电子显微镜技术发展现状及应用

光学显微镜成像技术的发展

光学显微镜是一种可以将物体的微小结构放大数百倍甚至上千倍并使其更清晰可见的仪器。它的应用范围涵盖物理、化学、生物等多个领域，成为科学研究和工业生产中不可或缺的工具。其中，成像技术的进步对于显微镜的性能以及研究结果有着至关重要的影响。本文将从原理、发展历程、及应用方面探讨光学显微镜成像技术的发展。

一、成像原理

光学显微镜成像的原理在于物体反射、透过、散射光线的功能，以及镜头对光线的聚焦作用。这些光线的相互作用会在物镜和目镜的参合调节下使得目视界中的物体得到显微镜视觉放大并呈现出有用的信息，从而供研究者于文化背景下理解研究的任务及研科相关。相对原始的显微镜使用的镜头是一个简单的凸透镜，后来又增加了由不同材料制成的复杂透镜组，以及镜头硬度、材质、透镜焦距及制造工艺等的精细掌控以改善成像效果。

二、发展历程

光学显微镜最早的形式出现在 17 世纪后期。在布道爵士的帮助下，荷兰的安东·范·莱文霍克于 17 世纪 60 年代制作了单透镜显微镜并证明这是可行的。荷兰的阿道夫·范·李文霍克也是显微镜早期的先驱之一，准确地绘制出了膜壳上的一些微观生物。在 19 世纪中叶，欧洲的显微学家们已经通过红外和紫外光等多种方式提高了镜头的性能，而更好的光学材料主要来自德国。 1903 年，奥克斯福德大学的乔治·亚当斯和理查德·温特顿发明了光纤传输的概念，这为显微镜提供了远程操作和实时成像的能力。而到了 1950

年代，上述问题甚至早已得到了良好的控制，进一步提高了镜头的分辨率和成像质量，促进了显微镜在生态学、药学、修建工程和制造等领域的广泛应用。

三、实际应用

光学显微镜被广泛应用在生物、纳米学、环境、工业等领域。在生物领域，基于显微镜成像技术的细胞分析、病原体的检测、药物研发等研究得到了长足的发展。与此同时，材料工程领域使用显微镜成像技术进行材料表征、微流控检测等应用也得到了广泛关注。另一方面，显微镜成像技术的进步加快了制造细微产品的研究和发展，例如芯片、纳米器件、生物芯片以及光学同轴器件等等。

显微镜的发展现状

近年来，显微镜技术得到了极大的发展，呈现出了一系列令人惊叹的进展。这些进展包括图像分辨率的提高、成像速度的加快、设备大小的缩小以及功能的多样化等方面。

首先，图像分辨率的提高是显微镜技术发展的重要方向之一。通过改进光学元件的设计和制造工艺，研究人员成功地提高了显微镜系统的分辨率。现在，许多先进的显微镜可以实现纳米级甚至亚纳米级的分辨率，使得研究人员能够观察到更加微观的结构和细节，如蛋白质分子、细胞器官等。这为科学研究提供了更加精确和细致的工具。

其次，成像速度的加快也是显微镜技术发展的一个关键方面。过去，显微镜需要较长的曝光时间才能获得清晰的图像，限制了实时观察和快速数据采集的能力。然而，随着新型的探测器和成像技术的出现，现代显微镜能够以极快的速度进行成像，从而实现对生物过程和动态变化的实时监测。这对于研究人员来说非常重要，因为它们能够捕捉到物质在短时间内的变化，为了解生命的基本机制提供了关键的线索。

第三，显微镜设备的体积和重量也得到了显著的减小，使得其在实验室和现场应用中更加灵活和便携。传统的显微镜通常体积庞大、笨重，只能在实验室或专用场所使用，而现在的显微镜则多为便携式设计，可以随时随地进行观察。这使得科研人员能够在不同的环境中使用显微镜，例如野外、医院、博物馆等，从而为应用研究提供更多的可能性。

最后，显微镜的功能也得到了更大的扩展。除了传统的光学显微镜，现在还出现了电子显微镜、荧光显微镜、激光共聚焦显微镜等多种显微镜类型。这些不同类型的显微镜具有不同的成像原理和应用领域，可以用于不同的研究目的。例如，电子显微镜广泛应用于材料科学和纳米技术领域，而荧光显微镜则用于生物领域的细胞成像和标记。

总之，显微镜技术的发展正在以惊人的速度推进。随着图像分辨率的提高、成像速度的加快、设备大小的缩小和功能的多样化，显微镜成为了科学研究和技术应用中不可或缺的工具。相信将来，显微镜技术还会继续取得新的突破，为人类探索微观世界带来更多的惊喜。

