第2章光學顯微分析

理學院郭敏杰第2章光學顯微分析第2章光學顯微分析2.1材料形貌分析簡介2.2光學幾個基本知識2.3幾種常用顯微鏡的工作原理2.4光學顯微分析的發(fā)展2.5顯微鏡的成像原理2.6偏光顯微鏡2.1材料形貌分析簡介物體的表面是物質(zhì)存在的一種客觀形式，固體從體相延伸到表面，最終在表面形成原子及其電子分布的終端，從而導致表面具有體相所不具備的新的特點和新的特征。同時也破壞了物體的連續(xù)性。因此研究物體的表面比研究物體的體相有更大的難度。在表面分析中，由于表面層的光學干涉、表面缺陷、粒度大小等表面變化為微觀變化，實測結(jié)果往往與常規(guī)觀察的判斷有很大的區(qū)別。材料的形貌也是材料分析的重要組成部分，主要分析材料的幾何形貌，材料的顆粒度以及顆粒度的分布等方面。光學顯微鏡和電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡SEM；透射電子顯微鏡TEM；掃描隧道顯微鏡STM；原子力顯微鏡AFM）人眼：0.2mm/250mm光學顯微鏡：0.2um電子顯微鏡：0.2nm2.2基本知識(幾個重要的分辨率)人眼：通常在25cm的明視距離內(nèi)，人眼只能分辨相距0.1-0.2mm的兩個物體。即物體相距不到0.1mm的時候，人眼就會把它們看成是一個物體。這個極限即為人眼的分辨本領(lǐng)。顯微鏡的分辯本領(lǐng)：z＝0.61×λ/（nsinα），顯微鏡的分辯本領(lǐng)與光的波長成正比。光的波長越長，其分辨率越低。只有采用比較短的波長的光線，才能獲得較高的放大倍數(shù)。光學顯微鏡：由于可見光波的波長在500nm左右，其衍射效應使得光學顯微鏡的分辨本領(lǐng)不能小于200nm。電子顯微鏡：電子波λ＝(1.50/E)1/2nm。當加速電壓為100kV時，電子的波長僅為0.0037nm；當E=30KeV時,λ≈0.007nm。電子顯微鏡可以獲得很好的高分辨率圖像，0.2-0.5nm.2.3幾種常用顯微鏡的工作原理基本原理

SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時激發(fā)的某種物理信號來調(diào)制一個同步掃描的顯象管在相應位置的亮度而成象的顯微鏡。三種顯微鏡比較分辨率影響因素由于電子束的波長很短，理論上電鏡可以達到很高的分辨率；在光學顯微鏡中決定分辨率的是光的波長，象差不是主要原因；在電子顯微鏡中，波長已經(jīng)不是決定性因素；而透鏡產(chǎn)生的象散和球差，電子波產(chǎn)生的色差和衍射差是主要因素；15世紀中葉：放大鏡（單式顯微鏡）1590年荷蘭HansandZachariasJanssen：復式顯微鏡17世紀中葉R.Hooke：設(shè)計第一臺性能較好的顯微鏡ChristiaanHuygens：惠更斯目鏡19世紀德國ErnstAbbe闡明光學顯微鏡成像原理，光學顯微鏡分辨本領(lǐng)達0.2微米理論極限2.4光學顯微分析的發(fā)展光學顯微鏡的局限性一個世紀以來，人們一直用光學顯微鏡來揭示金屬材料的顯微組織，借以弄清楚組織、成分、性能的內(nèi)在聯(lián)系。但光學顯微鏡的分辨本領(lǐng)有限，對諸如合金中的G.P區(qū)（幾十埃）無能為力。光學顯微鏡分類

——幾何光學顯微鏡

生物顯微鏡、落射光顯微鏡、倒置顯微鏡、金相顯微鏡、暗視野顯微鏡等。——物理光學顯微鏡相差顯微鏡、偏光顯微鏡、干涉顯微鏡、相差偏振光顯微鏡、相差干涉顯微鏡、相差熒光顯微鏡等。——信息轉(zhuǎn)換顯微鏡

熒光顯微鏡、顯微分光光度計、圖像分析顯微鏡、聲學顯微鏡、照相顯微鏡、電視顯微鏡等。——特種光學顯微鏡高溫顯微鏡、近場光學顯微鏡等。光學顯微鏡基本結(jié)構(gòu)：1.

