生物电镜技术

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1、生物电镜技术第一章透射电子显微镜的原理与操作主讲：吴金浪一、电子显微镜的发展简史Ø20世纪30年代，卢斯卡（E.ruska）发明了世界上第一台透射式电子显微镜(transmissionelectronmicroscope，TEM)，并且成功地得到了一张由电子束作为光源形成的铜网放大像。当时放大倍数仅有12倍。Ø到1934年——电子显微镜的分辨率提高到50nm，放大倍数达到1万倍。这就是电子显微镜的初型设计阶段。Ø1935年电子显微镜基本定型。Ø1939年德国西门子公司生产了世界上第一批作为商品的

2、透射式电子显微镜，分辨率优于10nm，放大倍数达到10万倍。Ø60年代——透射式电子显微镜的分辨率达到0.5nm。Ø70年代末——电子显微镜的点分辨率已优于0.3nm，晶格条纹分辨率达到0.14nm。实现了人们早就向往的对原子像和晶格像的观察。Ø80年代——电子显微镜已发展成为一种综合分析仪器。例如，安装配有计算机系统的能量分析谱仪，对样品进行元素的成分分析。样品室内亦可装配加热、冷却、大角度倾斜、拉伸样品台等附件，使透射式电子显微镜既能观察样品的形态又能分析样品的成分。扫描电子显微镜(scan

3、ningelectronmicroscope，SEM)是显微镜世家中的一位后起之秀。自第一台定型的透射式电子显微镜产生后，法国卡诺尔就提出了扫描电子显微镜的设计思想和工作原理。到1942年剑桥大学首次制成世界上第一台扫描电子显微镜。由于扫描电子显微镜使用范围广，并具备分辨率高、图像立体感强、放大倍率选择范围广、样品适应性大、制样方便等优点。所以后期发展速度比透射式电子显微镜快的多。70年代已发展成为性能完善，自动化程度高，功能齐全的一种电子光学仪器。电子显微镜种类：由于电子与物质相互作用会产生透

4、射电子、弹性散射电子、能量损失电子、二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和电动力等等。电镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。Ø主要分为透射式电子显微镜(简称透射电镜，transmissionelectronmicroscope，TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜，scanningelectronmicroscope,SEM)两大类。Ø扫描透射电子显微镜(简称扫描透射电镜，STEM)则兼有两者的性能。为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，

5、如：超高压(1MV)和中等电压(200~500kV)透射电镜、低电压(~1kV)扫描电镜；有以电子枪类型区分的，如钨灯丝电镜、场发射电镜；有以用途区分的，如高分辨电镜，分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、双束扫描电镜(FIB)等。有以激发的信息命名的，如电子探针X射线微区分析仪(简称电子探针，EPMA)等。二、透射电镜的基本原理41生物电镜技术就最基本的原理来说，透射电镜和光学显微镜是相同的，它们的显微放大过程基本相似，而且电镜的光路和部件术语也同光镜基本一样。不同的是，电镜的照明源不是

6、可见光而是电子束；透镜也不是玻璃而是轴对称的电场或磁场，并且电子显微镜的总体结构、成像原理、操作方式等与光学显微镜有着本质上的区别。透射电镜的基本原理如下：(一)分辨本领与放大倍数Ø分辨本领是指能够分辨物体上两点之间的最小距离。光学显微镜的分辨极限为O.2μm，而电镜的分辨本领可优于2Å，相差达l000倍，因为影响光镜提高分辨本领的主要因素是由于光线的衍射作用。光学显微镜的分辨本领由阿贝公式决定：d=0.612λnsinα式中d为分辨本领，λ为照明波波长，n为物体与物镜之间介质的折射率，α为物体

7、上的点与物镜所成夹角的一半。普通光学显微镜用油浸镜头时n≈1.5，α<90。即sinα<1，用可见光作照明源时，其平均波长约为5000Å，那么它的分辨本领约为2000Å。这说明光学显微镜只能分辨大于2000Å的结构。要提高分辨本领，必须采用波长短的照明源。电子显微镜的照明源波长约为0.05Å，目前最好的电镜分辨本领已达1.4Å，比光学显微镜提高了1000多倍。Ø放大倍数是指物体经过仪器放大后的像与物的大小之比。放大了的像还可多次放大，但到一定限度后继续放大时便不能增加细节，这是分辨本领的限制所致

8、。不能增加图像细节的放大倍数称为空放大，而与分辨本领相应的最高放大倍数称为有效放大倍数，为眼的分辨本领与仪器的分辨本领之比。41生物电镜技术目前商品电镜的分辨本领可达到2Å，其有效放大倍数为My=0.2mm2×10-7mm=106（倍）即100万倍。这个倍数可以从电镜上直接得到，也可在摄制20万倍的底片后再以光学放大5倍来获得。因此，标示电镜性能的主要指标是分辨本领而不是放大倍数。(二)电子束的产生电子束是电镜的照明介质。目前大多数电镜的电子束是由热阴极、控制极和阳极构成的三极式电子枪产生，其示