电子显微镜知识讲座 编辑：南开大学化学院 周杏第

显微镜的历史

大约在 400 年前（ 1590 年）， 由荷兰科学家杨森和后来的 博物学家列文虎克发明和完 善的显微镜，向人们揭示了 一个陌生的微观世界，他们 是开辟人类显微分析的始祖。

早期的显微镜

因为早期的显微镜以玻璃镜 片做透镜，使用可见光为光 源，所以人们把它称为光学 显微镜。现在，最好的光学 显微镜可以达到 1500 倍的放 大倍数。

现代的光学显微镜

在光学显微镜的完善和发展过程 中，人们发现：不管如何完善光 学显微镜的透镜和结构，其放大 倍数和分辨率总是被限定在1000 多倍和几百纳米的水平，不可能 再有所新的突破。

后来，人们终于发现：是显微镜所 使用的光源限制了光学显微镜的放 大倍数和分辨率的进一步发展。因 为，可见光的波长在 390 纳米到 760 纳米之间，而显微镜的分辨率最多 也只能是其所使用光源的半波长的 大小，所以光学显微镜的理论极限 分辨本领也就在 200 纳米左右 。

光的本质 光具有波粒两像性，其中波长是光 的特性之一。随着科学技术的发展， 人们对于光有了深入的认识。人们 知道了电磁波，红外线和 X 射线等等 和普通的可见光一样都是光的一种， 它们都具有光的一般性质，只不过 它们的波长有所不同。

关于显微学的一些基本概念 分辨率 放大倍数与空放大 聚焦，欠焦与过焦 景深

什么是分辨率？ 简单地说，分辨率就是能够把两个点分 辨开的最小距离。 人眼睛的分辨率大约为 0.1

个毫米。 所以，要想看清比 0.1

个毫米还小的东西， 就要借助于放大镜和显微镜。即利用显 微镜把所要观察的物体至少放大到 0.1

个 毫米以上，我们才能看清它。

不同波长光源分辨本领的比较

点分辨的比较示意图

放大与空放大 定义：对于某一显微镜而言，在其可分 辨能力之内的图像放大，叫做有效放大。 此时的图像放大不失图像表面的细节。 而在显微镜分辨能力以外的图像放大， 叫做空放大，也叫做无效放大。空放大 只是放大了图像的轮廓，而不能放大和 分辨图像表面的细节。

空放大的示意图

聚焦和景深的概念 聚焦：简单地说就是让图像最清楚。在 理论上讲，就是让成像在透镜的焦点上。 欠焦：就是成像还未达到焦点。 过焦：就是成像已超过了焦点。 景深：就是在焦点附近能看清图像的余 量。一般在低倍率下景深较大，在高倍 率下景深变小。

光学焦距图

电子显微镜的产生 既然是光源限制了显微镜的放大倍 数和分辨率的发展，人们自然会想 到：要想提高显微镜的放大倍数和 分辨率，就应该更换波长更短的光 源。随着人们对电磁波的认识，人 们了解到：在一定的电压下电子束 的波长可以达到零点几个纳米，使 用电子束做为光源，显微镜的分辨 率就可能提高几个数量级。

电磁透镜 研究发现：静电磁场可以使电子的 运动方向发生改变，对称的静电磁 场可以像玻璃聚焦光线那样把电子 束汇聚成一点，这使得用电子束聚 焦成像成为可能，这样就产生了电 磁透镜。由于电磁透镜能把电子束 象光一样地聚焦成像，所以使用电 子束做为光源的显微镜就应运而生 了。这就是电子显微镜。

静电透镜示意图

实用的电子显微镜 经过不断的实验和摸索，在上个世 纪三十年代，由德国科学家 M · 克诺 尔与 E · 鲁斯卡在柏林工学院制造出 了世界上第一台透射式电子显微镜。 由于使用了电子束做为显微镜的光 源，电子显微镜的分辨率大大超过 了光学显微镜，达到了零点几个纳 米的水平。

电子显微镜与光学显微镜的 光路比较

加速电压与电子束波长的关系 电子显微镜的电子束波长视其所使用的 加速电压的大小而定，一般加速电压在 100KV 的电子显微镜其电子束的波长约 为 0.4

纳米，这样电子显微镜的分辨率应 该可以达到两个埃(0.2纳米）的水平， 这要比光学显微镜的分辨率高的多的多。 超高压的电子显微镜其电子束的波长更 短，所以会有更高的分辨率。

普通的透射电子显微镜

超高压电子显微镜

我院电镜室的透射电子显微镜

电子显微镜的分类 电子显微镜基本分为两种类型： 一种是：透射电子显微镜， 另一种是：扫描电子显微镜。 透射电镜是透射成像，图像是二维的， 靠欠焦形成一定的图像反差。 扫描电镜是反射成像，图像是三维的， 有很好的立体感，但分辨率低于透射电 镜，目前指标分辨率可以达到 3 个纳米。

扫描电子显微镜图

其它型式的显微镜 扫描隧道显微镜：利用隧道电流效应 原子力显微镜：利用原子力效应 激光力显微镜：利用激光作用力 磁力显微镜：利用磁作用力 以上各类显微镜都属于探针触摸效应方 式的，而光学显微镜和电子显微镜则属 于光的视觉效应方式。

