电子显微镜：现代科技中的微观观测利器
电子显微镜：现代科技中的微观观测利器
电子显微镜是现代科学技术中不可或缺的重要工具，它通过电子束和电子透镜来观察物质的细微结构。本文将详细介绍电子显微镜的组成、工作原理、分类及其在科学研究中的应用。
电子显微镜
概述
电子显微镜，简称电镜，英文名Electron Microscope（简称EM），经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。
电子显微镜技术的应用是建立在光学显微镜的基础之上的，光学显微镜的分辨率为0.2Lm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm，也就是说透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。
电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。
- 镜筒主要有电子源、电子透镜、样品架、荧光屏和探测器等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。
- 电子透镜用来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中最重要的部件。一般使用的是磁透镜，有时也有使用静电透镜的。它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦，其作用与光学显微镜中的光学透镜（凸透镜）使光束聚焦的作用是一样的，所以称为电子透镜。光学透镜的焦点是固定的，而电子透镜的焦点可以被调节，因此电子显微镜不象光学显微镜那样有可以移动的透镜系统。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。电子源是一个释放自由电子的阴极，栅极，一个环状加速电子的阳极构成的。阴极和阳极之间的电压差必须非常高，一般在数千伏到3百万伏特之间。它能发射并形成速度均匀的电子束，所以加速电压的稳定度要求不低于万分之一。
- 真空装置用以保障显微镜内的真空状态，这样电子在其路径上不会被吸收或偏向，由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接。
工作原理
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。电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。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。
电子显微镜技术(electron microscopy)已成为研究机体微细结构的重要手段。常用的有透射电镜(transmission electron microscope，TEM)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)。下面分别介绍两种电子显微镜的工作原理：
- 透射电子显微镜(Transmission electron microscope，TEM)
在真空条件下，电子束经高压加速后，穿透样品时形成散射电子和透射电子，它们在电磁透镜的作用下在荧光屏上成像。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。
- 扫描电镜(Scanning Electron microscope)
扫描电镜是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态。用极细的电子束在样品表面扫描，激发样品表面放出二次电子，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。(细胞、组织)表面的立体构像，可摄制成照片。
应用
透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。
分类
电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。
- 透射式电子显微镜
透射电镜即透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，简称TEM)，通常称作电子显微镜或电镜(EM)，是使用最为广泛的一类电镜。主要优点：分辨率高，可用来观察组织和细胞内部的超微结构以及微生物和生物大分子的全貌。
透射电子显微镜因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿，可以直接获得一个样本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄（通常为50～100nm）。组成样本的原子的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，在图像中显得较亮。反之，样品中较厚或较密的部分，在图像中则显得较暗。如果样品太厚或过密，则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。
- 扫描电子显微镜
扫描电镜即扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，简称SEM)。主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构、管腔内表面的结构等。主要优点：景深长，所获得的图像立体感强，可用来观察生物样品的各种形貌特征。
扫描电子显微镜的电子束不穿过样品，仅以电子束尽量聚焦在样本的一小块地方，然后一行一行地扫描样本。入射的电子导致样本表面被激发出次级电子。显微镜观察的是这些每个点散射出来的电子，放在样品旁的闪烁晶体接收这些次级电子，通过放大后调制显像管的电子束强度，从而改变显像管荧光屏上的亮度。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。显像管的偏转线圈与样品表面上的电子束保持同步扫描，这样显像管的荧光屏就显示出样品表面的形貌图像，这与工业电视机的工作原理相类似。由于这样的显微镜中电子不必透射样本，因此其电子加速的电压不必非常高。
扫描式电子显微镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束的直径。放大倍数是显像管上扫描幅度与样品上扫描幅度之比，可从几十倍连续地变化到几十万倍。扫描式电子显微镜不需要很薄的样品；图像有很强的立体感；能利用电子束与物质相互作用而产生的次级电子、吸收电子和X射线等信息分析物质成分。
- 电子数码显微镜
一般来讲的数码显微镜严格来说应该属于光学显微镜的范畴。数码显微镜是将精锐的光学显微镜技术、先进的光电转换技术、液晶屏幕技术完美地结合在一起而开发研制成功的一项高科技产品。从而，我们可以对微观领域的研究从传统的普通的双眼观察到通过显示器上再现，从而提高了工作效率。
数码显微镜根据数据显示方式不同可分为两大类：自带屏幕数码显微镜和采用计算机显示的数码显微镜。自带屏幕数码显微镜，又可分为三类：台式数码显微镜、便携式数码显微镜、无线数码显微镜。台式数码显微镜的主要特点是放大倍率相对较高，可以与电子显微镜媲美；便携式数码显微镜追求的是随处可显微，讲究小巧。
注意事项
电子显微镜也是一种贵重、复杂的精密仪器, 管理、使用、维修都需专门的知识。
为了保证工作装置的正常生产，保证生产中测量精准控制。为了延长仪表使用寿命，保证仪器技术性能指标。仪表的维护工作要贯彻预防为主的原则，加强经常性的维护保养，保持仪表的整洁和完好，使仪表不出或少出故障。但由于各种原因，工艺介质的影响和仪表元件的老化，仪表和自控系统的失灵在所难免。此时要求做出正确的判断及时排除故障。力求不影响生产，日常维护保养的主要工作主要有以下几点。
仪表控制系统的维护保养，包括坚持巡检制度，每天进行巡检，并巡检室外装置区的仪表和控制阀的运行情况。发现仪表故障及时处理，排出仪表故障，在故障一时难以排除的情况下，将备件替换上；仪表的清洁卫生工作是维护工作的重要一环，经常对仪表和阀门进行擦拭外，在允许的条件下要吸出灰尘及清洗传动部件，要检查机械部件运行情况及润滑情况。还要保持中控室环境条件要符合技术指标要求；经常对各装置控制阀的气动部件，有漏气的现象，要及时处理，要消灭泄漏点；在处理调节系统仪表故障时,一定要注意先将该仪表调节回路必须切换手动状态，再进行处理。然而在处理联锁系统相关故障时，首先必须由工艺人员批准，再采取合理的措施，继续进行处理。显微镜粘度计在相应防爆场所中处理显微仪表故障时，要严格依据有关安全操作规程进行，确保其试验安全；相应的配合试验工艺，做好显微镜自动调节器的参数调整和确定工作。