3electron_microscopy_en电子显微镜
电镜的原理
电镜的原理电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束代替可见光进行物体观察的高分辨率显微技术。
相对于光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，能够观察到更小的细节结构，因此被广泛应用于材料科学、生物学、医学等领域。
电子显微镜的原理主要包括电子源、电子束聚焦系统、样品台、检测系统和图像显示系统。
首先是电子源。
电子显微镜中常用的电子源有热阴极电子枪和场发射电子枪。
热阴极电子枪通过加热阴极产生的热电子形成电子束。
而场发射电子枪则利用高电场作用下阴极表面的电子从阴极上发射出来。
接下来是电子束聚焦系统。
电子束经过电子源后，需要经过聚焦系统进行聚焦，以便形成细小且集中的电子束。
聚焦系统通常由透镜和磁铁组成。
透镜通过电场聚焦，磁铁通过磁场聚焦。
这些聚焦系统可以控制电子束的直径和聚焦位置，从而控制成像的放大倍数和分辨率。
然后是样品台。
样品台是支撑样品并调整其位置的部件。
在电子显微镜中，样品通常需要被制备成极薄的切片，以便电子束能够穿透。
样品台可以通过微动机构在三个方向上进行微小的调整，以确保样品的位置和焦距的准确度。
接下来是检测系统。
电子束经过样品后，与样品相互作用，产生信号。
检测系统用于接收这些信号，并将其转化为电子显微镜图像。
常用的检测系统有二次电子检测器和散射电子检测器。
二次电子检测器通过测量从样品表面发射出的次级电子来形成图像。
散射电子检测器则通过测量从样品中散射的电子来形成图像。
不同的检测器可以提供不同的对比度和分辨率。
最后是图像显示系统。
图像显示系统将检测到的信号转化为可见的图像，并将其显示在屏幕上。
通常，图像显示系统还可以进行图像增强、图像处理和图像分析等操作，以提高图像的质量和信息量。
总的来说，电子显微镜利用电子束代替可见光进行物体观察，通过电子源、电子束聚焦系统、样品台、检测系统和图像显示系统等部件的协同作用，能够获得高分辨率和高放大倍数的显微图像。
电子显微镜操作步骤说明书
电子显微镜操作步骤说明书简介：电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束来观察和研究物质的高分辨率显微技术。
本文将详细介绍电子显微镜的操作步骤，以帮助读者正确操作并获得准确的实验结果。
操作步骤：1. 准备工作在使用电子显微镜之前，需要进行一些准备工作。
首先，确保实验室环境干净，无尘、无污物，以确保获得清晰的显微图像。
其次，将样本制备好，确保样本表面平整、无污染，并且大小适宜，方便放置于电子显微镜观察。
2. 开机与预热将电子显微镜接通电源，确保连接无误。
然后，打开电子显微镜主机的电源开关，待其启动完成后，进行预热。
预热时间根据具体仪器而有所不同，请根据仪器使用说明书确定预热时间。
在预热过程中，可以进行一些其他准备工作，如调整目镜和物镜的位置。
3. 调整仪器参数在预热完成后，进入仪器调整阶段。
首先，调整加速电压和透射电镜电压。
加速电压决定了电子束的能量，透射电镜电压决定了样本投射到屏幕上的亮度和对比度。
根据实验要求，选择合适的加速电压和透射电镜电压。
4. 样本装载将已经准备好的样本装入样本架，并通过样本架的旋转或移动机构将样本调整到适当的位置。
确保样本安装稳固，并注意不要触碰样本的表面。
5. 调整焦距与对焦通过调整物镜的焦距和目镜的焦距，可以实现对样本的清晰观察。
首先，通过移动物镜或调整物镜焦距的方式来对焦。
然后，通过调整目镜的焦距，使样本的图像清晰可见。
在对焦过程中，可以通过透射电镜和屏幕上的图像实时观察和调整。
6. 选择增大倍率与观察根据需要，选择合适的增大倍率。
电子显微镜具有较高的放大倍率，可以观察微小的物体和细节。
在观察过程中，可以通过样本架的调整，以及调节图像亮度和对比度，来获得最佳的观察效果。
7. 实时调整参数与记录结果在观察样本的过程中，可能需要对加速电压、透射电镜电压、焦距等参数进行实时调整，以获得更好的观察效果。
同时，将观察到的结果记录下来，以备后续分析和研究使用。
空间无限分辨电子显微镜展示
空间无限分辨电子显微镜展示电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束来照射样品、通过观察和记录样品上的电子束相互作用所形成的图像，从而获得样品内部结构的仪器。
传统的电子显微镜受限于电子波的物理性质，存在分辨率有限的问题。
然而，近年来，随着科学技术的不断进步，空间无限分辨电子显微镜的研究取得了巨大的突破。
空间无限分辨电子显微镜是一种基于电子波的干涉技术的显微镜。
其工作原理是利用电子束经过样品后会因为与样品的相互作用而发生干涉，通过观察干涉图样可以得到高分辨率的图像。
与传统的电子显微镜相比，空间无限分辨电子显微镜具有更高的分辨率和更好的能量分辨率。
在空间无限分辨电子显微镜的展示中，我们可以先从其技术原理和发展历程入手。
空间无限分辨电子显微镜的跨越式发展始于2011年，当时科学家发现通过在电子束与样品之间插入透镜，可以实现对电子波的相位进行控制，从而提高分辨率。
经过多年的研究和改进，现在已经可以实现越来越高的分辨率，甚至可以达到原子级别的分辨能力。
接下来，我们可以介绍空间无限分辨电子显微镜的优势和应用领域。
由于其超高的分辨率，空间无限分辨电子显微镜在材料科学、生物科学和纳米技术等领域具有广泛的应用前景。
例如，在材料科学中，空间无限分辨电子显微镜可以用来研究材料的微观结构和材料的性能之间的关系，有助于开发新的材料和提高材料的性能。
在生物科学中，空间无限分辨电子显微镜可以用来研究细胞和生物分子的结构和功能，有助于理解生物体内部的工作原理。
在纳米技术中，空间无限分辨电子显微镜可以用来观察和操纵纳米尺度上的物质，有助于开发新的纳米材料和器件。
此外，空间无限分辨电子显微镜的展示还可以围绕相关技术和设备的介绍展开。
例如，我们可以介绍一些常用的空间无限分辨电子显微镜技术，如球面束发射电子显微镜（Spherical Aberration-Corrected Electron Microscope，简称STEM）和高角度离子束切割（Focused Ion Beam，简称FIB）技术。
3第三章电子显微镜
Figure 3. Transmission electron micrographs of hollow silica nanoshells prepared from core-shell nanoparticles.