照明燈(Lamp)2.

聚光器(Condenser)3.

載物臺和切片夾(Mechanicalstageandspecimenretainer)4.

推進器(Mechanicalstageadjustmentknob)5.

物鏡(Objectives)6.

粗細螺旋(Courseandfinefocusknob)7.

目鏡(Oculars)8.

照相機等接口(Connectiontocamera,etc.)2.5顯微鏡的成像原理yF1F2L1L2物鏡目鏡f1f2y25cm顯微鏡的放大率：1.顯微鏡的光路圖和放大率：2.光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)光學儀器的圓孔衍射現(xiàn)象限制了光學系統(tǒng)分辨物體細節(jié)的能力。分辨極限:光學系統(tǒng)能分辨開兩物點的最短距離。分辨本領(lǐng):最短距離的倒數(shù)稱為光學系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。AB’B物鏡兩物點A’相應兩象點艾里斑瑞利判據(jù)A1A2A1A2A1A2θ=2θ＞2θ＜2ZD3.顯微鏡的分辨本領(lǐng)兩個物點（A1和A2）剛能夠被分辨的條件是：一個物點的衍射亮斑的第一暗環(huán)正好與另一個物點的衍射亮斑中央點重合。此時Z為剛能分辨的最短距離（即顯微鏡的分辨距離）。顯微鏡的分辨本領(lǐng)：顯微鏡能分辨最短距離的能力用1/Z表示。Z越小，分辨本領(lǐng)越高。

根據(jù)瑞利判據(jù)，得顯微鏡的分辨距離：物鏡的數(shù)值孔徑：物鏡β強度Z（推導略）Z,最小分辨距離;λ,波長;n,透鏡周圍的折射率;β,透鏡對物點張角的一半;4.提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：⒈增大物鏡的數(shù)值孔徑N.A.（比如：采用油浸鏡頭）蓋玻片n=1.52n=1β干物鏡物鏡(n=1.52)油浸物鏡油n=1.52β標本低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì)，而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔小，而使進入物鏡的光線產(chǎn)生折射，從而導致視野暗淡，物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。4.提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的兩個途徑：⒉減小照射光的波長λ（采用紫外線、電子射線）放大率即放大倍數(shù)，是光鏡性能的另一重要參數(shù)。它主要有4×、10×、40×和100×四種，其中4×和10×為低倍鏡，40×為高倍鏡，100×為油鏡。鏡頭長度隨倍數(shù)的增加依次增長，而在不同放大倍數(shù)的物鏡筒上還標有不同顏色的環(huán)，以用于區(qū)別。低倍鏡、高倍鏡以空氣為介質(zhì)，而油鏡需以香柏油或石蠟油為介質(zhì)。這樣就避免了由于油鏡鏡孔小，而使進入物鏡的光線產(chǎn)生折射，從而導致視野暗淡，物像不清現(xiàn)象的發(fā)生。1.偏光顯微鏡的構(gòu)造2.6偏光顯微鏡將普通光改變?yōu)槠窆膺M行鏡檢的方法，以鑒別某一物質(zhì)是單折射（各向同性）或雙折射性（各向異性）。雙折射性是晶體的基本特征。因此，偏光顯微鏡被廣泛地應用在礦物、化學等領(lǐng)域。在生物學中，很多結(jié)構(gòu)也具有雙折射性，這就需要利用偏光顯微鏡加以區(qū)分。在植物學方面，如鑒別纖維、染色體、紡錘絲、淀粉粒、細胞壁以及細胞質(zhì)與組織中是否含有晶體等。在植物病理上，病菌的入侵，常引起組織內(nèi)化學性質(zhì)的改變，可以偏光顯微術(shù)進行鑒別。在人體及動物學方面，常利用偏光顯微術(shù)來鑒別骨骷、牙齒、膽固醇、神經(jīng)纖維、腫瘤細胞、橫紋肌和毛發(fā)等。

