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1、科学之眼“越来越亮电子显微镜的发展历程摘要： Ruska和Knowll在1932年(有说是1931年和1933年的)研制成功第一台电子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推 动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望 电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而 获得 1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显微镜技术的迅速发展和应用，改 变了细胞学、组织学、病毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促使生物学从细胞水平 进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的手
2、段。近 年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关 的课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。关键词：电子显微镜 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 扫描透射显微镜正文：电子显微镜问世已有半个多世纪了，但其应用于医学、生物学，尤其是细胞学的研究方面才只有二十余年的历史。我国学者在六十年代初期开始这方面的工作。下面我们来看一下电子显微镜的总体发展历程。一电子显微镜的总体发展历程人类对于生物微观世界的认识过程，有着一段漫长的历史。荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek)在300年前创制成功世界上第一架显微镜，发现了当时人们还不知道的微生物
3、世界。这是显微镜第一次显示其巨大作用。早在一百年以前，朴率克(Plucker)就曾在盖斯雷管的阴极近管壁上发现过一种黄绿色的光辉，但他当时对这一现象并无认识，未予重视。自从 1924 年德布罗意提出了电子与光一样，具有波动性的假说和1926年Busch发现了旋转对称、不均匀的磁场可作为一个用于聚焦电子束的透镜，就为后来的电子显微镜的问世奠定了理论基础，这就打开了电子光学的大门。经六年后，到1932年克诺露(Knoll)及鲁斯卡(Ruska)等人首次发表了关于电子显微镜的实验和理论研究，并试制成功第一台电磁式电子显微镜。为了获得较大的放大能力，人们又研究制造了短焦距的电磁透镜，它除了会聚透镜外，
4、再利用两个透镜作连续两次的造像。到1934年鲁斯卡和马顿(Marton)分别制成了新型复式电子显微镜。近代的电磁式电子显微镜在具体结构上已经有了很大改进。Ruska 和 Knowll 在 1932 年(有说是 1931 年和 1933 年的)研制成功第一台电子显微镜。经过半个 多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年 代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴 的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而获得1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显 微镜技术的迅速发展和应用，改变了细胞学、组织学、病
5、毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促 使生物学从细胞水平进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的 手段。近年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关的 课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。如果说，光学显微镜是人类对微观世界的认识有了第一次飞跃，那么可以说，电子显微镜是人类对微观世界的认识有了第二次飞跃。的确，光学显微镜使人类看到了肉眼看不到的细菌和细胞，揭开了许多生物界的“谜”，但是因为光学显微镜的分辨率受光波波长的限制，使更多的“谜”仍无法解开。而电子显微镜是以电子束作为光源的，电子束的波长比可见
6、光的波长短得多，使电子显微镜的分辨率大幅度提高。从此，人类用电子显微镜揭示了细菌、噬菌体、类病毒、DNA和蛋白质大分子等，甚至获取了 “原子核和电子云”的原子像。总体历程了解后，下面我们来关注一下透射电子显微镜的发展历程：二透射电子显微镜的发展历程1924年，德国科学家德布罗意(De Broglie)指出，任何一种接近光速运动的粒子都 具有波动本质。19261927年，Davisson和Germer以及Thompson Reid用电子衍射现象验证了电子的波动性，发现电子波长比X光还要短，从而联想到可用电子射线代替 可见光照明样品来制作电子显微镜，以克服光波长在分辨率上的局限性。1926年德国学
7、 者Busch指H “具有轴对称的磁场对电子束起着透镜的作用 有可能使电子束聚焦成像” 为电子显微镜的制作提供了理论依据。1931年，德国学者诺尔(Knoll)和鲁斯卡(Ruska)获得了放大1217倍的电子光学 系统中的光阑的像，证明可用电子束和电磁透镜得到电子像，但是这一装置还不是真正 的电子显微镜，因为它没有样品台。19311933年间，鲁斯卡等对以上装置进行了改进， 做出了世界上第一台透射电子显微镜(简称透射电镜) 1934年，电子显微镜的分辨率 已达到500A，鲁斯卡也因此获得了 1986年的诺贝尔物理学奖。1939年德国西门子公司造出了世界第一台商品透射电子显微镜，分辨率优于100