(3) 超薄切片技术
透射电镜试样的厚度一般不能超过500Å．超薄切片技术 是为电镜观察提供极薄的切片样品的专门技术．首先将 1mmx1mm的样品包埋在与其硬度相当的环氧树脂材料 中．以便固定样品，然后在超薄切片机上切成500Å厚的 试片．由于高分子样品在室温下硬度比较小，有弹性，不 易得到薄且不变形的切片．近年，发展了冷冻超薄切片技 术．采用冷冻超薄切片机(图2.4)，可以在-1000C的低温下 切片．冷冻超簿切片的试样可不必包埋，直接用薄膜或块 状样品，在玻璃化温度以下切片．图2.5(a)、(b)是 EPDM/PP共混物及ABS的冷冻超薄切片的TEM照片．图 2.5(c)是预氧化聚丙烯氰纤维横断面的超薄切片TEM照 片．目前超薄切片是研究本体高聚物内部结构的主要方法。
为了看清楚原子,电镜必须有优于2.5 Å的原子尺寸 的分辨率和50万-100万倍的放大倍数，否则就不能 在底片上记录下原子的存在。目前200kV电镜的技 术水平已达到放大倍数100万倍，点分辨率1.9 Å， 晶格分辨率1.4 Å．目前最高水平仪器的晶格分辨率 可达0.5Å．基本可以在底片上记录下原于的存在， 清晰地反映原子在空间的排列．
图2.6（a）稀土顺-1．4-聚丁二烯 及反-1，4-聚丁二烯结晶的电子显
微镜照片
（b）稀土顺-1．4-聚丁二烯 及反-1，2-聚丁二烯共混物的电
子显微镜照片
SBS薄膜试样超薄切片的电镜照片，OsO4染色；黑色部分是聚丁二烯橡胶相， 白色部分是聚苯乙烯塑料相. a－拉伸前；b—ε=80％；c—ε=500％；d— ε=600％回复后室温放置数日，e —伸至600％回复后100℃加热2小时
电子显微镜的操作规程
电子显微镜的操作规程一、概述电子显微镜（Electron Microscope）是一种利用电子束来观察物体的微观结构和形貌的高精密仪器。
它通过利用电磁透镜对电子束进行聚焦，以及对透射电子进行衍射和成像，能够提供比传统光学显微镜更高的分辨率和放大倍数。
本操作规程旨在引导用户正确使用电子显微镜，确保获得准确、清晰的显微图像。
二、仪器准备1. 确保电子显微镜所处环境整洁、干净，远离尘埃、霉菌等污染源。
2. 检查电子显微镜的电源、冷却系统和真空系统是否正常工作，确保仪器在运行时不会出现故障。
3. 准备样品，将待观察的样品切割成适当的大小，并保证其表面光洁无尘。
三、仪器操作1. 打开电子显微镜的电源开关，并逐步启动冷却系统和真空系统，确保系统逐渐稳定运行。
2. 通过操作电子束对准样品，并校正对焦和图像亮度，确保获得清晰的图像。
3. 调整电子束的加速电压和亮度，根据样品的性质和所需观察的细节调整参数，以获得最佳成像效果。
4. 若需要对样品进行成分分析，可以启动能谱仪或电子衍射仪等附件设备，获得相应的数据。
5. 使用适当的目标物和样品支架，确保样品固定牢固，并避免影响图像质量。
6. 当观察完毕后，依次关闭附件设备、电子束以及仪器的冷却系统和真空系统。
四、安全注意事项1. 操作人员必须戴上防护眼镜和手套，确保个人安全。
2. 禁止在电子显微镜附近食用、饮水或吸烟等，并确保工作区域干燥清洁。
3. 使用仪器时，应遵守相关操作手册和安全规范，严禁未经授权或无专业知识的人员操作电子显微镜。
4. 当发现仪器异常或故障时，应立即停止使用并寻求专业技术支持。
五、仪器维护1. 定期对电子显微镜进行内部和外部的清洁，去除灰尘和污渍，以维护其正常工作状态。
2. 检查和更换电子源、透镜等关键部件，保证其性能稳定。
3. 定期校准仪器的各项参数，确保显示图像的准确度和质量。
4. 注意维护仪器的真空系统，定期排气和更换必要的零件。
六、操作规程的培训和记录1. 操作人员应经过相关培训，了解电子显微镜的操作规程和安全注意事项，并保持其熟练的操作技能。
电子显微镜揭示微观世界精彩奥秘
电子显微镜揭示微观世界精彩奥秘电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束取代光线进行成像的显微镜。
相较于传统光学显微镜，电子显微镜能够提供更高的分辨率，从而让我们能够更清晰地观察和研究微观世界的奥秘。
它已成为现代科学研究的重要工具之一，广泛应用于物理学、化学、材料科学、生物学等领域。
首先，电子显微镜能够帮助我们揭示物质的微观结构。
传统光学显微镜由于受到光的衍射极限，其分辨率一般无法超过200纳米。
然而，电子显微镜采用的是电子束而不是光线，具有更短的波长，因此能够提供更高的分辨率。
利用电子显微镜，科学家们能够观察到原子和分子的排列方式，探究不同物质的晶体结构。
其次，电子显微镜也能够揭示微生物的细节。
在生物学研究中，电子显微镜被广泛应用于研究细胞的结构和功能。
传统的光学显微镜在观察细胞时，分辨率有限，很难分辨出细胞器的细节。
而通过使用电子显微镜，科学家们能够捕捉到更高分辨率的细胞图像，观察到细胞核、线粒体、内质网等细胞器的结构和排列方式。
这不仅有助于我们进一步了解细胞的基本组成和功能，还有助于揭示细胞在生物过程中的作用。
此外，电子显微镜还可用于研究纳米材料。
纳米材料具有特殊的物理和化学特性，常用于制备新型催化剂、传感器等高性能材料。
然而，由于纳米材料尺寸极小，传统显微镜很难观察到其细节。
利用电子显微镜，研究人员可以观察到纳米颗粒的形状、晶体结构和表面形貌，帮助他们了解纳米材料的成分和性质。
这些信息对于纳米材料的设计和合成至关重要。
除此之外，电子显微镜还可以被应用于材料科学领域的缺陷分析和故障分析。
通过观察材料中的微观缺陷，比如晶界、位错等，科学家能够了解材料的物理性质和机械性能。
而对于电子器件的故障分析，电子显微镜能够帮助定位和识别故障点。
这些分析结果对于材料和设备的改进和优化具有重要意义。
综上所述，电子显微镜作为一种强大的科研工具，能够揭示微观世界的精彩奥秘。
通过提供高分辨率的图像，它帮助科学家们观察和研究物质的微观结构、细胞的组织和纳米材料的特性等。
电子显微镜在材料科学中的应用
电子显微镜在材料科学中的应用电子显微镜（electron microscope）是一种使用电子束来观察物质的微观结构和性质的仪器。
相较于传统的光学显微镜，电子显微镜通过利用电子的波动性，具有更高的分辨率和放大倍数，可以观察更小的细节。
因此，电子显微镜在材料科学领域中扮演着重要的角色，为研究人员提供了深入探究材料性质和结构的能力。
电子显微镜在材料科学中的应用广泛，涵盖了各个领域。
下面将重点介绍电子显微镜在材料科学中的三个主要应用领域：材料结构表征、物理性质分析和纳米材料研究。
首先，电子显微镜在材料结构表征方面发挥着重要作用。
通过电子显微镜的高分辨率和强大的放大倍数，研究人员可以观察到材料中微观结构的细节。
例如，在金属学中，电子显微镜可以用来观察晶体的晶粒结构、晶界和位错等缺陷。
同时，通过电子显微镜的能谱分析功能，研究人员还可以确定材料中不同元素的分布情况，从而了解材料的化学成分。
这些结构表征的结果对于深入理解材料的性质和行为至关重要。
其次，电子显微镜在材料的物理性质分析方面也发挥着重要作用。
电子显微镜可以通过观察材料的形貌、尺寸和成分变化来研究材料的磁性、电性和光学性质等。
例如，在磁性材料研究中，电子显微镜可以用来观察磁性颗粒的磁畴结构，从而了解磁性材料的磁性行为。
在光学材料研究中，电子显微镜可以用来观察材料的折射率、散射特性和表面形貌等，从而为光学材料的设计和优化提供重要的信息。
最后，电子显微镜在纳米材料研究方面也发挥着重要作用。
纳米材料是一种尺寸在纳米级别的新型材料，具有许多独特的性质和应用。
电子显微镜的高放大倍数使得研究人员可以观察到纳米材料的微观结构和形貌，从而研究材料的尺寸效应、界面效应和量子效应等现象。
电子显微镜还可以用于纳米材料的成分分析和元素映像，以了解纳米材料的化学成分和元素分布情况。
这些研究对于开发和应用纳米材料在能源、电子器件和生物医学领域中具有重要意义。
总结起来，电子显微镜在材料科学领域中的应用广泛，包括材料结构表征、物理性质分析和纳米材料研究。
电子显微镜使用方法说明书
