第一章 透射电镜的用途

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1、第一章 透射电镜的用途第一章 透射电镜的用途17 世纪光学显微镜的发明，促进了细胞学的发展，20 世纪电子显微镜的发明，揭开了病毒和细胞亚显微结构的奥妙。在20世纪60年代以来，TEM广泛应用 于工农业生产、材料学、考古学、生物学、组织 学、病毒学、病理学和分子生物 学等研究领域中，其应用的广度、研究的深度有如下几方面。一、细胞学 由于超薄切片技术的出现和发展，人类利用电镜对细胞进行了更深入的研究，观察到了过去无法看清楚的细胞超微结构。例如，用电镜观察到了生物膜的三层结 构以及细胞内的各种细胞器的形态学结构等。二、发现和识别病毒许多病毒，尤其是肿瘤病毒就是用TEM发现的。电镜也为病毒的分类提供

2、了最 直观的依据，例如去年肆虐全球的 SARS 病毒就是首先在电镜下观察到并确认是病 毒而不是支原体的。三、临床病理诊断 生物体发生疾病都会导致细胞发生形态和功能上的改变，通过对病变区细胞的电镜观察就可以为疾病诊断提供有力依据。例如目前电镜在肾活检、肿瘤诊治中发 挥了重要作用。四、免疫学 电镜技术与生命科学中新兴起的技术相结合，促进了新技术的应用。例如电镜技术与免疫学技术相结合产生了免疫电镜技术，它可以对细胞表面及细胞内部的抗 原进行定位，可以了解抗体合成过程中免疫球蛋白的分布情况等。五、细胞化学研究细胞内各种成分在超微结构水平上的分布情况以及这些成分在细胞活动过 程中的动态变化，以阐明细胞的

3、化学和生化功能。其中最主要的是蛋白质（尤其是 酶的细胞内定位），其次是核酸、脂肪、碳水化合物及无机离子的定位。该技术促 进了形态学和生物化学的结合，使生命科学的研究进入了新的水平。第二节 在材料科学中的应用材料科学研究的对象是制造设备和产品的金属、半导体、塑料等，以及工艺技 术，例如研究如何制造出更小、品质更好的晶体管，以使计算机的功能更为强大; 研究聚合物的电子特性以生产更便宜的手机显示屏;或者分析如何使肌体组织与医 用植入物更好地结合。一、用 DNA 适体构建蛋白纳米结构。二、纳米金属中空位与扩散。三、载药纳囊技术的应用。第二章透射电镜（TEM）的原理和结构透射电镜是以电子束透过样品经过聚

4、焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏 上或照相底片上进行观察。电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角 散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通 常，透射电镜的分辨率为0.1,0.2nm,放大倍数为几万，几十万倍，用于观察超微 结构，即小于0.2期，在光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。由 于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备超薄切片（通常为 50,100nm）。其制备过程与石蜡切片相似，但13要求极严格。要在机体死亡后的数分钟内取材，组织块要小（1mm以内），常 用戊二醛和锇酸双重固定，包埋介质包埋,用超薄切片机（ul trami

5、cro to me）切成薄片，再经醋酸铀和柠檬酸铅等进行电子染色。成像方式与光学生物显微镜相似，只 是以电子透镜代替玻璃透镜。第一节TEM的工作原理和主要结构一、透射电镜的工作原理由钨丝阴极在加热状态下发射电子。经过电场加速形成一个直径50期大小的 电子源（相当于光学显微镜的光源）。经过双聚焦镜，发射的电子束被聚焦在样品上 （电子束斑直径为3-5期）。穿过样品的电子束经过物镜，在其像平面上形成第一幅 高质量的样品形貌放大像，然后再经过中间镜和投影镜的两次放大，最终形成三级 放大像而显示在荧光屏上，或当荧光屏竖起来时就被记录在照相底片上。二、TEM 的结构TEM的结构由镜筒（电子光学系统）、真空