冷冻电子显微镜技术

冷冻电子显微镜技术在20世纪70年代时提出，经过近10年的努力，在80年代趋于成熟，近年来已经进入了快速发展的时期。它的研究对象非常广泛，包括病毒、蛋白、肌丝、蛋白质核苷酸复合体、亚细胞器等。一方面，冷冻电微镜技术所研究的生物样品既可以是具有二维晶体结构的，也可以是非晶体的；而且对于样品的分子量没有限制。因此，大大突破了 X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量（小于 100KD）样品的限制。另一方面，生物样品是通过快速冷冻的方法进行固定的，克了因化服学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的生活状态。

冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电子显微镜成像,包括样品制备、图像采集、图像处理及三维重构等几个基本步骤。

一、样品制备

用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。生物样品是在高真空的条件下成像的，所以样品的制备既要能够保持本身的结构，又能抗脱水、电子辐射。现在普遍采用的方法是通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。若要形成玻璃态（即无定形态）的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同而导致图像产生偏差。该方法有两个步骤：一是将样品在载网上形成一薄层水膜；二是将第一步获得的含水薄膜样品快速冷冻。在多数情况下，用手工将载网迅速浸入液氮内可使水冷冻成为玻璃态。其优点在于将样品保持在接近生活状态，不会因脱水而变形，同时可以减少辐射损伤。

二、图像采集

冷冻的样品通过专门的设备——冷冻输送器转移到电镜的样品室。在照相之前，必须观察样品中的水是否处于玻璃态，如果不是则应重新制备样品。由于生物样品对高能电子的辐射敏感，照相时必须使用最小曝光技术。经过透射电子显微镜中一系列复杂的过程，最终在记录介质上会形成样品放大几千倍至几十万倍的图像。利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。近年来，一个技术上的重大突破是高分辨率图像采集设备的开发与应用。基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术开发的直接探测电子成像的装置使电子显微放大图像的信噪比相对过去所使用的底片或电荷耦合元件(CCD)有了很大提高, 进而提高了成像的质量。

第３７卷第５期２０１８年１０月电　子　显　微　学　报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙＳｏｃｉｅｔｙＶｏｌ􀆰３７，Ｎｏ􀆰５２０１８⁃１０

文章编号：１０００⁃６２８１（２０１８）０５⁃０５４０⁃０９

能量过滤透射电子显微学的发展与现状

陈鑫峰，王泽朝，钟虓∗

（北京电子显微镜中心，先进材料教育部重点实验室，新型陶瓷和精细工艺国家重点实验室，

材料学院，清华大学，北京１０００８４）

摘　要 在原子尺度上探测材料的结构、成分、键合和自旋等信息，对于预测和调控材料性能意义重大。能量过滤透射电子显微术可实现化学键面分布测量获得材料界面处的物相分布和化学键合信息，并结合断层成像实现三维尺度解析材料界面元素分布。但较之于扫描透射电子显微术模式下电子能量损失谱技术，能量过滤透射电子显微术的空间分辨率和能量分辨率较差。基于能量过滤透射电子显微术的空间分辨电子能量损失谱技术，结合色差校正技术可获得原子面分辨电子能量损失谱与原子面分辨电子磁圆二色谱，克服了传统能量过滤透射电子显微术空间分辨率和能量分辨率较低的瓶颈。由于其实现了自旋构型原子尺度成像，在当今材料科学基础研究中具有重大的科学意义，对于在原子尺度理解自旋、晶格、电荷和轨道等多个自由度的结构参量与材料磁性能之间的相互关联有重要意义，在设计制造高密度、低功耗、快速的存储器件，推进信息与通讯技术方面有广阔的应用前景。关键词 能量过滤透射电子显微术；空间分辨电子能量损失谱；原子面分辨电子磁圆二色谱；化学键面分布测量；电子断层成像中图分类号：ＴＮ１６；ＴＧ１１５􀆰２１＋５􀆰３；ＴＨ８３８＋􀆰６ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０􀆰３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃６２８１􀆰２０１８􀆰０５􀆰０１９

收稿日期：２０１８－０８－０３；修订日期：２０１８－０８－２６基金项目：国家重点研发计划（Ｎｏ．２０１６ＹＦＢ０７００４０２）；国家自然科学基金资助项目（Ｎｏｓ．５１７６１１３５１３１，５１６７１１１２，５１４７１０９６，５１３９０４７１）；国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（Ｎｏ．２０１５ＣＢ９２１７００）；教育部重点实验室基金资助项目（Ｎｏ．２０１８ＡＭＬ１２）．作者简介：陈鑫峰（１９９４－），男（汉族），浙江宁波人，硕士．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｘｆ１６＠ｍａｉｌｓ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ∗通讯作者：钟虓（１９８０－），男（汉族），陕西西安人，副研究员，硕士研究生导师．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｙｚｈｏｎｇ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ 材料是国民经济、社会进步和国家安全的物质