第九章 透射电子显微镜
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1、电子波有何特征?与可见光有何异同?答:电子波的波长较短,轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦。
其波长取决于电子运动的速度和质量,电子波的波长要比可见光小5个数量级。
两者都是波,具有波粒二象性,波的大小、产生方式、聚焦方式等不同。
2、分析电磁透镜对波的聚焦原理,说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。
答:原理:通电线圈产生一种轴对称不均匀分布的磁场,磁力线围绕导线呈环状。
磁力线上任一点的磁感应强度B可以分解成平行于透镜主轴的分量Bz和垂直于透镜主轴的分量Br。
速度为V的平行电子束进入透镜磁场时在A点处受到Br分量的作用,由右手法则,电子所受的切向力Ft的方向如下图;Ft使电子获得一个切向速度Vt,Vt与Bz分量叉乘,形成了另一个向透镜主轴靠近的径向力Fr,使电子向主轴偏转。
当电子穿过线圈到达B点位置时,Br的方向改变了180度,Ft随之反向,但是只是减小而不改变方向,因此,穿过线圈的电子任然趋向于主轴方向靠近。
结果电子作圆锥螺旋曲线近轴运动。
当一束平行与主轴的入射电子束通过投射电镜时将会聚焦在轴线上一点,这就是电磁透镜电子波的聚焦对原理。
电磁透镜的结构对电磁场有很大的影响。
上图为一种实际常用的带有铁壳以及极靴的电磁透镜示意图。
1)电磁透镜中为了增强磁感应强度,通常将线圈置于一个由软磁材料(纯铁或低碳钢)制成的具有内环形间隙的壳子里,此时线圈的磁力线都集中在壳内,磁感应强度得以加强。
狭缝的间隙越小,磁场强度越强,对电子的折射能力越大。
2)增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几毫米的范围内,显著提高了其聚焦能力。
3、电磁透镜的像差是怎样产生的,如何来消除或减小像差?答:电磁透镜的像差可以分为两类:几何像差和色差。
几何像差是因为投射磁场几何形状上的缺陷造成的,色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。
几何像差主要指球差和像散。
球差是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律造成的,像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的。
透射电子显微镜原理透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)是利用透射电子成像,因而要求样品极薄(加速电压100kV时,样品厚度不能超过100nm)。
其结构包括三大部分:电子学系统、真空系统和电子光学系统。
电子光学系统提供电子束,在高真空条件下照射到样品上,经过成像系统中的物镜成像,再经过中间镜和投影镜的进一步放大,获得的图像记录在CCD上。
TEM使用油扩散泵(Diffuse Pump)来实现高真空。
由于油扩散泵的启动和关闭都需要30分钟,导致TEM开机和关机都至少需要30分钟。
TEM发射出的高能电子束轰击到光路元器件上以及样品上,会产生以X-ray为主的等等其他射线辐射,因此建议孕妇等过敏性体质者尽量避免接触TEM。
由于平台现有TEM的加速电压为100kV,是一台生物电镜,因此无法满足材料科学上要求的高放大倍数(30万倍以上)、高分辨、衍射花样等实验要求,有这方面需求的科研人员请与武大、地大等单位联系。
TEM是研究结构生物学的有力工具。
除了电镜之外,现在尚没有一种仪器能使人们用肉眼直接观察到亚细胞结构、蛋白大分子(直径20nm以上)的排列结构形态。
利用电镜观察超微结构的形态和位置,可以研究解决部分形态和功能的问题。
TEM是研究超微结构必须的工具之一,但它存在一些缺点:(1)TEM的价格昂贵,维护费用及其配件、耗材都在几百甚至上千美元以上。
(2)TEM的维护和使用均要求较高的技术,也是一个精细、繁琐的过程。
TEM每3天要做一次维护和电子光路调整,每次调整和维护至少需要2个小时。
(3)TEM不能像光镜那样随时可用,受到很多限制。
TEM放大倍数有很多,再加上切片的限制,因此无法实现始终同一放大倍数的拍摄。
(4)TEM样品必须置于真空中,因此对活体标本的观察是不可能的。
(5)TEM样品取材及制备存在局限性。
TEM取材要求只有1mm3大小块状,而且观察面更小,如果把一个厚6µm的细胞核切成60nm的超薄切片,可以且100张,而一般光镜的石蜡切片厚度即为6µm。