电子显微分析技术

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：

电子探针显微分析

电子探针显微分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA）是一种用于材料分析的先进技术。它结合了扫描电子显微镜（Scanning

Electron Microscopy，简称SEM）和能谱仪，能够提供高分辨率的成分分析和元素分布图像。

电子探针显微分析的原理是利用电子束和样品之间的相互作用。首先，电子束通过集束系统聚焦到样品表面，与样品发生相互作用。这些相互作用包括：在样品表面产生的次级电子、背散射电子和散射电子。次级电子是从样品表面弹出的电子，背散射电子是从样品内部产生的电子，散射电子是从相互作用点散射出的电子。

次级电子和背散射电子是电子显微镜的常规成像信号，这部分信号可以用来获得样品的表面形貌和显微结构。而散射电子则包含了样品的化学信息，通过能谱仪可以对这些散射电子进行能谱分析，获得样品的元素组成。电子探针显微分析既可以定性分析材料中的元素，也可以定量分析元素的含量。

电子探针显微分析在材料科学、地质学、环境科学等领域广泛应用。它可以对金属、陶瓷、半导体、岩石等各种材料进行分析。在材料科学研究中，电子探针显微分析可以用于分析材料中的微观缺陷、晶体结构和化学成分。在地质学研究中，它可以用于分析岩石样品中的矿物成分和地球化学元素分布。在环境科学研究中，它可以对大气颗粒物、水体中的溶解物等进行化学成分分析。 除了成分分析，电子探针显微分析还可以进行元素的显微分布分析。通过调整电子束的扫描区域和扫描速度，可以获得样品中元素的分布图像。这些图像可以用来研究材料的相分离、溶质迁移和化学反应等过程。

总之，电子探针显微分析是一种强大的材料分析工具。它提供了高分辨率、高灵敏度的成分分析和元素分布图像，对于研究材料的结构和性质具有重要意义。未来，随着技术的不断进步，电子探针显微分析将在更多领域展示其潜力和应用价值。

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?