电子显微镜的基础知识

什么是电子显微镜？

电子显微镜是一种通过用电子束照射样品来观察样品的显微镜。 电子束波长极短，使得能够观察到光学显微镜无法观察到的超细结构。 主要有两种类型：一种是输出电子束透射率为图像，另一种是成像电子束与样品相互作用产生的信号。

许多电子显微镜作为产品产品都针对工业材料和生物样本的观测进行了优化。 此外，电子显微镜通常缩写为电子显微镜（Denken）或英文中的EM。

电子显微镜的应用

在工业领域，它用于通过分析断裂面来调查金属部件受损的原因，并通过观察加工表面来检查质量。 观察聚合物网络还包括仪器性质并评估杂质的存在。 在生命科学领域，我们通过可视化细胞器微观结构和观察错综复杂的神经元，来绘制神经元之间的联系图。 此外，该技术于2017年获得诺贝尔化学奖，因为发现其可通过对样品进行简单预处理应用于蛋白质结构分析。

电子显微镜原理

电子显微镜的组成部分包括射线源、透镜和探测器，其结构在文字上与光学显微镜非常相似。 然而，它们与光学显微镜的结构截然不同。

首先，电子束与空气中的分子碰撞后迅速衰减并消失。 因此，电子束的产生和照射必须在真空中进行。

接下来是玻璃透镜，如通用光学系统中使用的透镜，因此为了折射电子束，需要使用施加磁场并收敛的磁透镜。

此类透镜的特性是大光学像差，为改善这一点，它们设计时光圈数量较少。 这使得电子显微镜能够进行具有深焦深度和深度的三维观测。

标准电子显微镜分为两类：

1. 透射电子显微镜（TEM）

这是一种将电子束传输到样品中，并基于衰减获得对比度的方法。 样品厚度必须调节得非常薄，以便电子束穿透。 电子的强度称为加速电压，在300 kV加速电压下的波长极短，仅为0.00197纳米，分辨率为0.1纳米，表明其大小与源的大小相当。 换算到最高倍数（光学显微镜的800倍）后，分辨率达到80万倍，分辨率很高。 透射电子显微镜在观察穿透样品内的电子方面非常出色，比如晶体结构在极小区域内的观察。

2. 扫描电子显微镜（SEM）

当电子束在真空中照射到材料上时，会发射出次级电子、反射电子、特征X射线等。 扫描电子显微镜图像扫描空间上汇聚的电子束，并从次级电子和反射电子信号中形成图像。 由于次级电子是样品表面附近产生的电子，次级电子图像适合观察样品的细微不规则性。 反射电子是指与样品原子碰撞并反弹回来的电子，反射电子的数量取决于样品的组成（原子序数、晶体取向等）。 因此，反射电子成像适用于评估样品表面的组成分布。

当电子束撞击样品时，构成样品表面的原子被激发，释放电子。 其他反射电子和特征X射线被发射出来，称为次级电子，通过点扫描发射的次级电子强度获得。

只有用电子显微镜才能观察到的

电子显微镜的分辨率远高于普通光学显微镜，因此可以观察到原子级的微观组织结构，如细胞和金属晶体。

以细胞为例，光学显微镜无法近距离观察细胞核以外的微观结构，但电子显微镜可以。 这使得对多种功能的详细研究成为可能，例如细胞内酶的功能和细胞结构的反应。