電子顯微鏡的現(xiàn)狀與展望

電子顯微鏡的現(xiàn)狀與展望一、本文概述電子顯微鏡，作為現(xiàn)代科學技術的重要產物，自其誕生以來，就在諸多領域，如生物學、材料科學、醫(yī)學等，發(fā)揮了不可替代的作用。本文旨在全面概述電子顯微鏡的當前發(fā)展現(xiàn)狀，以及對其未來可能的發(fā)展趨勢進行展望。我們將首先回顧電子顯微鏡的基本原理和主要類型，然后深入探討其在不同領域的應用現(xiàn)狀，結合當前科技發(fā)展趨勢，對電子顯微鏡的未來進行展望。在概述部分，我們將簡要介紹電子顯微鏡的歷史背景，闡述其相較于光學顯微鏡的優(yōu)勢，以及電子顯微鏡在科學研究和技術進步中的重要地位。我們還將對電子顯微鏡的基本工作原理進行簡要說明，包括電子槍、電磁透鏡、樣品室、圖像顯示和記錄系統(tǒng)等關鍵部件的功能和工作原理。通過對電子顯微鏡的全面了解，我們將為后續(xù)的深入分析和展望打下堅實的基礎。我們期待通過本文的探討，能夠為讀者提供一個全面、深入的電子顯微鏡發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢的視圖，以激發(fā)更多科研工作者和技術人員對電子顯微鏡的研究和應用熱情。二、電子顯微鏡的現(xiàn)狀電子顯微鏡（ElectronMicroscope，簡稱EM）作為現(xiàn)代科學研究的重要工具，在過去的幾十年里得到了迅猛的發(fā)展。當前，電子顯微鏡的現(xiàn)狀呈現(xiàn)出以下幾個特點：技術不斷革新：隨著科技的不斷進步，電子顯微鏡的制造技術也在持續(xù)創(chuàng)新?，F(xiàn)在的電子顯微鏡不僅具有更高的分辨率，而且能夠更快速地獲取圖像，這對于科研人員來說，無疑大大提高了研究效率。應用領域廣泛：電子顯微鏡的應用已經滲透到了許多科學領域，包括生物學、材料科學、醫(yī)學、地質學等。例如，在生物學領域，電子顯微鏡被用來研究細胞的超微結構，揭示生命活動的奧秘。高性能計算機技術的結合：隨著高性能計算機技術的發(fā)展，電子顯微鏡的數據處理能力得到了極大的提升。這使得科研人員能夠更深入地分析微觀世界的現(xiàn)象，推動科學研究的深入發(fā)展?？鐚W科合作的加強：電子顯微鏡的研究和應用需要多個學科的共同合作，包括物理學、化學、工程學等。這種跨學科的合作不僅推動了電子顯微鏡技術的發(fā)展，也促進了各學科的交流和融合。然而，盡管電子顯微鏡的現(xiàn)狀令人鼓舞，但也存在一些挑戰(zhàn)和問題。例如，電子顯微鏡的制造和維護成本較高，這對于一些研究機構來說可能構成經濟壓力。電子顯微鏡的操作和維護需要專業(yè)知識和技能，這也限制了其普及和應用。電子顯微鏡作為現(xiàn)代科學研究的重要工具，其現(xiàn)狀呈現(xiàn)出技術不斷革新、應用領域廣泛、與高性能計算機技術結合緊密以及跨學科合作加強等特點。然而，也存在一些挑戰(zhàn)和問題，需要科研人員和技術人員共同努力解決。三、電子顯微鏡的展望隨著科技的飛速發(fā)展，電子顯微鏡作為一種強大的分析工具，正迎來前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。未來的電子顯微鏡將在多個方面實現(xiàn)顯著的技術突破和應用拓展，為人類探索微觀世界提供更為精準和深入的手段。技術層面的進步將主要體現(xiàn)在更高分辨率和更大樣品處理能力的實現(xiàn)上。目前，科研人員正在探索并研發(fā)新型電子源和透鏡系統(tǒng)，以突破傳統(tǒng)電子顯微鏡在分辨率上的極限。這些新技術有望將電子顯微鏡的分辨率提升至原子級別甚至更高，從而讓我們能夠觀察到更為細致和復雜的微觀結構。同時，電子顯微鏡的樣品處理能力也將得到大幅提升。通過改進樣品制備技術和引入新型樣品臺設計，未來電子顯微鏡將能夠實現(xiàn)對更大、更厚樣品的無損觀察，進一步拓寬其應用領域。在應用層面，電子顯微鏡將在材料科學、生物醫(yī)學、能源科學等領域發(fā)揮更加重要的作用。例如，在材料科學中，電子顯微鏡將用于揭示新型材料的原子結構和性能優(yōu)化機制，為高性能材料的研發(fā)提供關鍵支持。在生物醫(yī)學領域，電子顯微鏡將助力科研人員深入了解生命活動的微觀過程，為疾病診斷和治療提供新思路和新方法。隨著和大數據技術的融入，電子顯微鏡的數據處理能力將實現(xiàn)質的飛躍。通過對大量微觀圖像進行深度學習和模式識別，科研人員將能夠從中提取出更為豐富和準確的信息，為科學研究提供有力支撐。電子顯微鏡的未來充滿了無限可能。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，電子顯微鏡必將在人類探索微觀世界的道路上發(fā)揮更加重要的作用，為科學研究和產業(yè)發(fā)展帶來革命性的變革。四、結論隨著科技的飛速進步，電子顯微鏡作為一種強大的微觀世界觀測工具，其在科研、工業(yè)、醫(yī)學等領域的應用越來越廣泛。