的表面形态和微细结构等等。

SEM在生物医学研究中的应用SEM不仅在基础生物学研究中应用广泛，在生物医学及临床应用领域，也具有重要作用。

SEM可以被用来观察细胞病理学变化，例如细胞形态学的特定变化、细胞膜的损伤及钝化、内质网肿胀等等。

同时，即使在不同疾病的病理学变化中，细胞形态依然存在特定的变化，如癌细胞的细胞形态改变等等。

此外，SEM还能够帮助了解病原体结构和生理特性，例如SEM 可以帮助观察细菌、病毒和真菌的表面结构从而深入了解其生理特征和生命周期。

因此，在疾病诊断、病灶定位、临床治疗等领域中，SEM也具有广泛的应用前景。

结语扫描电子显微镜是一种重要的观察生物细胞形态学的工具。

其分辨率高、清晰度好、广角大等特点在生物学研究及临床应用中发挥重要作用。

扫描电镜的工作原理与应用扫描电镜是一种高分辨率、高清晰度的显微镜，主要用于观察各种微观物体的形态、结构和组成。

其工作原理相比传统的光学显微镜要复杂得多。

在本文中，我将详细介绍扫描电镜的工作原理和应用。

一、扫描电镜的基本原理扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）采用电子束而非光束照射样品，因此它具有高于光学显微镜的空间分辨率和深度清晰度。

SEM 使用高能电子束扫描样品表面，并探测所产生的次级电子、后向散射电子或荧光X射线等信号信号。

通过对这些信号的分析和数字处理，可以产生像素级的扫描图像，并确定样品的组成和结构。

扫描电子显微镜采用的主要原理是：将样品表面上的电子自主子级电子转换为信号，再将此信号放大、处理和记录。

SEM 中大多数扫描电子必须通过所用的样品形成的电荷屏障，否则将被折回光子元件中。

样品的电子子级电子外激发过程产生的信号，即次级电子，是包含有样品表面信息的电流信号，探针数据采集设备可将其转换成像素级图像。

SEM 所存在的分解能力是电子束在样品表面的扩散、散射和返回时波长的比值决定的。

二、扫描电镜的应用1.生物学：扫描电镜可帮助生物学家观察细胞和细胞器在微观尺度上的结构以及病毒的形态和特征。

它是研究生物体的材料性质、微观形态和结构，解析其细节显微解剖形态以及结构的最佳选择，对于肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病等疾病的发病机理及防治研究都有重要的应用价值。

2.物理学：扫描电镜可以测量微观物体的形态和结构，被广泛应用于材料凝聚态物理、力学和地质学等领域。

在材料科学领域中，它用于研究新材料的结构和形态，以及材料性能的变化。

3.化学：因其高分辨率和高清晰度，扫描电镜是研究化学领域中的重要工具。

它可以用于观察表面结构和相互作用，包括材料的结构、质量分析和表面成像。

此外，扫描电镜也可以用于探测微细结构和纳米级结构。

4.电子学：扫描电镜可以被用于测试电子元件的性能和结构，以及电路板等电子产品的质量控制。