电子显微镜使用方法说明书一、简介电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束来观察样品细微结构的强大工具。
相比传统光学显微镜，电子显微镜具有更高的放大倍数和更好的分辨率。
本说明书旨在介绍电子显微镜的使用方法，包括仪器的操作流程、样品的制备及观察技巧等。
二、仪器操作步骤1. 准备工作在使用电子显微镜之前，确保仪器已经接通电源并处于稳定的工作状态。
检查真空系统是否正常运行，以确保样品在低压环境中观察。
2. 打开电子显微镜软件将电子显微镜软件（如FEI Amira）打开，并通过USB或网络连接与显微镜主机进行链接。
3. 加载样品将待观察的样品放置在样品台上，并固定好。
根据样品的特性以及观察目的，可进行一些必要的预处理，如切片、腐蚀、染色等。
4. 调整参数根据样品的特性及所需观察的细节，适当调整电子束的加速电压、束流强度以及焦点等参数。
通过直接调整软件界面上的相应滑块或输入框来实现。
5. 对焦和定位利用显微镜软件中的对焦功能，通过调节样品台的高度和微调焦距来使样品清晰可见。
此外，通过在显微镜软件中的光学影像观察界面，可对样品在显微镜视野中的位置进行微调。
6. 观察和记录在样品清晰可见且位于所需位置后，可以开始观察并获取所需图像。
可以通过调整对比度、亮度、缩放等参数来优化图像质量。
同时，可以通过显微镜软件进行图像的实时保存和记录。
三、样品制备技巧1. 样品选择根据所需观察的目的，选择与其性质和尺寸相适应的样品。
常见的样品包括金属、细菌、细胞、纤维等。
2. 样品固定根据样品的特性，采用合适的固定方法，例如冰冻法、固定液固定法等。
确保样品在固定过程中不会失去结构和形态。
3. 制备薄切片对于较大的样品，需要进行薄切片制备。
使用合适的切片工具，如超薄切片机，将样品切割成足够薄的切片，以便电子束穿透。
4. 表面处理对于某些样品，如纤维或材料表面，可能需要进行特殊的处理。
例如，可以采用金属镀膜技术来提高样品的导电性。
电子显微镜工作原理
电子显微镜工作原理电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种先进的显微镜技术，使用高能电子束来替代光束，能够提供比光学显微镜更高的分辨率和放大倍数。
在本文中，将详细介绍电子显微镜的工作原理。
一、电子束的发射和聚焦电子显微镜的工作起始于电子束的产生。
通常，电子源是通过热发射来获得的，即通过加热一个金属丝（如钨丝）来使其电子从表面发射。
这些发射的电子经过聚焦系统，包括电子透镜和磁铁，来形成一个聚焦的电子束。
聚焦系统的作用是将电子束聚集到极小的尺寸，并确保其直线传播，以提供高分辨率的成像能力。
二、样品的准备和扫描在电子显微镜中，样品通常需要进行一系列的准备工作。
首先，样品需要被切割成非常薄的片，以确保电子束可以穿透样品。
然后，样品通常被涂覆上一层金属薄膜，以增加电子的反射和散射效果，从而提高成像质量。
一旦样品准备就绪，电子束将被聚焦在样品表面上。
电子束在扫描时，通过扫描线圈产生的磁场来控制其运动。
扫描电子显微镜通过逐点地扫描样品表面并收集电子的散射和反射信号来形成图像。
三、电子显微镜中的检测和成像在传统光学显微镜中，通过收集光的反射或透射信号来形成图像。
而在电子显微镜中，电子的散射和反射信号将被收集和检测。
主要有两种类型的电子检测器被广泛使用。
第一种是所谓的透射电子检测器（Transmission Electron Detector），它位于样品背面，用于检测由样品通过的电子。
该检测器可以提供高分辨率的透射电子图像。
第二种是所谓的散射电子检测器（Scanning Electron Detector），它位于样品上方，用于检测由样品表面散射的电子。
该检测器可以提供高解析度的表面图像。
根据所需的成像模式，透射电子显微镜和扫描电子显微镜可以产生不同类型的图像。
透射电子显微镜可以提供高分辨率的细节图像，适用于研究材料的内部结构。
而扫描电子显微镜则可以提供高放大倍数的表面图像，适用于观察材料的表面特征。
电子显微镜原理
电子显微镜原理电子显微镜（Electron Microscope）是一种用电子束来观察样品的显微镜。
相比光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和放大倍数，能够观察更小、更细微的结构。
一、基本原理电子显微镜的基本原理是利用电子的波粒二象性。
与可见光不同，电子具有波长较短的特点，因此电子显微镜可以观察到更小的细节。
电子显微镜主要由电子枪、电磁透镜系统、样品台和检测器组成。
首先，电子枪通过加热阴极产生高速电子。
然后，这些电子被加速电场加速，形成电子束，通过电磁透镜系统聚焦到样品上。
样品与电子束相互作用后，产生一系列的相干和不相干散射电子。
最后，这些散射电子被检测器收集，转化为图像。
二、扫描电子显微镜（SEM）原理扫描电子显微镜是电子显微镜的一种类型，它通过扫描电子束并检测反射电子来生成高分辨率的表面形貌图像。
在扫描电子显微镜中，电子束被聚焦到非常细小的尺寸，并沿预定的方式在样品表面扫描。
当电子束照射到样品表面时，样品会产生一系列的反射电子。
这些反射电子被检测器捕捉，经过信号处理后形成图像。
三、透射电子显微镜（TEM）原理透射电子显微镜是另一种常见的电子显微镜类型，它通过透射电子来观察样品的内部结构。
在透射电子显微镜中，电子束经过极细的样品切片后射向检测器。
透射过程中，电子束会被样品内部的原子和晶格结构散射，形成干涉和衍射效应。
通过收集和处理经过样品透射的电子，最终形成高分辨率的内部结构图像。
四、电子显微镜的应用电子显微镜在科学研究、医学诊断、材料分析等领域有广泛的应用。
在材料科学中，电子显微镜可以观察材料的晶体结构、表面形貌和化学成分，帮助科学家研究材料性质和改进材料性能。
在生物学中，电子显微镜可以观察细胞和病毒的内部结构，揭示生物体的微观细节，对疾病的诊断和治疗提供重要依据。
在纳米科技领域，电子显微镜可以帮助科学家观察纳米材料的形貌和性质，探索纳米尺度下的奇特现象和新领域。
总结起来，电子显微镜利用电子的波粒二象性，通过聚焦、扫描和检测等技术，实现对样品的高分辨率观测。
扫描 电子显微镜
扫描电子显微镜
电子显微镜（electron microscope）是一种先进的显微透视仪器，它可以拍
摄出由原子尺度的材料和机制形成的细微结构及其交互作用。
它采用一种独特的电子束来捕捉样品细微结构的图像，拥有微观和宏观尺度双向放大和查看样品细微结构的能力，使得专家可以更清楚地解释其形成机制和性质特征。
电子显微镜首次发明于1931年，由日本物理学家三岛征克爵士及其团队发明，其中的核心原理是利用电子的波——称为波的功，将电子准备。
他发明的这种器件就叫做电子显微镜，它可以放大千万倍，可以用来研究小又小的物质结构，是现代科学发展的重要组成部分。
电子显微镜通常分为扫描电子显微镜和透射电子显微镜两种，根据不同类型的
电子束，可以分为模块变型电子显微镜，抽运电子显微镜。
而扫描电子显微镜是最常见，也是最有效的一种，它采用的转换原理是由计算机通过控制调节装置，调节平行的电子束的振幅和频率，来对样品放大和查看细微结构，具有速度高，成像精度高等特点，为原子尺度的研究提供了重要机会。
电子显微镜不仅可以用来查看样品的细微结构，还可以用来进行物理、化学分析，从而可以更加细致地研究材料结构变化和成分变化，神经影像学研究等，可以说这一仪器展现了科技发展的迅猛脚步和迈出的重要一步，完全改变了我们对细微结构的观测和分析。
更重要的是，它为科学家更清楚地了解样品的特性，带来了无穷的发展潜力。
电子显微镜的使用流程
电子显微镜的使用流程概述电子显微镜（Electron Microscope）是一种利用电子束来观察物质微观结构和进行材料分析的高分辨率仪器。
本文介绍了使用电子显微镜的基本流程。
步骤1.准备样品–选择合适的样品进行观察，并确保样品表面光洁无杂质。
–若需要观察液态样品，需要使用特殊的样品室或者薄膜技术进行样品制备。
