生物電鏡技術(shù)

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1、生物電鏡技術(shù)第一章透射電子顯微鏡的原理與操作主講：吳金浪一、電子顯微鏡的發(fā)展簡史?20世紀(jì)30年代，盧斯卡（E.ruska）發(fā)明了世界上第一臺透射式電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope，TEM)，并且成功地得到了一張由電子束作為光源形成的銅網(wǎng)放大像。當(dāng)時(shí)放大倍數(shù)僅有12倍。?到1934年——電子顯微鏡的分辨率提高到50nm，放大倍數(shù)達(dá)到1萬倍。這就是電子顯微鏡的初型設(shè)計(jì)階段。?1935年電子顯微鏡基本定型。?1939年德國西門子公司生產(chǎn)了世界上第一批作為商品的

2、透射式電子顯微鏡，分辨率優(yōu)于10nm，放大倍數(shù)達(dá)到10萬倍。?60年代——透射式電子顯微鏡的分辨率達(dá)到0.5nm。?70年代末——電子顯微鏡的點(diǎn)分辨率已優(yōu)于0.3nm，晶格條紋分辨率達(dá)到0.14nm。實(shí)現(xiàn)了人們早就向往的對原子像和晶格像的觀察。?80年代——電子顯微鏡已發(fā)展成為一種綜合分析儀器。例如，安裝配有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能量分析譜儀，對樣品進(jìn)行元素的成分分析。樣品室內(nèi)亦可裝配加熱、冷卻、大角度傾斜、拉伸樣品臺等附件，使透射式電子顯微鏡既能觀察樣品的形態(tài)又能分析樣品的成分。掃描電子顯微鏡(scan

3、ningelectronmicroscope，SEM)是顯微鏡世家中的一位后起之秀。自第一臺定型的透射式電子顯微鏡產(chǎn)生后，法國卡諾爾就提出了掃描電子顯微鏡的設(shè)計(jì)思想和工作原理。到1942年劍橋大學(xué)首次制成世界上第一臺掃描電子顯微鏡。由于掃描電子顯微鏡使用范圍廣，并具備分辨率高、圖像立體感強(qiáng)、放大倍率選擇范圍廣、樣品適應(yīng)性大、制樣方便等優(yōu)點(diǎn)。所以后期發(fā)展速度比透射式電子顯微鏡快的多。70年代已發(fā)展成為性能完善，自動化程度高，功能齊全的一種電子光學(xué)儀器。電子顯微鏡種類：由于電子與物質(zhì)相互作用會產(chǎn)生透

4、射電子、彈性散射電子、能量損失電子、二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和電動力等等。電鏡就是利用這些信息來對試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測定的。?主要分為透射式電子顯微鏡(簡稱透射電鏡，transmissionelectronmicroscope，TEM)和掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡，scanningelectronmicroscope,SEM)兩大類。?掃描透射電子顯微鏡(簡稱掃描透射電鏡，STEM)則兼有兩者的性能。為了進(jìn)一步表征儀器的特點(diǎn)，有以加速電壓區(qū)分的，

5、如：超高壓(1MV)和中等電壓(200~500kV)透射電鏡、低電壓(~1kV)掃描電鏡；有以電子槍類型區(qū)分的，如鎢燈絲電鏡、場發(fā)射電鏡；有以用途區(qū)分的，如高分辨電鏡，分析電鏡、能量選擇電鏡、生物電鏡、環(huán)境電鏡、雙束掃描電鏡(FIB)等。有以激發(fā)的信息命名的，如電子探針X射線微區(qū)分析儀(簡稱電子探針，EPMA)等。二、透射電鏡的基本原理41生物電鏡技術(shù)就最基本的原理來說，透射電鏡和光學(xué)顯微鏡是相同的，它們的顯微放大過程基本相似，而且電鏡的光路和部件術(shù)語也同光鏡基本一樣。不同的是，電鏡的照明源不是

6、可見光而是電子束；透鏡也不是玻璃而是軸對稱的電場或磁場，并且電子顯微鏡的總體結(jié)構(gòu)、成像原理、操作方式等與光學(xué)顯微鏡有著本質(zhì)上的區(qū)別。透射電鏡的基本原理如下：(一)分辨本領(lǐng)與放大倍數(shù)?分辨本領(lǐng)是指能夠分辨物體上兩點(diǎn)之間的最小距離。光學(xué)顯微鏡的分辨極限為O.2μm，而電鏡的分辨本領(lǐng)可優(yōu)于2?，相差達(dá)l000倍，因?yàn)橛绊懝忡R提高分辨本領(lǐng)的主要因素是由于光線的衍射作用。光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)由阿貝公式?jīng)Q定：d=0.612λnsinα式中d為分辨本領(lǐng)，λ為照明波波長，n為物體與物鏡之間介質(zhì)的折射率，α為物體

7、上的點(diǎn)與物鏡所成夾角的一半。普通光學(xué)顯微鏡用油浸鏡頭時(shí)n≈1.5，α<90。即sinα<1，用可見光作照明源時(shí)，其平均波長約為5000?，那么它的分辨本領(lǐng)約為2000?。這說明光學(xué)顯微鏡只能分辨大于2000?的結(jié)構(gòu)。要提高分辨本領(lǐng)，必須采用波長短的照明源。電子顯微鏡的照明源波長約為0.05?，目前最好的電鏡分辨本領(lǐng)已達(dá)1.4?，比光學(xué)顯微鏡提高了1000多倍。?放大倍數(shù)是指物體經(jīng)過儀器放大后的像與物的大小之比。放大了的像還可多次放大，但到一定限度后繼續(xù)放大時(shí)便不能增加細(xì)節(jié)，這是分辨本領(lǐng)的限制所致

8、。不能增加圖像細(xì)節(jié)的放大倍數(shù)稱為空放大，而與分辨本領(lǐng)相應(yīng)的最高放大倍數(shù)稱為有效放大倍數(shù)，為眼的分辨本領(lǐng)與儀器的分辨本領(lǐng)之比。41生物電鏡技術(shù)目前商品電鏡的分辨本領(lǐng)可達(dá)到2?，其有效放大倍數(shù)為My=0.2mm2×10-7mm=106（倍）即100萬倍。這個(gè)倍數(shù)可以從電鏡上直接得到，也可在攝制20萬倍的底片后再以光學(xué)放大5倍來獲得。因此，標(biāo)示電鏡性能的主要指標(biāo)是分辨本領(lǐng)而不是放大倍數(shù)。(二)電子束的產(chǎn)生電子束是電鏡的照明介質(zhì)。目前大多數(shù)電鏡的電子束是由熱陰極、控制極和陽極構(gòu)成的三極式電子槍產(chǎn)生，其示