1.电子显微技术.ppt

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1、生物电子显微技术生物电子显微技术电子显微镜的基本知识电子显微镜的类型及技术特征透射电子显微镜扫描电子显微镜分析电子显微镜双束电子显微镜扫描探针显微镜电镜生物样品制作技术超薄切片制作技术负染色技术扫描电子显微镜样品制备技术冷冻制样技术第一章第一章 电子显微镜的基本知识电子显微镜的基本知识1 11.1.电子显微镜的发展概况电子显微镜的发展概况1 12.2.电子显微镜的基本知识电子显微镜的基本知识11.电子显微镜的发展概况电子显微镜的发展概况一、电子显微镜的发明与发展：一、电子显微镜的发明与发展：科学理论的发展：科学理论的发展：1924年物理学家（德布罗伊）证实了：年物理学家（德布罗伊）证实了：电子

2、与光子一样，具有波动性；电子与光子一样，具有波动性；1926年物理学家布施发表了研究成果：年物理学家布施发表了研究成果：“关于带电粒子在轴对称电场、磁场中具有聚焦作用关于带电粒子在轴对称电场、磁场中具有聚焦作用”1.电子显微镜发明的必然性与可能性电子显微镜发明的必然性与可能性裸眼观察物体：裸眼观察物体：生物体的机体、器官、组织生物体的机体、器官、组织光学显微镜观察：光学显微镜观察：器官、组织、细胞器官、组织、细胞探索更微小的生命形式：病毒探索更微小的生命形式：病毒超显微术超显微术人类的梦想与科学理论的支撑人类的梦想与科学理论的支撑 促成了电子显微镜设计思想的产生！促成了电子显微镜设计思想的产生

3、！2.电子显微镜的诞生电子显微镜的诞生：电子显微镜于电子显微镜于1931年，在年，在德国柏林大学德国柏林大学高压实验室由高压实验室由 Knoll 和和RUska研制成功，证实了由电子束为光源、电研制成功，证实了由电子束为光源、电 子透镜组成的电子光学系统，可以对物体放大成像。子透镜组成的电子光学系统，可以对物体放大成像。1932年宣告电子显微镜诞生。分辨率年宣告电子显微镜诞生。分辨率50纳米纳米。1939年年,Ruska在西门子公司研制生产了世界上第一系列在西门子公司研制生产了世界上第一系列 商品透射电镜，分辨率仅商品透射电镜，分辨率仅10nm，40台；台；20世纪世纪40年代，美国的希尔用消

4、像散器补偿电子透镜的旋转年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转 不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达不对称性，使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达 到了现代水平。到了现代水平。1935年年，Knoll首先提出了扫描电镜的设计思想和工作原理；首先提出了扫描电镜的设计思想和工作原理；1942年年，M.Mullan在剑桥大学研制成功世界上第一台在剑桥大学研制成功世界上第一台 扫描电镜实验室装置；扫描电镜实验室装置；1965年年由剑桥大学仪器公司生产出世界上第一批由剑桥大学仪器公司生产出世界上第一批 商品扫描电镜，分辨率商品扫描电镜，分辨率50100nm，放大倍数仅，放大倍

5、数仅1万倍万倍。初级阶段的电镜：功能单一，电子管元件，体积庞大，操作复杂。初级阶段的电镜：功能单一，电子管元件，体积庞大，操作复杂。3.电子显微镜发展的成熟阶段电子显微镜发展的成熟阶段20世纪世纪6080年代，年代，电子显微镜的理论研究电子显微镜的理论研究及生产技术达到成熟的时期及生产技术达到成熟的时期。分辨率达到分辨率达到6.0nm;放大率达到放大率达到30万倍。万倍。分辨率达到分辨率达到0.2nm;放大率达到放大率达到80万倍。万倍。特点：晶体管时代，功能多样化，操作较复杂！特点：晶体管时代，功能多样化，操作较复杂！4.现代电子显微镜现代电子显微镜高性能、多功能、结构紧凑、微机化控制高性能

