节 透射电子显微分析

透射电子显微镜下的生物大分子结构解析一、透射电子显微镜技术概述透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用电子束穿透样品的高分辨率显微镜技术。

与传统的光学显微镜相比，透射电子显微镜能够提供纳米级别的分辨率，这使得它在生物大分子结构解析领域具有独特的优势。

本文将探讨透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用，分析其原理、技术特点以及在生物科学领域的重要作用。

1.1 透射电子显微镜的基本原理透射电子显微镜的工作原理基于电子光学原理，电子束通过电磁透镜聚焦，穿透样品后，由检测器接收并转换成图像。

由于电子波长远小于可见光，因此TEM能够达到比光学显微镜更高的分辨率。

1.2 透射电子显微镜的技术特点透射电子显微镜具有以下技术特点：- 高分辨率：能够达到原子级别的分辨率，适合观察生物大分子的精细结构。

- 多模式成像：除了传统的透射成像外，还可以进行扫描透射成像（STEM）和电子衍射等。

- 样品制备要求：需要将生物样品制备成极薄的切片，以确保电子束的有效穿透。

- 环境控制：需要在高真空环境下操作，以避免电子束与空气分子的相互作用。

1.3 透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用非常广泛，包括蛋白质、核酸、病毒等生物大分子的形态学研究和结构分析。

二、生物大分子结构解析的技术和方法生物大分子结构解析是一个复杂的过程，涉及多种技术和方法。

透射电子显微镜技术在这一过程中扮演着重要角色，但也需要与其他技术相结合，以获得更全面和准确的结构信息。

2.1 样品制备技术生物大分子的样品制备是结构解析的第一步，也是关键步骤之一。

透射电子显微镜要求样品必须足够薄，通常需要使用超微切割、冷冻断裂或聚焦离子束等技术来制备样品。

2.2 高分辨率成像技术高分辨率成像是获取生物大分子结构信息的基础。

透射电子显微镜通过优化电子束的聚焦、样品的放置和成像条件，可以获得高质量的图像。

材料科学研究方法-透射电子显微成像分析透射电子显微镜成象原理与图象解释金相显微镜及扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，它无法获得物质内部的信息。

而透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。

显然，不同结构有不同的相互作用。

这样，就可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。

由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。

它不象表面形貌那样直观、易懂。

因此，如何对一张电子图象获得的信息作出正确的解释和判断，不但很重要，也很困难。

必须建立一套相应的理论才能对透射电子象作出正确的解释。

如前所述电子束透过试样所得到的透射电子束的强度及方向均发生了变化，由于试样各部位的组织结构不同，因而透射到荧光屏上的各点强度是不均匀的，这种强度的不均匀分布现象就称为衬度，所获得的电子象称为透射电子衬度象。

衬度（contrast）定义 ?衬度（contrast）定义：两个相临部分的电子束强度差对于光学显微镜，衬度来源是材料各部分反射光的能力不同。

?当电子逸出试样下表面时，由于试样对电子束的作用，使得透射到荧光屏上的强度是不均匀的，这种强度不均匀的电子象称为衬度象。

其形成的机制有两种： 1.相位衬度如果透射束与衍射束可以重新组合，从而保持它们的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。

仅适于很薄的晶体试样≈100? 。

――高分辨像原子序数衬度 2. 振幅衬度振幅衬度是由于入射电子通过试样时，与试样内原子发生相互作用而发生振幅的变化，引起反差。

振幅衬度主要有质厚衬度和衍射衬度两种：①质厚衬度由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质-厚衬度。

第一节质厚衬度原理透过试样不同部位时，散射和透射强度的比例不同质厚衬度来源于入射电子与试样物质发生相互作用而引起的吸收与散射。

第九章电子衍射及显微分析 1. 透射电镜的一般知识 2. TEM工作原理 3. 透射电镜的结构 4. 电子衍射物相分析 5. 电子显微衬度像 6. 衍射衬度理论解释 1. 透射电镜的一般知识 1.1 什么是TEM? 1.2 TEM发展简史 1.3 为什么要用TEM? 1.1 什么是TEM? 透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。