2.打开显微镜–确保电子显微镜连接正常，与电源供应充分接触。
–打开显微镜电源开关，待显微镜启动完成。
3.调节放大倍数–根据观察需求，调节电子显微镜的放大倍数。
–通常，较低的放大倍数适合初步观察，而较高的放大倍数则适合详细分析。
4.调节对比度和亮度–调节电子显微镜的对比度和亮度，以获得清晰的图像。
–对于不同类型的样品，可能需要相应的对比度和亮度设置。
5.定位样品–将样品放入电子显微镜的样品台上。
–通过样品台的移动控制，调整样品的位置，使其能够被电子束准确扫描。
6.调整聚焦–使用电子显微镜的聚焦控制，调整焦距，以在样品表面产生清晰的图像。
–根据观察需求，适当调整焦距，以显示所需的细节和清晰度。
7.开始观察–当样品位置和焦距调整完毕后，可以开始观察。
–注意观察时的仪器振动、光照和温度等因素，以确保观察结果可靠。
8.调整参数–在观察过程中，根据需要，可以调整电子显微镜的参数，如对比度、亮度、放大倍数等。
–这些参数的调整可以进一步提高观察的准确性和详细度。
9.记录观察结果–使用适当的记录方法，记录电子显微镜的观察结果。
–可以使用文字描述、绘图或者拍摄照片等方式进行记录。
10.关闭显微镜–在使用完毕后，关闭电子显微镜。
–确保样品台上没有残留的样品。
–清除电子显微镜周围的杂物，并保持整洁。
注意事项•在操作电子显微镜之前，应详细阅读显微镜的使用手册，并按照要求操作。
•使用电子显微镜时，应注意个人安全，避免对眼睛和皮肤造成伤害。
•尽量避免样品中的尘埃、杂质等对观察结果的影响，有需要的话可以进行样品清洁处理。
二维材料表征手段
二维材料表征手段二维材料是指晶体结构只有两个原子层厚度的材料。
由于其独特的电子性质和表面效应，二维材料具有许多独特的性质和应用潜力。
为了深入理解和正确表征二维材料的性质，科学家们开发了许多有效的表征手段。
以下是几种常用的二维材料表征手段。
1. X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）：X射线衍射是一种常用的结构表征手段，可用于确定二维材料的晶体结构、晶格参数和取向。
利用X射线与材料相互作用的原理，可以通过衍射峰的位置和强度来确定材料的结晶性、晶格常数和取向程度。
2. 透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）：TEM是一种高分辨率的显微镜技术，可用于观察二维材料的立体结构、晶格形貌和缺陷情况。
通过透射电子束与材料相互作用，可以获取高分辨率的二维材料图像，并可通过选择区域电子衍射（selected area electron diffraction，SAED）技术来确定晶格取向和晶格常数。
3. 扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM）：SEM是一种表面形貌观察技术，通过扫描电子束与样品相互作用，形成二维材料的表面形貌图像。
SEM可以提供二维材料的表面形貌、粒径和形貌特征等信息。
4. 原子力显微镜（Atomic force microscopy，AFM）：AFM是一种用于观察材料表面形貌和测量表面力学性质的技术。
AFM利用在探针和样品之间的相互作用力来生成高分辨率的表面拓扑图像。
对于二维材料，AFM可以提供单层厚度的高分辨率形貌图像。
5. 光谱学技术：光谱学是研究材料光学性质的重要手段。
对于二维材料，常用的光谱学技术包括紫外可见吸收光谱（UV-Vis absorption spectroscopy）、拉曼光谱（Raman spectroscopy），以及原子间力显微镜（Atomic force microscope，AFM）。
电子显微镜技术的最新研究进展
电子显微镜技术的最新研究进展电子显微镜（electron microscopy）是指利用电子束来观察和研究物质结构的一种技术。
相比于传统的光学显微镜，电子显微镜具有更高的分辨率和更好的深度信息，可以观察到更细小的结构和更详细的形态，是材料科学、生命科学、物理学等领域重要的研究工具之一。
随着技术的不断进步和应用的广泛拓展，电子显微镜技术也在不断地发展和完善，下面将介绍一些电子显微镜技术的最新研究进展。
一、高分辨率透射电子显微镜高分辨率透射电子显微镜（high resolution transmission electron microscopy，HRTEM）是指分辨率高于传统透射电子显微镜的一种电子显微镜技术。
HRTEM可以观察到物质结构的纳米级别细节，并且可以进行原子级别的成像，非常适用于材料科学领域的研究。
近年来，HRTEM在应用领域上也有了新的拓展，如可视化金属分子团簇的组装过程、研究生物大分子的内部结构等。
此外，HRTEM还可以与其他技术相结合，如如光散射、扫描透射电子显微镜等，实现更加细致的分析。
二、三维电子显微镜三维电子显微镜（3D electron microscopy）是指在电子显微镜中利用一系列二维图像重建物体的三维结构的一种技术。
传统的透射电子显微镜只能获得物质的一个截面图像，无法揭示物体的全貌和三维结构。
而3D电子显微镜则可以通过自动拍摄不同角度的二维图像，并以此重建出物体的三维形态。
3D电子显微镜的应用领域非常广泛，如生物医药、材料科学、纳米科学等领域，尤其在生物医药研究领域，3D电子显微镜可以用来研究蛋白质复合物和病毒的结构、深入理解细胞的功能与构造等。
三、电子显微镜样品准备技术电子显微镜的样品制备技术一直是制约电子显微镜技术应用广泛的一个瓶颈问题，因为样品要求高纯度、高质量、高稳定性等多种条件，一般需要进行复杂的前期处理工作。
随着电子显微镜技术的发展和不断的实际应用，对电子显微镜样品准备工作的研究也逐渐加强。
电子显微镜（electronmicroscope）-中国显微图像网
电子显微镜（electron microscope）电子显微镜（electron microscope），简称电镜，是使用电子来展示物件的内部或表面的显微镜。
高速的电子的波长比可见光的波长短（波粒二象性），而显微镜的分辨率受其使用的波长的限制，因此电子显微镜的分辨率（约0.1纳米）远高于光学显微镜的分辨率（约200纳米）。
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。
扫描探针显微镜以其分辨率极高（原子级分辨率）、实时、实空间、原位成像，对样品无特殊要求（不受其导电性、干燥度、形状、硬度、纯度等限制）、可在大气、常温环境甚至是溶液中成像、同时具备纳米操纵及加工功能、系统及配套相对简单、廉价等优点，广泛应用于纳米科技、材料科学、物理、化学和生命科学等领域，并取得许多重要成果。
SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：首先，SPM具有极高的分辨率。
它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。
其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。
而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。
也就是说，SPM 是真正看到了原子。
再次，SPM的使用环境宽松。
电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。
而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。
电子显微镜
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。 样品架 样品可以稳定地放在样品架上。此外往往还有可以用来改变样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。 探测器 用来收集电子的信号或次级信号。 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。 电源柜 由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。