6、、多功能、结构紧凑、微机化控制/操作操作操作系统微机化二、我国电镜事业的发展概况二、我国电镜事业的发展概况1.我国电镜的研制概况我国电镜的研制概况：2.我省电镜应用概况：太原理工大学，山西医科大学我省电镜应用概况：太原理工大学，山西医科大学三、电子显微应用技术的概况：三、电子显微应用技术的概况：始于始于20世纪世纪50年代；年代；1959年中科院精密仪器研究所研制成功第一台透射电镜年中科院精密仪器研究所研制成功第一台透射电镜XD-100型；型；1965年中科院科仪厂研制成功年中科院科仪厂研制成功DX-3型透射电镜，分辨率达到型透射电镜，分辨率达到0.3nm；1977年上海新跃仪表厂研制出年上海

7、新跃仪表厂研制出DXB-12型透射电镜，分辨率达到型透射电镜，分辨率达到0.2nm;中科院科仪厂自中科院科仪厂自KYKY-1000B以后，以后，KYKY-2800型，型，KYKY-3800型扫描电镜。型扫描电镜。常规超薄切片技术常规超薄切片技术常规扫描制样技术常规扫描制样技术冷冻复型技术冷冻复型技术细胞化学技术：酶的细胞化学细胞化学技术：酶的细胞化学免疫电镜技术免疫电镜技术负染色技术：快速诊断负染色技术：快速诊断现代电镜将现代电镜将超微结构观察与加工一体化超微结构观察与加工一体化一、电子显微镜的计量单位一、电子显微镜的计量单位：1cm 1mm 100m 10m 1m 100nm 10nm 1n

8、m 0.1nm电镜观察（电镜观察（nm)光镜观察光镜观察(m)肉眼观察肉眼观察(mm)分子和原子分子和原子核酸和核酸和蛋白分子蛋白分子病毒病毒细胞器细胞器细菌细菌细胞细胞动、植物器官动、植物器官1m=10-6m1nm=10=10-9m1mm=10-3m1mm=10-3m1m=10-6m12.电子显微镜的基本知识显微结构显微结构超微结构超微结构二、电子显微镜的照明源二、电子显微镜的照明源电子束电子束1.电子枪的结构：电子枪的结构：阳极阳极栅极栅极阴极阴极高压高压偏偏压压0V3V3A阴极：钨灯丝，产生电子阴极：钨灯丝，产生电子栅极：控制电子束栅极：控制电子束阳极：加速电子运动阳极：加速电子运动2.

9、电子束的产生电子束的产生加灯丝电压使灯丝加热，加灯丝电压使灯丝加热，尖端温度升高尖端温度升高 到到2227时逸出电子，时逸出电子，当温度升高到当温度升高到2480时逸出大量电子，时逸出大量电子，这些自由电子在高压作用下，这些自由电子在高压作用下，形成高能电子束。形成高能电子束。三、电子透镜系统三、电子透镜系统1.理论依据：理论依据：1926年，德国物理学家布施发现：年，德国物理学家布施发现：一切带一切带 电粒子在旋转轴对称磁场或电场中，运动轨迹可以被电粒子在旋转轴对称磁场或电场中，运动轨迹可以被 折射而会聚折射而会聚。电子束聚焦的关键理论。电子束聚焦的关键理论。2.电子透镜的类型电子透镜的类型

10、电子透镜电子透镜静电电子透镜：由静电场组成的三级静电电子透镜：由静电场组成的三级电子枪电子枪磁电子磁电子透镜透镜恒磁透镜：用恒磁体激磁的透镜恒磁透镜：用恒磁体激磁的透镜电磁电磁透镜透镜螺线管线圈：磁场非常弱螺线管线圈：磁场非常弱包壳透镜包壳透镜：磁性材料封闭线圈，：磁性材料封闭线圈，聚光镜聚光镜极靴透镜极靴透镜：高导磁性材料极靴，使磁场高导磁性材料极靴，使磁场 高度集中。高度集中。物镜、投影镜物镜、投影镜等强透镜等强透镜。四、电子透镜的像差：四、电子透镜的像差：像差的主要类型像差的主要类型电子光学系统与理想光学系统成像的差别，称为电子光学系统与理想光学系统成像的差别，称为像差像差。1.球差球差