应用举例－半导体器件结构 1.2 kx 150 kx 8 kx 600 kx 应用举例－金属组织观察 .8 µm 1 µm Ion polished commercial Al alloy AlAl-Cu metallization layer thinned on Si substrate 应用举例－Si纳米晶的原位观察 1.2 TEM发展简史 TEM是量子力学研究的产品黑体辐射：可以把金属看成近似的黑体，给它加热，先呈暗红，而黄而白，发出耀眼的光线，能量随温度的升高而增加。

问题的焦点是求出能量、温度与波长之间的关系式。

瑞利和金斯－紫外灾变，维恩－红外灾变普朗克：辐射的能量不是连续的，像机关枪里不断射出的子弹。

这一份一份就取名为“量子”。

能量子相加趋近于总能量。

能量子又与它的频率有关：能量子＝h×频率。

光电效应：又一有力证据爱因斯坦，1921年的诺贝尔奖金。

普朗克，1920年的诺贝尔奖金。

1.2 TEM发展简史德布罗意：光波是粒子，那么粒子是不是波呢？光的波粒二象性是不是可以推广到电子这类的粒子呢？－－“物质波” 的新概念物质波的波长公式λ＝h/P 的人，的速度运动，例：质量 m= 50Kg的人，以 v=15 m/s 的速度运动，试的人求人的德布罗意波波长。

求人的德布罗意波波长。

h h 6.63×10 λ= = = P mv 50×15 −34 = 8.8×10 m −37 人的德波波长仪器观测不到，人的德波波长仪器观测不到，宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。

透射电子显微镜解析出材料结构与缺陷的微观形貌材料科学与工程领域中，了解材料的微观结构和缺陷是极为重要的。

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）作为一种高分辨率的显微镜，被广泛应用于研究材料的微观结构和缺陷的形貌。

本文将对透射电子显微镜的原理以及其在解析材料结构和缺陷方面的应用进行探讨。

首先，我们来了解一下透射电子显微镜的原理。

TEM利用电子束的穿透性质，通过透射模式进行成像。

当电子束通过材料样品时，被材料中的原子核和电子云散射，形成折射、衍射和透射等效应。

其中，透射电子显微镜主要依靠透射电子的成像来解析材料的微观结构和缺陷。

在TEM中，电子束通过样品后，经过透射器（透镜）和投影透镜组件进行成像，最后由像差校正系统进行调整来提高成像质量。

透射电子显微镜的高分辨率使得它能够解析出材料的微观形貌，包括晶体结构、晶格缺陷和界面等。

透射电子显微镜在解析材料结构方面具有得天独厚的优势。

通过TEM的高分辨率成像，可以直接观察到材料的晶格结构。

晶体的晶体结构、晶胞参数、晶体方向和位错等重要的结构信息可以通过TEM成像来获得。

通过选取特定的衍射点和晶格平面，可以进一步通过电子衍射技术确定晶体结构。

透射电子衍射技术可以通过模式匹配和比对已知晶体结构的衍射图案来确定材料的晶体结构，为研究和设计材料提供了重要的依据。

此外，透射电子显微镜还可以帮助解析材料中的晶体缺陷。

晶格缺陷是材料中常见的现象，对材料的性能和行为产生显著影响。

通过透射电子显微镜观察，可以揭示出材料中的位错（dislocation）、嵌错（inclusion）、晶界（grain boundary）和尖晶石等各种缺陷。

位错是晶体中最常见的缺陷类型之一，它们对晶格的完整性和形貌起到了至关重要的作用。

透射电子显微镜可以通过成像和EDS（能谱分析）技术来定量和表征位错的类型和密度。

此外，透射电子显微镜还可以通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）技术对材料的晶界和界面进行观察，揭示出材料微观结构中的复杂性。