從最初的基礎形態(tài)到現(xiàn)在的多功能、高分辨率的電子顯微鏡，其技術不斷革新，性能持續(xù)優(yōu)化，極大地推動了人類對微觀世界的認識和理解。當前，電子顯微鏡正面臨著一系列新的挑戰(zhàn)和機遇。一方面，隨著納米科技的崛起，對電子顯微鏡的分辨率和穩(wěn)定性提出了更高的要求。另一方面，人工智能、大數據等新技術的發(fā)展，為電子顯微鏡的數據處理和分析提供了新的可能。這些新技術、新方法的融合，有望推動電子顯微鏡向更高、更深、更廣的領域發(fā)展。展望未來，我們期待電子顯微鏡在以下幾個方面取得突破：一是進一步提高分辨率和成像質量，揭示更多微觀世界的奧秘；二是拓展應用領域，不僅在科研領域，也在工業(yè)、醫(yī)學等領域發(fā)揮更大的作用；三是加強與新技術、新方法的融合，提升數據處理和分析能力，為科學研究提供更強大的支持。電子顯微鏡的現(xiàn)狀充滿挑戰(zhàn)，但也充滿希望。我們有理由相信，在科研人員的共同努力下，電子顯微鏡的未來將更加光明，其在人類認識世界、改造世界的過程中，將發(fā)揮更加重要的作用。參考資料：電子顯微鏡，簡稱電鏡，英文名ElectronMicroscope（簡稱EM），經過五十多年的發(fā)展已成為現(xiàn)代科學技術中不可缺少的重要工具。電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成。電子顯微鏡技術的應用是建立在光學顯微鏡的基礎之上的，光學顯微鏡的分辨率為2μm，透射電子顯微鏡的分辨率為2nm，也就是說透射電子顯微鏡在光學顯微鏡的基礎上放大了1000倍。鏡筒主要有電子源、電子透鏡、樣品架、熒光屏和探測器等部件，自上而下地裝配成一個柱體。電子透鏡用來聚焦電子，是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件。一般使用的是磁透鏡，有時也有使用靜電透鏡的。它用一個對稱于鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦，其作用與光學顯微鏡中的光學透鏡（凸透鏡）使光束聚焦的作用是一樣的，所以稱為電子透鏡。光學透鏡的焦點是固定的，而電子透鏡的焦點可以被調節(jié)，因此電子顯微鏡不像光學顯微鏡那樣有可以移動的透鏡系統(tǒng)?，F(xiàn)代電子顯微鏡大多采用電磁透鏡，由很穩(wěn)定的直流勵磁電流通過帶極靴的線圈產生的強磁場使電子聚焦。電子源是一個釋放自由電子的陰極、柵極、一個環(huán)狀加速電子的陽極構成的。陰極和陽極之間的電壓差必須非常高，一般在數千伏到3百萬伏特之間。它能發(fā)射并形成速度均勻的電子束，所以加速電壓的穩(wěn)定度要求不低于萬分之一。樣品可以穩(wěn)定地放在樣品架上，此外往往還有可以用來改變樣品（如移動、轉動、加熱、降溫、拉長等）的裝置。真空裝置用以保障顯微鏡內的真空狀態(tài)，這樣電子在其路徑上不會被吸收或偏向，由機械真空泵、擴散泵和真空閥門等構成，并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接。電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構；掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌，也能與射線衍射儀或電子能譜儀相結合，構成電子微探針，用于物質成分分析；發(fā)射式電子顯微鏡用于自發(fā)射電子表面的研究。因電子束穿透樣品后，再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿，可以直接獲得一個樣本的投影。通過改變物鏡的透鏡系統(tǒng)人們可以直接放大物鏡的焦點的像。由此人們可以獲得電子衍射像。使用這個像可以分析樣本的晶體結構。在這種電子顯微鏡中，圖像細節(jié)的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。由于電子需要穿過樣本，因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的分辨率決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數納米到數微米不等。原子量越高、電壓越低，樣本就必須越薄。樣品較薄或密度較低的部分，電子束散射較少，這樣就有較多的電子通過物鏡光欄，參與成像，在圖像中顯得較亮。反之，樣品中較厚或較密的部分，在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密，則像的對比度就會惡化，甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。透射電鏡的分辨率為1～2nm，放大倍數為幾萬～幾十萬倍。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，必須制備更薄的超薄切片（通常為50～100nm）。