1、機械部分鏡座：承受重力鏡臂：裝鏡筒，可傾斜載物臺：承載觀察物，可轉(zhuǎn)動，有0～360度刻度及游標、固定螺絲，中央圓孔，固定彈簧夾

2、光學部分反光鏡：有平、凹兩面，光線弱或用高倍物鏡時用凹面下偏光鏡：將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)槠怄i光圈：調(diào)節(jié)進光量的大小聚光鏡：將平行光線變?yōu)殄F光鏡筒：可調(diào)節(jié)升降，上接目鏡，下接物鏡，鏡筒光學長度為物鏡后焦到目鏡前焦目鏡上偏光鏡：方向AA，垂直下偏光鏡勃氏鏡：觀察錐光時使用的放大系統(tǒng)

1.偏光顯微鏡的構(gòu)造物鏡：透鏡越小，鏡頭越長，放大倍數(shù)越大。物鏡一般由1～5片透鏡組成。放大倍數(shù)一般低倍4X，中倍10X-25X，高倍45X以上，油浸100X。光孔角：前透鏡最邊緣的光線與前焦點所構(gòu)成的角度數(shù)值孔徑：等于光孔角正弦乘介質(zhì)折射率N。數(shù)值孔徑越大，放大倍數(shù)越高。同一放大倍數(shù)，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高物鏡的分辨率就是顯微鏡的分辨率，它取決于數(shù)值孔徑的大小及所用光波的波長光學顯微鏡最高分辨率為2000埃，最大放大倍數(shù)為2000倍。一組物鏡占一臺顯微鏡總價值的五分之一到二分之一。

1.偏光顯微鏡的構(gòu)造二、偏光顯微鏡的調(diào)節(jié)與使用

1·裝卸鏡頭A·裝目鏡：直接插上即可B·裝物鏡：物鏡與鏡筒的接合類型有彈簧夾型、銷釘型及轉(zhuǎn)盤型。注意安裝到位2·調(diào)節(jié)視域亮度鏡頭裝好以后，推出上偏光，勃氏鏡，打開鎖光圈，轉(zhuǎn)動反光鏡對準光源，調(diào)節(jié)視域亮度。光線不要太強3·調(diào)節(jié)焦距A·放上薄片，手摸一下，一定要蓋玻片朝上，用彈簧夾夾好B·下降鏡筒。用粗調(diào)旋扭朝前旋轉(zhuǎn)，眼睛從側(cè)面注視鏡頭，將鏡頭下降到鏡頭工作距離以內(nèi)，切匆使鏡頭與薄片接觸，以免損壞鏡頭。要鍛煉能兩個眼睛都睜開看。

2.薄片制備4·校正中心A·在視域內(nèi)選一小點置于十字絲中心B·轉(zhuǎn)動物臺180度，注意觀察小點的位置和軌跡C·擰校正螺旋，使小點內(nèi)移到中心距離的二分之一D·手移薄片，使小點回中心。再旋物臺，若小點還有偏移，重復上述操作5·校正偏光鏡方向找一塊黑云母，置于視域中心旋轉(zhuǎn)物臺，使解理縫為左右方向旋動下偏光鏡使其顏色最深，此時的下偏光鏡為PP方向取下薄片，推入上偏光鏡，使視域全黑。則上下偏光鏡正交。

2.薄片制備3.偏光顯微鏡在高分子結(jié)構(gòu)研究中的應用基本原理聚合物晶體像其他晶體一樣，也是對光各向差異性的，會