目录
定义
组成
种类概述
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
用途
历史
成像原理
样本处理
优缺点
与光学显微镜定义
组成
种类 概述
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
用途
历史
成像原理
样本处理
优缺点
与光学显微镜展开
电子显微镜
电子显微镜，简称电镜，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nning electron microscope）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。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。 扫描式电子显微镜的电子枪和聚光镜与透射式电子显微镜的大致相同，但是为了使电子束更细，在聚光镜下又增加了物镜和消像散器，在物镜内部还装有两组互相垂直的扫描线圈。物镜下面的样品室内装有可以移动、转动和倾斜的样品台。 场发射扫描电子显微镜（FESEM）是一种比较简单的扫描电子显微镜，它观察样本上因强电场导致的场发射所散发出来的电子。 假如观察的是透过样本的扫描电子的话，那么这种显微镜被称为扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）。
电子显微镜工作原理
电子显微镜工作原理电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种利用电子束代替光束进行成像的强大的显微观察仪器。
与光学显微镜相比，电子显微镜具有更高的分辨率和更大的放大倍数，可以观察更小尺寸的物体并提供更详细的结构信息。
一、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）的工作原理：扫描电子显微镜主要由电子光源、电子透镜、样品台和检测器等组成。
其工作原理如下：1. 电子光源产生电子束：扫描电子显微镜使用热阴极或场发射阴极作为电子光源，通过加热或电场激发，在真空中产生高能的电子束。
2. 电子透镜对电子束进行聚焦：电子束通过一系列电磁透镜，包括透镜和磁透镜，使电子束聚焦成细且集中的束流。
3. 样品表面的电子信号检测：电子束照射到样品表面后，与样品原子和分子发生相互作用，产生多种信号，包括二次电子、反射电子、透射电子、俄歇电子等。
其中，二次电子信号是最常用的检测信号。
4. 信号的收集和放大：检测器收集样品表面反射的电子信号，并将其转换为电信号。
经过放大和处理后，可以得到样品表面的形貌和成分信息。
二、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）的工作原理：透射电子显微镜是一种通过样品的透射电子进行成像的显微镜，适用于观察非导电材料的细节结构。
其工作原理如下：1. 电子光源产生高速电子束：TEM使用高能电子束作为照射光源，通过电子枪产生电子束，并通过聚焦透镜将电子束聚焦到极小尺寸。
2. 透射电子与样品相互作用：电子束穿过样品，与样品内部原子和分子发生相互作用，发生散射和吸收。
3. 透射电子的成像：样品上的散射电子经过一系列透射器件进行聚焦和透射，最终形成衍射图像。
这些图像可以提供样品的形貌、结构和晶体学信息。
4. 检测和成像：衍射图像通过检测器接收，并经过处理和放大，最终形成样品的原子级图像。
结语：电子显微镜作为现代科学研究中不可或缺的工具，通过照射和探测物质中的电子信号，能够提供高分辨率和高放大倍数的显微观察效果。
电子显微镜操作说明书
电子显微镜操作说明书一、前言电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）是一种基于电子束的显微镜，具有高分辨率和放大倍数高的特点，广泛应用于材料科学、生物学、医学等领域。
本操作说明书将详细介绍如何正确操作电子显微镜，以获得高质量的显微图像。
二、安全注意事项1. 在接触电子显微镜之前，请确保已了解并掌握相关安全知识，并穿戴好适当的实验室安全装备。
2. 在使用电子显微镜时，务必关注高压电源和真空系统的安全性，切勿私自拆卸或修理设备。
3. 在打开试样室前，先确认电子束已完全关闭，确保操作区域安全。
4. 使用过程中要轻拿轻放，避免碰撞和摔落。
5. 操作完毕后，及时关闭电源，并进行周全的清洁和维护工作。
三、操作步骤1. 打开电子显微镜的电源开关，并等待设备启动。
2. 检查真空系统的正常运行情况，确保真空度符合要求。
3. 将待观察的样品制备成超薄切片，并将切片安装在样品台上。
4. 将样品台插入样品室，并确保台盘处于水平位置。
5. 调整显微镜的亮度和对比度，以获得清晰的图像。
6. 使用电子束透射模式或扫描模式进行观察，根据需要选择合适的倍率进行放大。
7. 调整聚焦和屏幕对中，以确保图像清晰且位于屏幕中央。
8. 如果需要采集图像或进行存储，可使用相机或计算机连接设备进行操作。
9. 操作完成后，关闭电源开关，进行设备的清洁和维护。
四、注意事项1. 在操作过程中，应避免频繁更换样品或调整参数，以保证稳定的观察结果。
2. 根据样品的性质和需要，选择合适的工作模式和参数进行操作。
3. 在观察前，应先了解样品的特点和要求，合理设置显微镜的参数。
4. 如果发现设备故障或异常情况，应及时停止操作，并联系维修人员处理。
5. 日常维护包括定期清洁设备表面、更换零部件和保养真空系统等工作，确保设备的正常运行。
五、结语本操作说明书旨在帮助用户正确操作电子显微镜，以获得高质量的显微图像。
在使用设备前，请认真阅读并理解本手册的内容，并按照指引进行操作。
电子显微镜观察微观世界的窗口
电子显微镜观察微观世界的窗口电子显微镜（Electron Microscope）是一种现代科学研究中常用的工具，它通过使用电子束来观察微观世界的细节。
相比传统的光学显微镜，电子显微镜具有更好的分辨率和放大倍数，可以帮助科学家们更深入地探索微观世界的奥秘。
一、电子显微镜的原理电子显微镜利用电子的波动特性和电磁透镜的作用原理来观察微观结构。
它主要由电子源、准直系统、物镜和检测器等部分组成。
1. 电子源：电子显微镜中的电子源通常采用热阴极发射电子的方式。
热阴极被加热至高温，从而产生大量的自由电子。
2. 准直系统：准直系统主要包括电子束准直器和准直透镜。
它们的作用是使电子束尽可能地垂直并集中在一个小的空间范围内。
3. 物镜：物镜是电子显微镜中的关键部件，它通过电磁透镜的作用使电子束汇聚到样本上，并将样本上的反射电子或散射电子聚焦到检测器上。
4. 检测器：检测器主要用于接收经物镜聚焦后的电子，并将其转化为图像显示出来。
常见的检测器包括荧光屏、CCD相机等。
二、电子显微镜的优势与传统的光学显微镜相比，电子显微镜具有以下优势：1. 更高的分辨率：由于电子的波长比光子小得多，电子显微镜的分辨率更高。
这意味着我们可以更清晰地观察微观结构，甚至可以看到原子的排列。
2. 更大的放大倍数：电子显微镜可以提供更大的放大倍数，使得微观结构的细节更加明显。
科学家们可以通过电子显微镜观察到一些无法用光学显微镜看到的微小结构。
3. 能够观察非导电材料：光学显微镜需要样本具有一定的导电性，而电子显微镜可以观察非导电材料。
这使得科学家们能够更好地研究生物样本、纳米材料等。
三、电子显微镜在科学研究中的应用电子显微镜在科学研究中有着广泛的应用，包括以下几个方面：1. 材料科学：电子显微镜可以帮助科学家们观察材料的晶体结构、表面形貌等，从而研究材料的性能和特性。
这对于新材料的研究和应用具有重要意义。
2. 生物科学：电子显微镜在生物科学中扮演着至关重要的角色。
电子显微镜的成像原理