透射式電子顯微鏡鏡筒頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像于熒光屏或照相干版上。中間鏡主要通過對勵磁電流的調節(jié)，放大倍數可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍；改變中間鏡的焦距，即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。掃描電子顯微鏡的電子束不穿過樣品，僅以電子束盡量聚焦在樣本的一小塊地方，然后一行一行地掃描樣本。入射的電子導致樣本表面被激發(fā)出次級電子。顯微鏡觀察的是這些每個點散射出來的電子，放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子，通過放大后調制顯像管的電子束強度，從而改變顯像管熒光屏上的亮度。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描，這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像，這與工業(yè)電視機的工作原理相類似。由于這樣的顯微鏡中電子不必透射樣本，因此其電子加速的電壓不必非常高。掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比，可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品；圖像有很強的立體感；能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和射線等信息分析物質成分。掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子–空穴對、晶格振動（聲子）、電子振蕩（等離子體）。1931年厄恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾研制了第一臺透視電子顯微鏡。展示這臺顯微鏡時使用的還不是透視的樣本，而是一個金屬格。1986年盧斯卡為此獲得諾貝爾物理獎。1937年，第一臺掃描透射電子顯微鏡推出。一開始研制電子顯微鏡最主要的目的是顯示在光學顯微鏡中無法分辨的病原體如病毒等。1960年代透射電子顯微鏡的加速電壓越來越高來透視越來越厚的物質。這個時期電子顯微鏡達到了可以分辨原子的能力。1990年代中，電腦越來越多地用來分析電子顯微鏡的圖像，同時也可以控制越來越復雜的透鏡系統(tǒng)，電子顯微鏡的操作越來越簡單。分辨能力是電子顯微鏡的重要指標，電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示，即稱為該儀器的最高點分辨率：d=δ。顯然，分辨率越高，即d的數值（為長度單位）愈小，則儀器所能分清被觀察物體的細節(jié)也就愈多愈豐富，也就是說這臺儀器的分辨能力或分辨本領越強。分辨率與透過樣品的電子束入射錐角和波長有關。可見光的波長約為300～700納米，而電子束的波長與加速電壓有關。依據波粒二象性原理，高速的電子的波長比可見光的波長短，而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此電子顯微鏡的分辨率（2納米）遠高于光學顯微鏡的分辨率（200納米）。當加速電壓為50～100千伏時，電子束波長約為0053～0037納米。由于電子束的波長遠遠小于可見光的波長，所以即使電子束的錐角僅為光學顯微鏡的1%，電子顯微鏡的分辨本領仍遠遠優(yōu)于光學顯微鏡。光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍，而現(xiàn)代電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍，所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。單就放大率（magnification）而言，是指被觀察物體經電子顯微鏡放大后，在同一方向上像的長度與物體實際長度的比值。這是兩條直線的比值，有人將放大率理解為像與物的面積比，這是一種誤解，勢必引起概念上的混淆和計算方法與結果上的混亂。在使用透視電子顯微鏡觀察生物樣品前樣品必須被預先處理。隨不同研究要求的需要科學家使用不同的處理方法。固定：為了盡量保存樣本的原樣使用戊二醛來硬化樣本和使用鋨酸來染色脂肪。冷固定：將樣本放在液態(tài)的乙烷中速凍，這樣水不會結晶，而形成非晶體的冰。這樣保存的樣品損壞比較小，但圖像的對比度非常低。染色：重的原子如鉛或鈾比輕的原子散射電子的能力高，因此可被用來提高對比度。使用透視電子顯微鏡觀察金屬前樣本要被切成非常薄的薄片（約1毫米），然后使用電解擦亮繼續(xù)使得金屬變薄，最后在樣本中心往往形成一個洞，電子可以在這個洞附近穿過那里非常薄的金屬。