8、A.1954年又产生了著名的西门子Elmiskop I型电子显微镜，分辨率优于10A.在英国,透射电子显微镜的研究始于1935年，1946年设计了第一批商业透射电子显微镜，导致了 EM型电镜的系列生产。在荷兰，1944年研制成第一台电镜，后来生产了著名的Phil ipsEM和CM型透射电子显微镜。我国的透射电子显微镜研制始于20世纪50年代，1977年已作出了分辨率为3A的80万倍的透射电镜。目前世界上生产透射电镜的主要是这三家电镜制造商：日本的日本电子(JEOL)和日立(Hitachi)以及美国的FEI (这家公司把荷兰的菲利浦电镜公司收购了)。他们生产的透射电镜大致可分为三类。(1) 常规
9、的TEM:加速电压为100200kV。代表性产品有日本电子的 JEM-2010,日立的 H-8000，菲利浦的 CM200, FEI 的 TECNAI20.200kV 透射电 镜的分辨率可达1.9A.(2) 中压TEM:加速电压为300400kV。代表性产品有日本电子的 JEM-3010、JEM-4000,日立的 H-9500, FEI 的 TECNAI F30。300kV 透射电镜 的分辨率可达1.7A, 400kV透射电镜的分辨率可达1.63A.(3) 高压TEM:加速电压为1000kV。代表性产品有JEM-1000,日立公 司还制造了世界上最大的3000kV的透射电镜。目前1000kV的
10、透射电镜最高 分辨率可达1A.目前用的最多的透射电镜是200kV和300kV的电镜，高压电镜由于价格昂贵，体积庞大,用得很少。1949年以前,由于很难制备出能让电子束穿过的薄金属样品,开始用透射电镜 直接观察试样。随后，荷兰的Bollnan和英国剑桥大学的赫什(Peter B.Hirsch)研 究组进一步发展这一技术。特别是Hirsch研究组，发展了电子衍衬理论，可以解悉 电子束穿过试样形成的电子衍衬像,开创了用透射电镜直接观察试样的时代,为电 子显微镜在材料学的应用打下了基础。20世纪70年代，美国亚利桑那州立大学的考利(John Cowley)和澳大利亚墨尔 本大学的穆迪(Alex Moo
11、die)建立了高分辨电子显微想的理论与技术，发展了高分辨 电子显微学。 20世纪80年代，发展了高空间分辨分析电子显微学，人们可采用高分 辨技术、微衍射、电子能量损失谱、电子能谱仪等对很小范围内(约1 nm )的区域进 行电子像、晶体结构、化学成分的研究，将电子显微分析技术在材料学中的研究大 大地拓展了。20世纪90年代，由于纳米科技的飞速发展，对电子显微分析技术的要 求越来越高，进一步推动了电子显微学的发展。目前，透射电镜已发展到了球差校 正透射电镜的阶段。早在1935年，Knoll在设计透射电子显微镜的同时，就提出了扫描电子显微镜 的原理及设计思想。下面我们来关注一下扫描电子显微镜的发展历
12、程。三扫描电子显微镜的发展历程如果说光学显微镜处于“老年”、透射电镜处于“壮年”时代的话，那么扫描电镜是刚进入“青少年”的时代。扫描电子显微镜(scanning elec tron microscope,简称扫描电镜/SEM )的基本组 成是透镜系统、电子枪系统、电子收集系统和观察记录系统，以及相关的电子系统。现在工人扫描电镜的概念最早是由德国的Knoll在1935年提出来的，1938年Von Ardenne在透射电镜上加了个扫描线圈做出了扫描透射显微镜(STEM)。第一台能观 察厚样品的扫描电镜是Zworykin制作的，它的分辨率为50nm左右。英国剑桥大学 的Oat ley和他的学生McM
13、ulla n也制作了他们的第一台扫描电镜，到1952年他们的 扫描电镜的分辨率达到了 50nm。到1955年扫描电镜的研究才取得较显著的突破，成 像质量有明显提高，并在1959年制成了第一台分辨率为10nm的扫描电镜。第一台 商业制造的扫描电镜是Cambridge Scientific Instruments公司在1965年制造的 MarkI “Steroscan” Crewe将场发射电子枪用于扫描电镜，使得分辨率大大提高。 1978年做出了第一台具有可变气压的商业制造的扫描电镜，到1987年样品腔的气压 已可达到2700 Pa(20 Torr)。目前扫描电镜的发展方向是采用场发射枪的高分辨扫
14、 描电镜和可变气压的环境扫描电镜(也称可变压扫描电镜)。目前的高分辨扫描电 镜可以达到12 nm,目前，最好的高分辨扫描电镜可在气压为4000 Pa (30 Torr) 时仍保持2 nm的分辨率。由于扫描电镜的景深远比光学显微镜大，可以用它进行显微断口分析，且样品 不必复制，可直接观察，非常方便。另外，扫描电镜的样品室的空间很大，可以装 入很多探测器。因此，目前的扫描电镜已不仅仅是只用于形貌观察，它可以与许多 其他分析仪器组合在一起，是人们能在一台仪器中进行形貌、微区成分和晶体结构 等多种微观组织结构信息的同时分析，如果再采用可变气压样品腔，还可以在扫描 电镜下做加热、冷却、加气、加液等各种实
15、验，扫描电镜的功能大大扩展。这也是 为什么扫描电镜得到如此普遍应用的原因之一。下面我们来对比一下扫描电镜与光学显微镜和透射电镜的特点：看是什么优点使 扫描电子显微镜应用如此广泛：(1) 景深大、图像富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百 倍，比透射电镜大几十倍。由于扫描电镜是利用电子束轰击样品后所悉放的 二次电子成象，它的有效景深不受样品的大小与厚度的影响；而透射电镜是利用穿透电子成象，它的有效景深直接受样品厚度的限制。(2) 图像的放大范围大、分辨率也比较高。光学显微镜的有效放大倍 数为一千倍左右，透射电镜的放大倍数为几百倍到一百万倍，扫描电镜可放 大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从
16、放大镜、光学显微镜直到透射电镜 的放大范围。扫描电镜的分辨率介于光学显微镜(2000A)与透射电镜(2 3A)之间，可达60A(有的可达30A)，而且，一旦聚焦好了之后，可以任意改变放大倍数而不需要重新聚焦。(3) 样品制备过程简单，不需进行超薄切片，有的甚至不需要进行任何处理就可以直接观察。(4) 观察样品的尺寸可大至120X80X50毫米，而透射电镜的样品只能装在直径2毫米或3毫米的铜网上。(5) 样品可以在样品室中做三度空间的平移和旋转，因此，可以从各 种角度对样品进行观察，有的甚至可以在观察过程中对样品进行显微解剖。(6) 电子束对样品的损伤与污染程度很少。扫描电镜中打在样品上的电子束流很小，电子束的直径为50A至几百A，束的能量较小(加速电压可小至2千伏），电子束不是固定照射在样品