电子显微镜的成像原理电子显微镜（electron microscopy）是指利用电子束代替光线来成像，以超高的分辨率观察物体内部的微小结构的一种高级显微镜。
与传统的光学显微镜相比，电子显微镜可以放大物体的细节高达1000倍以上，甚至可以观察到比原子还要小的结构，因此在材料科学、生物学、物理学等领域得到了广泛应用。
电子显微镜的成像原理是基于电子在物体上与原子核和电子云之间的作用。
其成像原理可以分为三个方面：电子源、透镜系统以及探测器。
一、电子源电子源是电子显微镜的核心之一，电子束的发射及其稳定性、聚焦度等关键参数的好坏直接影响着成像的质量。
电子源的作用是产生大量高能电子，起到“照亮”被观察样品的作用。
现代电子显微镜的电子源主要有热阴极和场发射电子枪。
热阴极电子源是指将电子枪内电子束打在热阴极上，来激发其产生大量高速电子，其优点是产生大量的电子，但是易受到环境的干扰而导致电子束的不稳定；场发射电子枪则是在金属尖端施加高压电场，在锯齿形的极点上集中电场，最终形成强力电子束，其优点是电子束更加稳定，能够产生更小的束斑，从而产生更高的分辨率。
二、透镜系统透镜系统是影响电子束成像分辨率和样品深度分辨率的关键因素。
透镜系统的作用是聚集和控制电子束，将电子束聚焦到极小的束斑点上，其数量和质量直接决定了电子显微镜能够得到的最高分辨率。
在电子显微镜中，透镜的种类主要有三种：电子磁场透镜、阴极透镜和热电子隔离器。
电子磁场透镜是基于磁场对电子束的影响而设计的一种透镜系统。
其原理是利用磁场对电子束进行聚焦，被聚焦的电子束通过样品后被焦散，从而形成图像。
阴极透镜和热电子隔离器则是通过改变电子管的极性、电压和电流大小等参数来调控电子束的聚焦度和数量，从而实现样品成像。
三、探测器探测器是电子显微镜接收电子束的部件，起到将电子透过样品后传出的信号转换成图像的作用。
探测器的作用是将样品的信号转换成可视的图像，其种类主要有漏极探测器、二级电子探测器、四极探测器和能量分散X射线谱仪等。
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Biophysical MethodsPart 3: Electron MicroscopyWS 03/04I Size of the PSF (FWHM):NAn 37.0)r (FWHM λ=2)NA (n 28.1)z (FWHM λ=z/r = 3.5 n/NA Limited resolution in light microscopyFor confocal microscopy:Biological structures that can be resolved:Eukaryotic cells, nucleus, large membrane stacks (ER, Golgi) Biological structures below the resolution limit:Many bacteria, viruses, secretory vesicles, membrane rafts, moleculesλ= 400-700 nmn = 1.33-1.45NA = 1.2-1.4r min = 0.2 µm Idea: decrease λfurther by x-ray or electron microscopy to achieve better resolutionR = 0.61 λ/NAHistoric Milestones of Electron Microscopy•1873 Abbe and Helmholtz independently show that resolution depends on the wavelength of the energy source •1897 Thompson describes negatively charged particles that are later termed “electrons” (e -)•1924 De Broglie (1929 Nobel laureate) demonstrates that e -have properties of waves •1926 Busch shows that the path of an e -can be deflected by magnetic lenses •1932 Knoll and Ruska develop first EM in Berlin •1938 Von Ardenne builds first functional SEM •1939Siemens releases first commercial EM •1942 Zworykin makes improvements in SEM design (resolution 50 nm)•1948 Oatley (Cambridge Univ.) builds SEM with greatly improved resolution •Since then: continuous improvements in both resolution and convenience, Resolution is now 0.2 -0.3 nm for TEM, 10 nm for SEMMagnification is up to 1 Mio x Properties of the electronDiscrete particle with negative charge 19106.1−⋅−Ckg and a particle mass of m 0= 31101.9−⋅Wave-packets with wavelengthDe Broglie relationshipp h v m h =⋅=λ22c v 1m m −=Where h:Planck constanterg sm:electron massv:electron speed Wave-like properties are only apparent at high electron speeds, close to the speed of light c = m/s 8103⋅relativistic correction of electron mass Electrons can be accelerated to close to c by high electric fields2mv U e 2=⋅V /U 23.1=λ27106.6−⋅nm U: accelerating voltage 8103.2⋅v =m/s for 300 kVElectrons in magnetic fields If electrons move with speed v in magnetic fields B, the so-called Lorentz force is exerted)B v (q F Lorentz ×⋅=Vector product vB For )B v (q F Lorentz ⋅⋅=x y z v B For trajectory of electron in magnetic field is helicalThe Lorentz force induces a change in directionRadius r of circular trajectory on which e -is forced:r mv F 2r =B v mv F mv r 2Lorentz 2×==with lI n B r 0⋅µµ=µ: magnetic constant n:number of loops in coil l:length of coilI: current through coilForce and curvature of electrontrajectrory can be regulated bycurrent through