無法使用電解擦亮的金屬或不導電或導電性能不好的物質如硅等一般首先被用機械方式磨薄后使用離子打擊的方法繼續(xù)加工。為防止不導電的樣品在掃描電子顯微鏡中積累靜電它們的表面必須覆蓋一層導電層。在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無法觀察活樣本。隨著技術的進步，環(huán)境掃描電鏡將逐漸實現(xiàn)直接對活樣本的觀察；在處理樣本時可能會產生樣本本來沒有的結構，這加劇了此后分析圖像的難度；由于透射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，而有可能物質表面的結構與物質內部的結構不同；以下列舉電鏡常見的應用（截至1984年），其在對外貿易和軍事等其他領域也有其用武之地。分子和原子形態(tài)的研究；晶體薄膜位錯和層錯的研究；表面物理現(xiàn)象的研究等。高分子結構和性能方面的研究；一些有機復合材料的結構形態(tài)和添加劑的研究；催化劑的研究：各種無機物質性能、結構、雜質含盤的研究；甚至對一些化學反應過程的研究等。在分子生物學、分子遺傳學及遺傳工程方面的研究；昆蟲分類的研究：人工合成蛋白質方面的研究以及對各種細菌；病毒、噬菌體等微生物的研究。癌癥發(fā)病機理的研究及早期診斷；藥理及病理學方面的研究；計劃生育和節(jié)育藥物的研究；對病毒及干擾素方面的研究以及臨床診斷等。因此，透射電子顯微鏡突破了光學顯微鏡分辨率低的限制，成為了診斷疑難腫瘤的一種新的工具。有研究報道，無色素性腫瘤、嗜酸細胞瘤、肌原性腫瘤、軟組織腺泡狀肉瘤及神經內分泌腫瘤這些在光鏡很難明確診斷的腫瘤，利用電鏡可以明確診斷電鏡主要是通過對超微結構的精細觀察，尋找組織細胞的分化標記，確診和鑒別相應的腫瘤類型。細胞凋亡與腫瘤有著密切的關系，電鏡對細胞凋亡的研究起著重要的作用，因此利用電鏡觀察細胞的超微結構病理變化和細胞凋亡情況，將為腫瘤的診斷和治療提供科學依據。透射電子顯微鏡觀察的是組織細胞、生物大分子、病毒、細菌等結構，能夠觀察到不同病的病理結構，也可以鑒別一些腫瘤疾病，有研究報道電子顯微鏡技術通過超微結構觀察可以區(qū)分癌、黑色素瘤和肉瘤以及腺癌和間皮瘤；可區(qū)別胸腺瘤、胸腺類癌、惡性淋巴瘤和生殖細胞瘤；可區(qū)別神經母細胞瘤、胚胎性橫紋肌瘤、Ewing氏肉瘤、惡性淋巴瘤和小細胞癌；可區(qū)別纖維肉瘤、惡性纖維組織細胞瘤、平滑肌肉瘤和惡性神經鞘瘤以及區(qū)別梭形細胞癌和癌肉瘤。地層的研究、分析、識別：礦石的分析研究：化石、古尸、古瓷及各種出土文物的分析研究：文物古董的真?zhèn)舞b別等。精密合金的性能和工藝研究；鋼鐵材料斷口分析和夾雜物成分及分布的分析研究；耐高溫、高強度金屬材料及超導材料等的研究；金相分析等。各種半導體器件如超大規(guī)模集成電路等的失效分析和性能檢查；硅單晶等各種半導體材料性能的分析研究；各種開關、電位器．接插件的可靠性研究及耐久性分析；錄音磁帶．磁粉晶形的分析檢查等。熱處理工藝、焊接工藝、鑄造工藝等等的研究；破損機件的斷口分析等。油田巖芯的研究分析：石油制品性能結構的研究和成分分析；催化劑的研究等。羊毛纖維、紙張和糧食等的質量評定；畬成纖維性能的研究：感光膠片的乳劑的研究等等。各種陶瓷、玻璃、云母、石墨、人造金剛石及新型建筑材料的性能結構和工藝研究和成分分析。航空和宇航特材的研究：高空生理和太空生理的研究；宇宙物質的研究分析等。由于植物病毒引起的糧食、果樹、煙草等作物的病害的防治研究；家畜、家禽、戰(zhàn)馬等發(fā)生癌病的動物病毒的研究；雜交優(yōu)勢以及誘發(fā)突變的研究。刑事案件中對尸體、假幣、鎖鑰。兇器及各種作案工具的判別與分析，為破案提供充分的證據。掃描電子顯微鏡（SEM）是一種介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質間的相互作用，來激發(fā)各種物理信息，對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質微觀形貌表征的目的。新式的掃描電子顯微鏡的分辨率可以達到1nm；放大倍數可以達到30萬倍及以上連續(xù)可調；并且景深大，視野大，成像立體效果好。掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結合，可以做到觀察微觀形貌的同時進行物質微區(qū)成分分析。掃描電子顯微鏡在巖土、石墨、陶瓷及納米材料等的研究上有廣泛應用。因此掃描電子顯微鏡在科學研究領域具有重大作用。掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）是一種用于高分辨率微區(qū)形貌分析的大型精密儀器。具有景深大、分辨率高，成像直觀、立體感強、放大倍數范圍寬以及待測樣品可在三維空間內進行旋轉和傾斜等特點。另外具有可測樣品種類豐富，幾乎不損傷和污染原始樣品以及可同時獲得形貌、結構、成分和結晶學信息等優(yōu)點。