正文
电子显微术的主要电子光学仪器。主体部分是电子透镜和显像记录系统,由置于真空中的电子枪、聚光镜、物样室、物镜、衍射镜、中间镜、投影镜、荧光屏和照相机等组成。与光学显微镜的结构完全类似(见图)。
透射电子显微镜的工作原理是一单色、单向、均匀而高速的微电子束,用薄试样相互作用时,束中的部分电子激发出与试样相关的二次电子、背散射电子、特征X射线和俄歇电子等信息。穿过试样的电子束,被散射偏离原有方向的叫散射电子束,未被散射的叫透射电子束。这两类电子束皆可用于成像。能获得衬度完全相反的两种像──取透射电子束经过物镜聚焦的像叫明场像;取散射电子束经过物镜聚焦的像叫暗场像。再经过中间镜和投影镜的多级放大,最终将欲观测的图像呈现在荧光屏上。
现代的高分辨率透射电镜,能分辨0.1纳米以下的微细物质结构,放大倍数可达100万余倍。这种电镜适用于晶体结构和缺陷的直接成像,即能观测原子或原团的排列,又能确定其所处的空间位置。另一类配有X射线能谱仪、电子能量损失谱仪、俄歇电子谱仪和扫描附件等的分析型电镜,可用于小至直径4纳米范围内的晶体形态、成分和结构的分析。地质学中用于微细矿物,如粘土矿物的形态观察与鉴定;微细矿物的显微双晶、出溶、相变和位错研究等。
基本原理
在光学显微镜下无法看清小于0.2µm的细微结构,这些结构称为亚显微结构(submicroscopic structures)或超微结构(ultramicroscopic structures;ultrastructures)。要想看清这些结构,就必须选择波长更短的光源,以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM),电子束的波长要比可见光和紫外光短得多,并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比,也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。
电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样,所不同的是前者用电子束作光源,用电磁场作透镜。另外,由于电子束的穿透力很弱,因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。这种切片需要用超薄切片机(ultramicrotome)制作。电子显微镜的放大倍数最高可达近百万倍、由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统、电源系统等5部分构成。
分类
大型透射电镜
大型透射电镜(conventional TEM)一般采用80-300kV电子束加速电压,不同型号对应不同的电子束加速电压,其分辨率与电子束加速电压相关,可达0.2-0.1nm,高端机型可实现原子级分辨。
低压透射电镜
低压小型透射电镜(Low-Voltage electron microscope, LVEM)采用的电子束加速电压(5kV)远低于大型透射电镜。较低的加速电压会增强电子束与样品的作用强度,从而使图像衬度、对比度提升,尤其适合高分子、生物等样品;同时,低压透射电镜对样品的损坏较小。
分辨率较大型电镜低,1-2nm。由于采用低电压,可以在一台设备上整合透射电镜、扫描电镜与扫描透射电镜
冷冻电镜
冷冻电镜(Cryo-microscopy)通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备,将样品冷却到液氮温度(77K),用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。通过对样品的冷冻,可以降低电子束对样品的损伤,减小样品的形变,从而得到更加真实的样品形貌。