6、系统、电子学系统三个主要部分组 成。电子枪照明系统聚光镜样品室物镜成像系统和样品装置系统 镜筒中间镜投影镜观察室像的观察和记录系统摄影室（一）镜筒:按功能可分为三个系统。1（照明系统 该系统分成两部分:电子枪和聚光镜。电子枪由灯丝（阴极）、栅级和阳极组 成。加热灯丝发射电子束。在阳极加电压，电子加速。阳极与阴极间的电位差为总 的加速电压。经加速而具有能量的电子从阳极板的孔中射出。射出的电子束能量与 加速电压有关，栅极起控制电子束形状的作用。电子束有一定的发射角，经聚光镜 调节后，形成很小的平行电子束。电子束的电流密度（束流）可通过聚光镜的电流来 调节。（1）电子枪 电子枪:发射电子，由阴极、栅

7、极、阳极组成。阴极管发射的电子通过栅极上 的小孔形成射线束，经阳极电压加速后射向聚光镜，起到对电子束加速、加压的作 用。是电镜的照明源，产生和加速电子，照明样品，要求电子枪有很高的亮度、电 子发射稳定及稳定的加速电压。电子枪是由发夹式钨丝阴极三级电子枪。它由阴极、栅极和阳极组成。 阴极即灯丝，是用直径 0.100.12mm 的钨丝做成的，通常做成发夹形状，当电 流加热至2200-2500K时，灯丝产生热电子发射作为电子源。2 阳极对阴极有一加速电压，对电子起加速作用。一般采用负高压，高压由高压 发生器产生，通过高压电缆输送过灯丝。常用的加速电压为50KV、75KV和 100KV，超高压电镜可达

8、3000KV。加速电压决定电子束波长。栅极（控制极）可以控制阴极发射电子束的形状和发射强度，对电子发射起限制 和稳定的作用。栅偏压对灯丝因加热电流的变化或加速电压的变化所引起的束流变化，有稳定 的作用。而且栅偏压可以调节，通过改变栅偏压的方法可以改变图像的亮度（2）聚光镜聚光镜的作用是将电子枪所发出的电子束会聚到样品平面上。并调节电子束的 孔径角、电子束的电流密度和照明光斑的大小。现代电镜有 2 个聚光镜，第一聚光镜是一个短焦距的强磁透镜，可将电子枪交 叉点缩小几十倍到一百倍，使束斑为零点几微米或几个微米。第二聚光镜是一个长 焦距弱磁透镜，将第一聚光镜的像再次成像在样品平面上。聚光镜装有固定光

9、阑和活动光阑，可以得到不同的照明孔径角。2. 成像系统和样品室系统 该系统包括样品室、物镜、中间镜、反差光栏、衍射光栏、投射镜以及其它电 子光学部件。（1）样品室放置待观察的样品，并装有倾转台，用以改变试样的角度，还有装 配加热）冷却等设备。 有一套机构，保证样品经常更换时不破坏主体的真空。样品 可在X、Y二方向移动，以便找到所要观察的位置。经过会聚镜得到的平行电子束 照射到样品上，穿过样品后就带有反映样品特征的信息，经物镜和反差光栏作用形 成一次电子图像，再经中间镜和投射镜放大一次后，在荧光屏上得到最后的电子图 像。（2）成像系统 物镜:为放大率很高的短距透镜，对样品成像和放大。它是决定 T

10、EM 分辨本领 和成像质量的关键。因为它将样品中的微细结构成像、放大，物镜中的任何缺陷都 将被成像系统中的其它透镜进一步放大。中间镜:是一个可变倍率的弱透镜，可以对电子像进行二次放大。通过调节中 间镜的电流,可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。投影镜（透射镜）:为高倍的强透镜，最后一级放大镜，用来放大中间像后在荧 光屏上成像。在二级放大（用物镜和投影镜）中放大倍数可变，以控制终像的总放大 倍数。在三级以上放大中，放大倍数固定。消像散器:消像散器是一个附加可调的电场和磁场，以补偿透镜磁场的轴不对称性。 轴不对称、光阑和极靴的污染可引起图像模糊。（2）样品装置系统样品载体:载网直径3mm,厚50