electromagnetic coil TEM: Transmission Electron MicroscopyPrinciple is similar to slideprojectors:Very thin (0.5 mm) samples aretraversed by accelerated freeelectrons and thereby magnifiedCore piece: evacuated (10-3 Pa)microscope column of ca. 1 mlength, where a ray of e-isdeflected by lenses and apertures,and finally imaged on afluorescence screenCondensor –illuminationObjective –forms intermediateimageProjective –projects image onscreenResolution of subcellular structuresby TEMElectromagnetic lensesFor electron microscopy, homogeneous magnetic fields are undesired, because they only allow images of the same size as the object.-> Analogon to light optical convex lenses are rotation symmetric, inhomogeneous magnetic fieldsSimple electromagnetic coils aretermed …solenoids“Center of the lens to convergingpoints of e-: focal length of the lensSingle electron passing throughanelectromagnetic lens. The electron is forced by the field tofollow a helical trajectory that convergesat a defined point after it emerges fromthe lens.Focussing of electron rayFocal length f of electromag. lens:2I U const f ⋅=U:accelerating voltage I:current through coil Increase speed (U, v)Increase current (I)Increased fDecreased fAs accelerating voltage is increased, e -pass morerapidly through coil Lens defectsAstigmatism : when a lens field is not symmetric in strength, but stronger in one plane (N-S) than in the other (E-W)LensChromatic aberration : when rays of different energies converge at different focal planes Opposite to light optical lens : shorter λ end up at longer focal lengthsBut same effect: enlargement of focal point -> loss of resolutionCan be corrected by using monochromatic e -source-stabilize acelerating voltage-sustain good vacuum conditions to avoid energy loss-work with thin specimens (less varied energy levels)Spherical aberrations:rays passing through periphery are refracted more than close to axis Can be corrected by using apertures, but: lower resolutionRelationship between resolution and aperture angle:3res f const d α⋅⋅=αMagnification and ResolutionThere are at least 3 magnifying lenses in the EM:-Objective Lens (M o)-Intermediate Lens (M i)-Projector Lens (M p)Total Magnification M tot = M o M i M pMagnification of all lenses can be continuously changed, but objective is held mostly constant at ca. 50x to 100xUseful magnification = Resolution of human eyeResolution of microscopeM r mm 2.0=Light microscope: r M = 0.2 µmMagnification up to 1000 x Electron microscope:r M = 0.2 nm Magnification up to 1000.000 xLimited only by illumination intensity, 250.000 fold no problem for EM Electron GunStandard filament cathode: V-shaped tungsten wire, ca. 100µm (human hair)Entice the loosely bound valence e -by-applying high voltage (50-100 kV) to the filament-heating the metal by running small DC current through filament -operating vacuum around filamentAmount of energy required to emit e -is called the work function of the metal Tungsten has excellent e -yield just below ist melting point of 3.653°KFilament lifetime TemperatureElectron yield2600 K Emission of e-is isotropic (in all directions)-> e -have to be guided by Wehnelt cylinder-> has to be more negative than wire-> surrounds the e-with repulsive field whichthey can leave through 2-3 nm aperture-> then drawn to accelerating anodeElectron Gun•Heat filament(negative cathode) toproduce electrons.