11、：透镜缺陷使近轴磁场与边缘磁场对电子束偏：透镜缺陷使近轴磁场与边缘磁场对电子束偏转能力不同，使一质点成像为一个弥散球。转能力不同，使一质点成像为一个弥散球。2.像散像散：由材料性质和加工精度不良引起的磁场分布呈：由材料性质和加工精度不良引起的磁场分布呈 非对称性，造成在非对称性，造成在X,Y方向的放大率不同使图像变形。方向的放大率不同使图像变形。3.色差色差：电源波动引起加速电压波动，造成电子束波长：电源波动引起加速电压波动，造成电子束波长 的变化，使图象分辨率下降的变化，使图象分辨率下降。4.畸变畸变：磁场轴上聚焦能力：磁场轴上聚焦能力 弱于轴外聚集能力而使图弱于轴外聚集能力而使图 象变形。

12、象变形。五、分辨率五、分辨率2.影响分辨率的因素影响分辨率的因素：镜筒组件加工精度、组装调试水平、材料性质镜筒组件加工精度、组装调试水平、材料性质电镜工作状态：加速电压、合轴状态、真空及电源稳定性电镜工作状态：加速电压、合轴状态、真空及电源稳定性样品因素：样品性质、厚度、本身细节、导电性等。样品因素：样品性质、厚度、本身细节、导电性等。3.实际分辨率实际分辨率=0.61/0（0为最佳孔径角，为最佳孔径角，为电子束波长）为电子束波长）当加速电压为当加速电压为100时，时，=0.37nm，要求要求0=1.1x10-2rad则：则：=2.05=0.2nm显微镜能够分辨出两质点之间最小距离的能力显微镜

13、能够分辨出两质点之间最小距离的能力。1.理想分辨率：理想分辨率：电子束波长约：电子束波长约：0.005nm那么：那么：理想理想=0.0025nm 前提条件：前提条件：仪器性能最佳仪器性能最佳样品最佳样品最佳操作最佳操作最佳六、放大率（放大倍数）六、放大率（放大倍数）1.放大倍数：指线性放大，即在显微镜下观察到的物体放大倍数：指线性放大，即在显微镜下观察到的物体 长度与其实际长度的比值。长度与其实际长度的比值。2.有效放大倍数有效放大倍数：指裸眼分辨率与显微镜分辨率的比值。：指裸眼分辨率与显微镜分辨率的比值。即：M有效有效=眼眼/仪仪已知：已知：人人=0.2mm 当当=0.2nm时，时，M有效有

14、效=0.2mm/0.2nm=100万倍万倍 当当=0.5nm时时 M有效有效=0.2mm/0.5nm=40万倍万倍 当当=1.0nm时时 M有效有效=0.2mm/1.0nm=20万倍万倍 当当=5nm时，时，M有效有效=0.2mm/5nm=4万倍万倍 !超出此范围的放大称为超出此范围的放大称为空放大空放大。是毫无价值的放大。是毫无价值的放大。裸眼分辨率：裸眼分辨率：0.2mm光镜分辨率：光镜分辨率：=0.62/n*sin/n*sin=200nm=0.2=200nm=0.2m m电镜分辨率：电镜分辨率：0.20.2nm七、电子束与样品的相互作用关系七、电子束与样品的相互作用关系二次电子二次电子背

15、散射电子背散射电子弹散弹散X射线射线扫描电镜扫描电镜扫描透射扫描透射透射电镜透射电镜吸收弹性散射电子非弹性散射电子透射电镜信号主要由透射电子、部分散射电子形成。透射电镜信号主要由透射电子、部分散射电子形成。扫描电镜信号主要由二次电子形成。扫描电镜信号主要由二次电子形成。入射入射电子电子能量分析能量分析10nm0.55m电子显微镜中的电子信号电子显微镜中的电子信号2.透射电子透射电子:当样品足够薄当样品足够薄(小于小于50纳米纳米)时时,部分入射电子可以部分入射电子可以 穿透样品而到达荧光屏成像穿透样品而到达荧光屏成像,这些电子叫做这些电子叫做透射电子透射电子.3.弹性散射电子弹性散射电子:入射