11、100期。一般采用带膜（福尔瓦膜）的载网。样品架:固定载网的装置。有顶落式（一次装1 2个载网）和侧插式（一次可装几 个铜网）样品台:在移动装置控制下，可以带着样品架移动。样品室有气锁装置，换样 品时控制最少量的空气进入镜筒，以便在最短的时间内恢复工作真空。（3）像的观察和记录系统3位于投影镜的下部，包括观察室和摄影室。观察室内有一荧光屏，在电子束照 射下，可呈现终像。电子图像反映在荧光屏上,荧光发光和电子束流成正比。在主 观察窗外有一个观察放大镜，以对图像精确聚焦和观察，可以把终像放大 3-10 倍。观察放大镜是双目光学显微镜。摄影室在观察室的下方，把选择好的像记录在软片上，有专门的快门装置

12、。软 片的感光能力与其波长有关。（二）真空系统1.真空系统的主要结构由机械泵、油扩散泵、真空测量仪器及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内 气体，使镜筒真空度至-5-9-10少要在10托以上，目前最好的真空度可以达到1010托。如果真空 度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还会使电子栅极与阳 极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝，污染样品。2.电镜要求电子通道是真空的，其原因为:(1)气体分子与高速电子相互作用而随机散射电子，会引起炫光，或减少像的 反差。一般要求真空-5达到 10 托。(2)电子枪中存在的残余气体会产生电离和放电， 从而引起电子束不稳定或闪 烁(3

13、) 残余气体与灼热灯丝作用，会不断腐蚀灯丝，缩短灯丝使用寿命。(4) 残余气体聚集到样品上而污染样品。(三) 电子学系统 透射电镜的电路主要由以下部分组成，高压直流电源、透镜激磁电源、偏转器 线圈电源、电子枪灯丝加热电源，以及真空系统控制电路、真空泵电源、照相驱动 装置及自动曝光电路等。控制和调节电镜的工作状态。高压电源:供给电子加速的加速电压，常用的加速电压为 50kV、75kV、100kV、 最高可达 3000kV。透镜电源:提供电子束聚集和各个磁透镜的激磁电流。电源要求很高的稳定性 能。任何波动都将引起像的变化，从而降低分辨率。真空系统电源:提供各真空装置电源。 加速电压和透镜磁电流不稳

14、定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所 以加速电压和透镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。 电子波。电子光源和电子枪。静电透镜;短磁透镜和强磁透镜。电子透镜的像 散;消像散器。第二节 透射电镜的成像原理 透射电镜是利用透过样品的透射电子成像的。电子枪发射出电子射线，经透射 系统照射在样品上，电子束与样品相互作用后，当电子射线在样品另一方重新出现 时，已带有样品内的信息，然后进行放大处理而成像，在终屏上形成带有样品信息 的图像，使人眼能够识别。4 电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子发射， 如电

15、子束投射到质量大的结构时，电子被散射的多，因此投射到荧光屏上的电子少 而呈暗像，电子照片上则呈黑色。称电子密度高（electron dense）。反之，则称为 电子密度低（elec tron lucen t）。一、透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况: 1（吸收像:当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早 期的透射电子显微镜都是基于这种原理。2（衍射像:电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品 中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区 域不同，从而使衍射

16、钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。3. 相位像:当样品薄至100?以下时，电子可以传过样品，波的振幅变化可以忽 略，成像来自于相位的变化。二、透射电镜衬度（反差）的来源TEM衬度的形成，物镜后焦面是起重要作用的部位。电子经样品散射后，相对光 轴以同一角度进入物镜的电子在物镜后焦面上聚焦在一个点上。散射角越大，聚焦 点离轴越远，如果样品是一个晶体，在后焦面上出现的是一幅衍射图样。与短晶面间 距（或者说高空间频率）对应的衍射束被聚焦在离轴远处。在后焦面上设有一个光 阑。它截取那一部分电子不但对衬度，而且对分辨本领有直接的影响。如果光阑太 小，把需要的高空间频率部分截去，那么和细微结构对应的高分辨信息就丢失了。样品