用電子束照射樣品來觀察樣品的顯微鏡——電子顯微鏡

什么是電子顯微鏡？

電子顯微鏡是通過用電子束照射樣品來觀察樣品的顯微鏡。由于電子束的波長極短，因此可以觀察到光學(xué)顯微鏡無法觀察到的超精細結(jié)構(gòu)。主要有兩種類型：將電子束的透射率輸出為圖像的類型，以及將電子束與樣品之間相互作用產(chǎn)生的信號成像的類型。

許多作為產(chǎn)品出售的電子顯微鏡都針對工業(yè)材料進行了優(yōu)化，并且針對觀察生物樣品進行了優(yōu)化。此外，電子顯微鏡常縮寫為“電子顯微鏡”或EM，這是其英文名稱的第一個字母。

電子顯微鏡的應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域，它用于通過分析斷裂表面來調(diào)查金屬零件損壞的原因，并通過觀察加工表面來檢查質(zhì)量。此外，通過觀察聚合物網(wǎng)絡(luò)，我們可以研究機械性能并評估雜質(zhì)的存在。在生命科學(xué)領(lǐng)域，我們通過可視化細胞內(nèi)細胞器的精細結(jié)構(gòu)并觀察神經(jīng)元復(fù)雜的纏繞來繪制神經(jīng)元之間的連接。此外，還發(fā)現(xiàn)該方法只需對樣品進行簡單的預(yù)處理即可應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，并榮獲2017年諾貝爾化學(xué)獎。

電子顯微鏡原理

構(gòu)成電子顯微鏡的元件是輻射源、透鏡和探測器，從文字上看其結(jié)構(gòu)與光學(xué)顯微鏡非常相似。然而，它們的原理都與光學(xué)顯微鏡顯著不同。

首先，電子束與空氣中的分子碰撞，立即衰減消失。因此，電子束的產(chǎn)生和照射必須在真空中進行。

其次，一般光學(xué)系統(tǒng)中使用的玻璃透鏡傳輸電子束，因此為了折射電子束，需要使用施加磁場來聚焦電子束的磁透鏡。

此類鏡頭的一個特點是光學(xué)像差較大，為了改善這一點，它們被設(shè)計成較小的數(shù)值孔徑。這使得電子顯微鏡具有較深的焦深，從而可以進行深度的三維觀察。

標(biāo)準(zhǔn)電子顯微鏡分為兩類：

1.透射電子顯微鏡 (TEM)

這是一種使電子束穿過樣品并根據(jù)其衰減獲得對比度的方法。為了使電子束能夠通過，必須將樣品厚度調(diào)整極薄。噴射電子的強度稱為加速電壓，在300 kV的加速電壓下，波長極短為0.00197 nm，分辨率也為0.1 nm，與源材料的尺寸數(shù)量級相同。換算成最高放大倍數(shù)時，這是80萬倍，是光學(xué)顯微鏡的800倍，可見高分辨率。透射電子顯微鏡觀察穿過樣品的電子，非常適合在極小的區(qū)域觀察樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如晶體結(jié)構(gòu)。

2.掃描電子顯微鏡（SEM）

當(dāng)在真空中用電子束照射材料時，會發(fā)射二次電子、反射電子、特征X射線等。掃描電子顯微鏡圖像是通過掃描空間聚焦電子束并根據(jù)二次電子和背散射電子信號形成圖像來創(chuàng)建的。由于二次電子是在樣品表面附近產(chǎn)生的，因此二次電子圖像適合觀察樣品上的微小不規(guī)則性。背散射電子是與構(gòu)成樣品的原子碰撞并被反彈回來的電子，背散射電子的數(shù)量取決于樣品的組成（原子序數(shù)、晶體取向等）。因此，背散射電子圖像適合評估樣品表面的成分分布。

當(dāng)電子束擊中樣品時，構(gòu)成其表面的原子被激發(fā)并發(fā)射電子。此外，還發(fā)射出背散射電子和特征X射線，稱為二次電子，可以通過點掃描獲得發(fā)射的二次電子的強度。

只能用電子顯微鏡才能觀察到的東西

與一般光學(xué)顯微鏡相比，電子顯微鏡具有高的分辨率，使得可以以原子尺寸觀察細胞和金屬晶體等微小組織結(jié)構(gòu)。

以細胞為例，用光學(xué)顯微鏡無法詳細觀察細胞內(nèi)部除細胞核以外的微小結(jié)構(gòu)，但用電子顯微鏡卻可以。這使得詳細研究各種功能成為可能，例如細胞內(nèi)酶的功能和細胞結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。