16、电子与样品物质原子或核外电子碰撞后，入射电子与样品物质原子或核外电子碰撞后，使运动轨迹发生改变使运动轨迹发生改变.这些电子叫做弹性散射电子这些电子叫做弹性散射电子.4.非弹性散射电子非弹性散射电子:入射电子通过样品时入射电子通过样品时,虽未发生碰撞虽未发生碰撞,但受到但受到 样品物质库仑场的作用样品物质库仑场的作用,有部分能量损失而使运动速度有部分能量损失而使运动速度 变慢变慢,运动方向不变运动方向不变.这部分电子叫做非弹性散射电子这部分电子叫做非弹性散射电子.1.入射电子入射电子:由电子枪产生的高能电子由电子枪产生的高能电子,又叫又叫一次电子一次电子.透射电子与弹性散射电子和非弹性散射电子比

17、例透射电子与弹性散射电子和非弹性散射电子比例是形成电子图象反差的主要因素是形成电子图象反差的主要因素.5.二次电子二次电子:入射电子进入样品入射电子进入样品,使得样品物质原子的核外电子使得样品物质原子的核外电子 受入射电子激发受入射电子激发,获得一定能量而逸出样品表面获得一定能量而逸出样品表面,这些电子被这些电子被 称为称为 二次电子二次电子.只有在样品只有在样品10nm表层表层产生的二次电子可以逸出样品表面产生的二次电子可以逸出样品表面.所以所以,二次电子能够反映样品表面的形态结构二次电子能够反映样品表面的形态结构.6.背散射电子背散射电子:在样品表层在样品表层501000nm深度深度,入射

18、电子与样品入射电子与样品 物质发生弹性碰撞后物质发生弹性碰撞后,被反射出来的电子被反射出来的电子,叫做背散射电子叫做背散射电子.背散射电子产生的数量与入射电子的能量背散射电子产生的数量与入射电子的能量,样品成分等有关样品成分等有关,这一信号可以反映出这一信号可以反映出样品表面形态样品表面形态和和成分的差异成分的差异的图像的图像.7.阴极阴极X射线射线:样品原子被入射电子样品原子被入射电子电离电离后后,可以发出特征可以发出特征X射线射线.X射线的强度与激发区域内对应的元素含量有关射线的强度与激发区域内对应的元素含量有关.所以所以,通过检测特征通过检测特征X射线的强度射线的强度,可以得出该区域内的

19、元素分布可以得出该区域内的元素分布.八、场深、焦深：八、场深、焦深：D0Df场深与焦深场深与焦深1.场深场深：指轴上物方的一指轴上物方的一 段距离。在这一范围内段距离。在这一范围内 移动样品到任何位置，移动样品到任何位置，都能聚焦清晰。都能聚焦清晰。D0=/0当电压为100KV，0=5x10时，要求=1nm，D0=200nm;若 要求=0.2nm，则D0=40nm2.焦深焦深：指透镜像方与指透镜像方与场深等效场深等效的距离。在这一范围内的距离。在这一范围内 可任意移动像平面可任意移动像平面，而成像清晰而成像清晰。Df=M/设设 =5，=10-3rad:当M=100,Df=5mm当M=1000,Df=500mm当M=10,000,Df=50m显微镜显微镜 类型类型照明照明光源光源透镜透镜类型类型计量计量单位单位放大放大倍数倍数分辨率分辨率样品样品要求要求透射电子透射电子显微镜显微镜 扫描电扫描电子显微镜子显微镜光学光学显微镜显微镜 总结总结1、什么叫电子显微镜？、什么叫电子显微镜？2、电子显微镜光学显微镜的主要区别、电子显微镜光学显微镜的主要区别？