目前，掃描電子顯微鏡已被廣泛應用于生命科學、物理學、化學、司法、地球科學、材料學以及工業(yè)生產等領域的微觀研究，僅在地球科學方面就包括了結晶學、礦物學、礦床學、沉積學、地球化學、寶石學、微體古生物、天文地質、油氣地質、工程地質和構造地質等。1932年，Knoll提出了SEM可成像放大的概念，并在1935年制成了極其原始的模型。1938年，德國的阿登納制成了第一臺采用縮小透鏡用于透射樣品的SEM。由于不能獲得高分辨率的樣品表面電子像，SEM一直得不到發(fā)展，只能在電子探針射線微分析儀中作為一種輔助的成像裝置。此后，在許多科學家的努力下，解決了SEM從理論到儀器結構等方面的一系列問題。最早期作為商品出現(xiàn)的是1965年英國劍橋儀器公司生產的第一臺SEM，它用二次電子成像，分辨率達25nm，使SEM進入了實用階段。1968年在美國芝加哥大學，Knoll成功研制了場發(fā)射電子槍，并將它應用于SEM，可獲得較高分辨率的透射電子像。1970年他發(fā)表了用掃描透射電鏡拍攝的鈾和釷中的鈾原子和釷原子像，這使SEM又進展到一個新的領域。掃描電子顯微鏡類型多樣，不同類型的掃描電子顯微鏡存在性能上的差異。根據電子槍種類可分為三種：場發(fā)射電子槍、鎢絲槍和六硼化鑭。其中，場發(fā)射掃描電子顯微鏡根據光源性能可分為冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡和熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡。冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對真空條件要求高，束流不穩(wěn)定，發(fā)射體使用壽命短，需要定時對針尖進行清洗，僅局限于單一的圖像觀察，應用范圍有限；而熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡不僅連續(xù)工作時間長，還能與多種附件搭配實現(xiàn)綜合分析。在地質領域中，我們不僅需要對樣品進行初步形貌觀察，還需要結合分析儀對樣品的其它性質進行分析，所以熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡的應用更為廣泛。1-鏡筒；2-樣品室；3-EDS探測器；4-監(jiān)控器；5-EBSD探測器；6-計算機主機；7-開機/待機/關機按鈕；8-底座；9-WDS探測器。掃描電子顯微鏡電子槍發(fā)射出的電子束經過聚焦后匯聚成點光源；點光源在加速電壓下形成高能電子束；高能電子束經由兩個電磁透鏡被聚焦成直徑微小的光點，在透過最后一級帶有掃描線圈的電磁透鏡后，電子束以光柵狀掃描的方式逐點轟擊到樣品表面，同時激發(fā)出不同深度的電子信號。此時，電子信號會被樣品上方不同信號接收器的探頭接收，通過放大器同步傳送到電腦顯示屏，形成實時成像記錄（圖a）。由入射電子轟擊樣品表面激發(fā)出來的電子信號有：俄歇電子（AuE）、二次電子（SE）、背散射電子（BSE）、射線（特征射線、連續(xù)射線）、陰極熒光（CL）、吸收電子（AE）和透射電子（圖b）。每種電子信號的用途因作用深度而異。圖a.掃描電子顯微鏡原理圖；b.掃描電子顯微鏡電子信號示意圖。掃描電鏡雖然是顯微鏡家族中的后起之秀，但由于其本身具有許多獨特的優(yōu)點，發(fā)展速度是很快的。1儀器分辨率較高，通過二次電子像能夠觀察試樣表面6nm左右的細節(jié)，采用LaB6電子槍，可以進一步提高到3nm。2儀器放大倍數變化范圍大，且能連續(xù)可調。因此可以根據需要選擇大小不同的視場進行觀察，同時在高放大倍數下也可獲得一般透射電鏡較難達到的高亮度的清晰圖像。3觀察樣品的景深大，視場大，圖像富有立體感，可直接觀察起伏較大的粗糙表面和試樣凹凸不平的金屬斷口象等，使人具有親臨微觀世界現(xiàn)場之感。4樣品制備簡單，只要將塊狀或粉末狀的樣品稍加處理或不處理，就可直接放到掃描電鏡中進行觀察，因而更接近于物質的自然狀態(tài)。5可以通過電子學方法有效地控制和改善圖像質量，如亮度及反差自動保持，試樣傾斜角度校正，圖象旋轉，或通過Y調制改善圖象反差的寬容度，以及圖象各部分亮暗適中。采用雙放大倍數裝置或圖象選擇器，可在熒光屏上同時觀察放大倍數不同的圖象。6可進行綜合分析。裝上波長色散射線譜儀（WD）或能量色散射線譜儀（ED），使具有電子探針的功能，也能檢測樣品發(fā)出的反射電子、射線、陰極熒光、透射電子、俄歇電子等。把掃描電鏡擴大應用到各種顯微的和微區(qū)的分析方式，顯示出了掃描電鏡的多功能。另外，還可以在觀察形貌圖象的同時，對樣品任選微區(qū)進行分析；裝上半導體試樣座附件，通過電動勢象放大器可以直接觀察晶體管或集成電路中的PN結和微觀缺陷。由于不少掃描電鏡電子探針實現(xiàn)了電子計算機自動和半自動控制，因而大大提高了定量分析的速度。