使用电子显微镜的一般要求 由于电子显微镜镜体内为真空系统，所 以要求被分析物质应为干燥的，不含有 水分或挥发性溶剂的样品。 对于透射电镜还要求被分析样品要做的 很薄，最好在100纳米以下，以有利于电 子束的穿透成像。 当加速电压较高时，电子束的穿透力会 更强，所以样品可以做得厚一些。

透射电镜的制样目的 制样目的：就是要使样品做的很薄，以 利于电子束的穿过。 制样方法：可以是粉碎；切片；研磨； 减薄；分散，以及复型或染色等等。 制样使用的设备有：超薄切片机；真空 镀膜机；离子减薄仪等等。

超薄切片机

真空镀膜机

离子镀膜机

样品制备的具体要求和方法 对于粉末样品一般要求粒度应小于 300 纳 米，粒度较大时，会只能看到颗粒的轮 廓，不能分析颗粒表面上的细节。 纤维类样品得直径应最好小于 200 纳米。 不论是纤维，粉末或高分子纳米球的样 品都要在适当的溶液中做良好的分散， 然后滴在或捞到铜网上的支撑膜上。 对于特殊样品需要做特殊的制备，列如： 切片，染色，离子减薄或复型处理。

铜网和承载样品的支撑膜 透射电子显微镜使用的铜网一般直径为2 毫米，上面铳有许多微米大小的孔，在 铜网上覆盖了一层很薄的火棉胶膜并在 上面蒸镀了碳层以增加其膜的强度，被 分析样品就承载在这种支撑膜上。 如果在连续的火棉胶膜上再制出一些通 透的孔，我们把这种支撑膜叫作“微 筛”。高分辨分析时一般使用微筛来承 载样品。

什么是染色？ 对于反射电子能力差，图像衬度小的样品常用 染色的方法来提高成像的质量。染色的目的就 是让被分析样品结合上一些重金属，以增加其 反射电子的能力，使样品成像的衬度变大，最 终获得高质量的电镜照片。 染色常常是对于生物样品或高分子样品而言的， 染色的方法有许多种，对于不同的样品其染色 方法可能完全不同。

无机粉末样品的制备要求 首先，样品的粒度要足够的小，例 如在 100 纳米以下。如果有团聚较大 的颗粒，要适当的做研磨处理。 一般将粉末样品置于无水乙醇之中， 使用超声波将其充分分散，然后再 滴到微筛膜上，自然凉干后就可用 于电镜分析了。

超声波仪

电镜照片的分析 对电镜照片的分析，应先从各种资料中尽可能地 对被分析样品有所了解，估计可能出现的结果， 再与电镜照片进行比对，做出正确的解释。 对于金属氧化物可能具有一些典型的构成形状， 如球形，条形，支形或核形等等，可以根据这些 形状来判断金属氧化物的种类和生长情况。 现代电镜一般都带有“能谱”附件，对于不好判 断的晶粒形状，可以使用 X 光能谱对所分析的样 品做分区元素分析，然后再做出其正确的判断。

典型电镜照片的比较 金颗粒 三氧化二铁

单晶，多晶与非晶的比较 使用电镜的电子衍射功能可以判 断样品的结晶状态： 单晶为排列完好的点阵。 多晶为一组序列直径的同心环。 非晶为一对称的球形。

单晶，多晶与非晶的电子衍射图

一些样品的电镜照片 高分子球 碳棒 MCM41

一些样品的电镜照片 Ni 晶粒 催化剂 表面 Co 颗粒

不同温度下

TiO2

晶粒生长的情况

纤维，角形和花状的电镜照片

球表面的

Au

，氧化镧，

Fe2O3

Zn

粒，

Al2O3

，单壁碳管

高分子网，晶体层面，纳米球

局部的单晶，晶粒的生长，晶体棒与颗粒

氧化膜，碳管组装，银粒生长

样品表面的凹凸形态和附着物

晶体颗粒，

FFT

变换，电子衍射

硅的晶格排布

金刚石的晶格排布

TECNAI-20

拍的

AU

单晶膜

电镜使用中的一些问题 放大倍数不是越大越好。 要搞清你做电镜分析的目的。 不是什么样品都能达到分辨率的指标。 要获得高质量的电镜照片，样品制备是 一个重要的因素。 好的设备，加上适当的样品处理和精心 的操作才能得到高水平的电镜分析结果。

含有表面活性剂的硫化物

结束语 电子显微镜以其超高的分辨率而优于光学显微 镜，使其广泛地应用于材料，医学，化学，生 物等诸多的领域，它已经成为现代科学研究必 不可缺少的科研工具。但是，电子显微镜由于 它特殊的系统结构，使其在使用上也有一定的 限制，例如：它不能像光学显微镜那样可以直 接地观察液体样品，所以它在样品制备方面有 着一些特定的要求，我们需要根据不同的样品 采取不同的制样方法，以适合于电镜分析的要 求，最终达到良好的电镜分析目的。（完）