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电子显微镜是如何工作的?

在最近的一篇博客文章中,我们讨论了这个问题光学显微镜和电子显微镜.现在,我们正在深入挖掘更多关于什么电子显微镜可使用的各种类型,以及它们如何工作。

电子显微镜做什么?

光学显微镜或光学显微镜不足以看到细菌、病毒或分子。电子显微镜的功能更强大,可以让我们看到纳米级的东西。

电子波长比可见光光子波长短10万倍,因此电子显微镜有更高的分辨率,使人们能够看到更小物体的结构。

电子显微镜最常用来研究生物和无机标本的超微结构,如活检标本、晶体、金属、微生物和细胞。

它们也可以用于工业上的质量控制和故障分析。今天的现代电子显微镜通过专门的数码相机和帧捕捉器来拍摄显微照片,以捕捉标本的图像。

电子显微镜是如何工作的?

就像光学显微镜一样,它有四个重要的部分,但也有一些不同。电子显微镜采用的不是光源,而是电子光源,即一束由灯丝供电的电子束。

标本需要在没有空气的真空室中制备和保存。电子很容易被空气粒子(包括氧气和氮气等气体分子)所分散,所以如果没有真空,电子束就会偏离轨道。生物样品可以在真空中立即蒸发,不需要事先准备样品,因此采取一些准备步骤很重要。

电子束穿过的不是透镜,而是一系列的电磁铁,称为电磁透镜。在普通显微镜下,玻璃透镜可以弯曲或折射穿过它们的光束来放大标本。在电子显微镜下,线圈状的电磁铁以同样的方式弯曲光束。

显微镜图像不是通过目镜看放大的样本,而是形成照片,也被称为电子显微图,或显示在电脑屏幕上。

市场上有不同类型的电子显微镜,每一种工作方式都略有不同。所有这些都能产生高分辨率的图像,尽管有些类型比其他类型更适合于某些材料。

电子显微镜的种类

透射电子显微镜(TEM)

透射电子显微镜(TEM)也被称为原始形式的电子显微镜。它使用高压电子束照射标本并产生平面图像。

电子束是由电子枪制成的,电子枪通常填充钨丝作为光源。它们通常用于电子衍射模式,但通常需要非常薄的部分,大约100纳米厚的电子才能通过。

制作这么薄的标本通常非常困难,在技术上也极具挑战性。有些标本在切成薄片之前可能需要脱水或化学固定。有些也可能需要染色,以更容易看到。

系列切片电子显微镜(ssEM)

瞬变电磁法是瞬变电磁法的子集。它按顺序创建许多薄片的图像。

扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜(SEM)类似于钥匙复印机。当你得到一把复制的钥匙时,机器会沿着原来的钥匙,把一模一样的复制品切成一片空白。副本不是一次全部产生的,而是从一端追踪到另一端。被检查的标本可以被认为是原始密钥。

扫描电镜使用电子束跟踪物体,并在显示器上创建一个与原始物体完全相同的复制品。扫描电镜提供了一个带有凹槽和雕刻的3D图像,而不是仅仅绘制出钥匙的平面轮廓。

当光束沿着物体的轨迹并与表面相互作用,以图样的方式从样品表面逐出二次电子。二级探测器吸引这些电子。到达电子探测器的电子数影响显示器上显示的亮度水平。

反射电子显微镜(REM)

在反射电子显微镜(REM)中,电子束是在一个表面上,但不是使用透射电子或二次电子,而是检测到弹性散射的电子束。

这种类型的显微镜是用来观察发生在样品表面的过程。弹性散射的电子以不同的掠射角度撞击样本,从而生成图像。

扫描透射电子显微镜

扫描透射电子显微镜(STEM)通过聚焦在样本上一个难以置信的小区域(通常为0.05到0.2纳米)上的电子束来生成图像。然后在光栅照明系统中扫描样品,使样品在每个点上都被平行于光轴的光束照亮。

这种电子显微镜适用于分析技术。典型的STEM显微镜是一种传统的TEM显微镜,它有额外的扫描线圈、探测器和电路,允许它在STEM或标准TEM之间切换。然而,也有可能找到专门的stem。

扫描隧道显微镜(STM)

STM显微镜可以生成样本表面分子或原子的详细图像。它们的工作原理不同于TEM和SEM。

STM显微镜使用非常锋利的金属探针在标本表面来回扫描。电子试图从样本中移动出来,穿过空隙进入探针。探针离表面越近,电子越容易进入,当更多电子逃逸时,隧穿电流就越大。

显微镜不断地上下移动探针,以保持隧道效应不变。通过记录探针需要移动多少,它可以测量整个标本表面的波峰和波谷。

计算机将这些信息转换成一幅揭示其详细原子结构的标本地图。普通的电子显微镜使用高能电子束来产生高度精细的图像,但其强度往往会损害它们正在成像的物体。STM使用更低的能量来减少损坏的可能性。

原子力显微镜(AFM)

STM的缺点之一是它们依赖于通过材料的电流来生成图像。如果物体不是导电体,显微镜就不能成像。

原子力显微镜(AFM)不存在这个问题,因为即使它们仍然使用隧道技术,它们也不依赖于探针和标本之间的电流。使用这种显微镜可以创建塑料和其他不导电材料的原子尺度图像。

低温电子显微镜(低温电子显微镜)

也被称为低温电子显微镜,这涉及到使用较温和的电子束来处理与高真空条件和强电子束不兼容的样品。

最近,一种冻结水基TEM样品的特殊方法被开发出来,使水产生无序的玻璃,而不是结晶的冰。冰晶会使电子束衍射,使分子的信息变得模糊。

低温电子显微镜消除了这个问题,并使使用与真空环境不兼容的样品传输电子显微镜成为可能。

电子显微镜多少钱?

要提供电子显微镜的确切价格是不可能的。价格根据您购买的类型以及您打算使用它的目的和您的最终配置而变化。

根据您的应用程序,可能需要也可能不需要不同的检测器和分辨率。低端来说,一台相当基础的台式SEM大约需要5万至7万美元。

传统的钨源SEM成本在8万至12万美元之间。其他类型的甚至更贵。

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