掃描電子顯微鏡是一種多功能的儀器，具有很多優(yōu)越的性能，是用途最為廣泛的一種儀器，它可以進行如下基本分析：①觀察納米材料。所謂納米材料就是指組成材料的顆?；蛭⒕С叽缭?～100nm范圍內，在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。納米材料具有許多與晶態(tài)、非晶態(tài)不同的、獨特的物理化學性質。納米材料有著廣闊的發(fā)展前景，將成為未來材料研究的重點方向。掃描電子顯微鏡的一個重要特點就是具有很高的分辨率，現(xiàn)已廣泛用于觀察納米材料。②進行材料斷口的分析。掃描電子顯微鏡的另一個重要特點是景深大，圖象富有立體感。掃描電子顯微鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大，故所得掃描電子象富有立體感，具有三維形態(tài)，能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息，這個特點對使用者很有價值。掃描電子顯微鏡所顯示的斷口形貌從深層次、高景深的角度呈現(xiàn)材料斷裂的本質，在教學、科研和生產中，有不可替代的作用，在材料斷裂原因的分析、事故原因的分析以及工藝合理性的判定等方面是一個強有力的手段。③直接觀察大試樣的原始表面。它能夠直接觀察直徑100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對試樣的形狀沒有任何限制，粗糙的表面也能觀察，這便免除了制備樣品的麻煩，而且能真實觀察試樣本身物質成分不同的襯度（背反射電子象）。④觀察厚試樣。其在觀察厚試樣時，能得到高的分辨率和最真實的形貌。掃描電子顯微的分辨率介于光學顯微鏡和透射電子顯微鏡之間。但在對厚塊試樣的觀察進行比較時，因為在透射電子顯微鏡中還要采用復膜方法，而復膜的分辨率通常只能達到10nm，且觀察的不是試樣本身，因此，用掃描電子顯微鏡觀察厚塊試樣更有利，更能得到真實的試樣表面資料。⑤觀察試樣的各個區(qū)域的細節(jié)。試樣在樣品室中可動的范圍非常大。其他方式顯微鏡的工作距離通常只有2～3cm，故實際上只許可試樣在兩度空間內運動。但在掃描電子顯微鏡中則不同，由于工作距離大（可大于20mm），焦深大（比透射電子顯微鏡大10倍），樣品室的空間也大，因此，可以讓試樣在三度空間內有6個自由度運動（即三度空間平移，三度空間旋轉），且可動范圍大，這對觀察不規(guī)則形狀試樣的各個區(qū)域細節(jié)帶來極大的方便。⑥在大視場、低放大倍數下觀察樣品。用掃描電子顯微鏡觀察試樣的視場大。在掃描電子顯微鏡中，能同時觀察試樣的視場范圍F由下式來確定：F=L/M若掃描電鏡采用30cm（12英寸）的顯象管，放大倍數15倍時，其視場范圍可達20mm。大視場、低倍數觀察樣品的形貌對有些領域是很必要的，如刑事偵察和考古。⑦進行從高倍到低倍的連續(xù)觀察。放大倍數的可變范圍很寬，且不用經常對焦。掃描電子顯微鏡的放大倍數范圍很寬（從5到20萬倍連續(xù)可調），且一次聚焦好后即可從高倍到低倍，從低倍到高倍連續(xù)觀察，不用重新聚焦，這對進行事故分析特別方便。⑧觀察生物試樣。因電子照射而發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小。同其他方式的電子顯微鏡比較，因為觀察時所用的電子探針電流小（一般約為10-10～10-12A）電子探針的束斑尺寸?。ㄍǔＪ?nm到幾十納米），電子探針的能量也比較小（加速電壓可以小到2kV），而且不是固定一點照射試樣，而是以光柵狀掃描方式照射試樣，因此，由于電子照射而發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小，這一點對觀察一些生物試樣特別重要。⑨進行動態(tài)觀察。在掃描電子顯微鏡中，成象的信息主要是電子信息。根據近代的電子工業(yè)技術水平，即使高速變化的電子信息，也能毫不困難的及時接收、處理和儲存，故可進行一些動態(tài)過程的觀察。如果在樣品室內裝有加熱、冷卻、彎曲、拉伸和離子刻蝕等附件，則可以通過電視裝置，觀察相變、斷裂等動態(tài)的變化過程。從試樣表面形貌獲得多方面資料。在掃描電子顯微鏡中，不僅可以利用入射電子和試樣相互作用產生各種信息來成象，而且可以通過信號處理方法，獲得多種圖象的特殊顯示方法，還可以從試樣的表面形貌獲得多方面資料。因為掃描電子象不是同時記錄的，它是分解為近百萬個逐次依此記錄構成的，因而使得掃描電子顯微鏡除了觀察表面形貌外，還能進行成分和元素的分析，以及通過電子通道花樣進行結晶學分析，選區(qū)尺寸可以從10μm到2μm。由于掃描電子顯微鏡具有上述特點和功能，所以越來越受到科研人員的重視，用途日益廣泛。掃描電子顯微鏡已廣泛用于材料科學（金屬材料、非金屬材料、納米材料）、冶金、生物學、醫(yī)學、半導體材料與器件、地質勘探、病蟲害的防治、災害（火災、失效分析）鑒定、刑事偵察、寶石鑒定、工業(yè)生產中的產品質量鑒定及生產工藝控制等。電子顯微鏡，簡稱電鏡，英文名ElectronMicroscope（簡稱EM），經過五十多年的發(fā)展已成為現(xiàn)代科學技術中不可缺少的重要工具。電子顯微鏡由鏡筒、真空裝置和電源柜三部分組成。電子顯微鏡技術的應用是建立在光學顯微鏡的基礎之上的，光學顯微鏡的分辨率為2μm，透射電子顯微鏡的分辨率為2nm，也就是說透射電子顯微鏡在光學顯微鏡的基礎上放大了1000倍。鏡筒主要有電子源、電子透鏡、樣品架、熒光屏和探測器等部件，自上而下地裝配成一個柱體。電子透鏡用來聚焦電子，是電子顯微鏡鏡筒中最重要的部件。一般使用的是磁透鏡，有時也有使用靜電透鏡的。它用一個對稱于鏡筒軸線的空間電場或磁場使電子軌跡向軸線彎曲形成聚焦，其作用與光學顯微鏡中的光學透鏡（凸透鏡）使光束聚焦的作用是一樣的，所以稱為電子透鏡。光學透鏡的焦點是固定的，而電子透鏡的焦點可以被調節(jié)，因此電子顯微鏡不像光學顯微鏡那樣有可以移動的透鏡系統(tǒng)?，F(xiàn)代電子顯微鏡大多采用電磁透鏡，由很穩(wěn)定的直流勵磁電流通過帶極靴的線圈產生的強磁場使電子聚焦。電子源是一個釋放自由電子的陰極、柵極、一個環(huán)狀加速電子的陽極構成的。陰極和陽極之間的電壓差必須非常高，一般在數千伏到3百萬伏特之間。它能發(fā)射并形成速度均勻的電子束，所以加速電壓的穩(wěn)定度要求不低于萬分之一。樣品可以穩(wěn)定地放在樣品架上，此外往往還有可以用來改變樣品（如移動、轉動、加熱、降溫、拉長等）的裝置。真空裝置用以保障顯微鏡內的真空狀態(tài)，這樣電子在其路徑上不會被吸收或偏向，由機械真空泵、擴散泵和真空閥門等構成，并通過抽氣管道與鏡筒相聯(lián)接。電子顯微鏡按結構和用途可分為透射式電子顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、反射式電子顯微鏡和發(fā)射式電子顯微鏡等。透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細微物質結構；掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌，也能與射線衍射儀或電子能譜儀相結合，構成電子微探針，用于物質成分分析；發(fā)射式電子顯微鏡用于自發(fā)射電子表面的研究。因電子束穿透樣品后，再用電子透鏡成像放大而得名。它的光路與光學顯微鏡相仿，可以直接獲得一個樣本的投影。通過改變物鏡的透鏡系統(tǒng)人們可以直接放大物鏡的焦點的像。由此人們可以獲得電子衍射像。使用這個像可以分析樣本的晶體結構。在這種電子顯微鏡中，圖像細節(jié)的對比度是由樣品的原子對電子束的散射形成的。由于電子需要穿過樣本，因此樣本必須非常薄。組成樣本的原子的原子量、加速電子的電壓和所希望獲得的分辨率決定樣本的厚度。樣本的厚度可以從數納米到數微米不等。原子量越高、電壓越低，樣本就必須越薄。樣品較薄或密度較低的部分，電子束散射較少，這樣就有較多的電子通過物鏡光欄，參與成像，在圖像中顯得較亮。反之，樣品中較厚或較密的部分，在圖像中則顯得較暗。如果樣品太厚或過密，則像的對比度就會惡化，甚至會因吸收電子束的能量而被損傷或破壞。透射電鏡的分辨率為1～2nm，放大倍數為幾萬～幾十萬倍。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，必須制備更薄的超薄切片（通常為50～100nm）。透射式電子顯微鏡鏡筒頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像于熒光屏或照相干版上。中間鏡主要通過對勵磁電流的調節(jié)，放大倍數可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍；改變中間鏡的焦距，即可在同一樣品的微小部位上得到電子顯微像和電子衍射圖像。掃描電子顯微鏡的電子束不穿過樣品，僅以電子束盡量聚焦在樣本的一小塊地方，然后一行一行地掃描樣本。入射的電子導致樣本表面被激發(fā)出次級電子。顯微鏡觀察的是這些每個點散射出來的電子，放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子，通過放大后調制顯像管的電子束強度，從而改變顯像管熒光屏上的亮度。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描，這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像，這與工業(yè)電視機的工作原理相類似。由于這樣的顯微鏡中電子不必透射樣本，因此其電子加速的電壓不必非常高。掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比，可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品；圖像有很強的立體感；能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和射線等信息分析物質成分。掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子–空穴對、晶格振動（聲子）、電子振蕩（等離子體）。1931年厄恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾研制了第一臺透視電子顯微鏡。展示這臺顯微鏡時使用的還不是透視的樣本，而是一個金屬格。1986年盧斯卡為此獲得諾貝爾物理獎。1937年，第一臺掃描透射電子顯微鏡推出。一開始研制電子顯微鏡最主要的目的是顯示在光學顯微鏡中無法分辨的病原體如病毒等。1960年代透射電子顯微鏡的加速電壓越來越高來透視越來越厚的物質。這個時期電子顯微鏡達到了可以分辨原子的能力。1990年代中，電腦越來越多地用來分析電子顯微鏡的圖像，同時也可以控制越來越復雜的透鏡系統(tǒng)，電子顯微鏡的操作越來越簡單。分辨能力是電子顯微鏡的重要指標，電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點的最小間距來表示，即稱為該儀器的最高點分辨率：d=δ。顯然，分辨率越高，即d的數值（為長度單位）愈小，則儀器所能分清被觀察物體的細節(jié)也就愈多愈豐富，也就是說這臺儀器的分辨能力或分辨本領越強。分辨率與透過樣品的電子束入射錐角和波長有關?？梢姽獾牟ㄩL約為300～700納米，而電子束的波長與加速電壓有關。依據波粒二象性原理，高速的電子的波長比可見光的波長短，而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此電子顯微鏡的分辨率（2納米）遠高于光學顯微鏡的分辨率（200納米）。當加速電壓為50～100千伏時，電子束波長約為0053～0037納米。由于電子束的波長遠遠小于可見光的波長，所以即使電子束的錐角僅為光學顯微鏡的1%，電子顯微鏡的分辨本領仍遠遠優(yōu)于光學顯微鏡。光學顯微鏡的最大放大倍率約為2000倍，而現(xiàn)代電子顯微鏡最大放大倍率超過300萬倍，所以通過電子顯微鏡就能直接觀察到某些重金屬的原子和晶體中排列整齊的原子點陣。單就放大率（magnification）而言，是指被觀察物體經電子顯微鏡放大后，在同一方向上像的長度與物體實際長度的比值。這是兩條直線的比值，有人將放大率理解為像與物的面積比，這是一種誤解，勢必引起概念上的混淆和計算方法與結果上的混亂。在使用透視電子顯微鏡觀察生物樣品前樣品必須被預先處理。隨不同研究要求的需要科學家使用不同的處理方法。固定：為了盡量保存樣本的原樣使用戊二醛來硬化樣本和使用鋨酸來染色脂肪。冷固定：將樣本放在液態(tài)的乙烷中速凍，這樣水不會結晶，而形成非晶體的冰。這樣保存的樣品損壞比較小，但圖像的對比度非常低。染色：重的原子如鉛或鈾比輕的原子散射電子的能力高，因此可被用來提高對比度。使用透視電子顯微鏡觀察金屬前樣本要被切成非常薄的薄片（約1毫米），然后使用電解擦亮繼續(xù)使得金屬變薄，最后在樣本中心往往形成一個洞，電子可以在這個洞附近穿過那里非常薄的金屬。無法使用電解擦亮的金屬或不導電或導電性能不好的物質如硅等一般首先被用機械方式磨薄后使用離子打擊的方法繼續(xù)加工。為防止不導電的樣品在掃描電子顯微鏡中積累靜電它們的表面必須覆蓋一層導電層。在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無法觀察活樣本。隨著技術的進步，環(huán)境掃描電鏡將逐漸實現(xiàn)直接對活樣本的觀察；在處理樣本時可能會產生樣本本來沒有的結構，這加劇了此后分析圖像的難度；由于透射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，而有可能物質表面的結構與物質內部的結構不同；以下列舉電鏡常見的應用（截至1984年），其在對外貿易和軍事等其他領域也有其用武之地。分子和原子形態(tài)的研究；晶體薄膜位錯和層錯的研究；表面物理現(xiàn)象的研究等。高分子結構和性能方面的研究；一些有機復合材料的結構形態(tài)和添加劑的研究；催化劑的研究：各種無機物質性能、結構、雜質含盤的研究；甚至對一些化學反應過程的研究等。在分子生物學、分子遺傳學及遺傳工程方面的研究；昆蟲分類的研究：人工合成蛋白質方面的研究以及對各種細菌；病毒、噬菌體等微生物的研究。癌癥發(fā)病機理的研究及早期診斷；藥理及病理學方面的研究；計劃生育和節(jié)育藥物的研究；對病毒及干擾素方面的研究以及臨床診斷等。因此，透射電子顯微鏡突破了光學顯微鏡分辨率低的限制，成為了診斷疑難腫瘤的一種新的工具。有研究報道，無色素性腫瘤、嗜酸細胞瘤、肌原性腫瘤、軟組織腺泡狀肉瘤及神經內分泌腫瘤這些在光鏡很難明確診斷的腫瘤，利用電鏡可以明確診斷電鏡主要是通過對超微結構的精細觀察，尋找組織細胞的分化標記，確診和鑒別相應的腫瘤類型。細胞凋亡與腫瘤有