•Electrons accelerated by positive anodepotential.•Wehnelt Cap (-500 V) repels electronstoward optical axis.•Electrons collect in space betweenfilament tip and Wehnelt Cap (spacecharge).•Electrons nearest to anode exit gunthrough small (<1 mm) hole in WehneltCap•Electron beam has following properties:point source (space charge), similarenergies (monochromatic), and parallelto optic axis.How to obtain high contrast in TEM1)Increase focal length of objective, but:-> narrower aperture angles-> worsened chromatic aberration-> lower resolution•Use lower accelerating voltagesLower energy e-are mor readily affected by differences inspecimen density and thickness3)Use smaller objective apertures4)Treat specimens accordinglyHow to obtain high contrast in TEM1)Shortest possible focal length of objective•Adjust gun for higher accelerating voltages3)Use larger objective lens apertures4)Treat specimens accordinglySEM –Scanning Electron Microscopy Even though lenses arecontructed similarly to TEM,they do NOT form an imageaccording to standard opticalprinciplesLenses are used to form afocused spot of e–that isscanned over the surface of anelectrically conductive surfaceAs e-strike the specimen, theygive rise to a variety of signals,including low energy secondarye-from uppermost layerRecorded by a fluorescentscreen, brightness proportionalto number of generated e-SEM Optics •Electron gun produces beam ofmonochromatic electrons.•First condenser lens forms beam andlimits current ("coarse knob").•Condenser aperture eliminates high-angle electrons.•Second condenser lens forms thinner,coherent beam ("fine knob" ).•Objective aperture (usu. user-selectable) further eliminates high-angle electrons from beam.•Beam "scanned" by deflection coils toform image.•Final objective lens focuses beam ontospecimen.•Beam interacts with sample andoutgoing electrons are detected.•Detector counts electrons at givenlocation and displays intensity.•Process repeated until scan is finished(usu. 30 frames/sec).Advantages of the SEM •Long depth of focus -3D effect•Large specimen size•Simpler column design•Simple and rapid specimen preparation•Large range of magnification: 3X -150,000XLimitations of SEM•Less resolution than TEM•High vacuum environment for specimen•Metal coating of specimen•Only surface of specimen can be viewedLens components of the SEMUsually 2-3 condensor lensesFirst two lenses: short focal length L1 causes wide divergence of e--> not all e-enter second lens L2-> increased resolution leads to greater loss (brightness/contrast trade-off)Third Lens: strongest lens in the SEM; final demagnification of the focused spot Fine-tuning of spot size without further loss of e --> focussing of image seen on the monitorChange of magnification: M =Length displayed on screenLength scanned on specimenDual magnification mode: permits the simultaneous viewing of two different magnifications on a single screen split in two areasStigmator: device that is used to control distortion in the roundness of the spotconsists of 6-8 small el.magn. Coils inside lens bore of the final condensorResolution of the SEMMaximum spot size =100 µm MagnificationSpot size on monitorElectron-Specimen InteractionsCathodaluminescence Secondary e –Backscattered e –Incident e –Auger e –X-rays Elastically Scattered e –Inelastically Scattered e –Unscattered e –•Caused by incident electron passing "near" sample atom and ionizing an electron (inelastic process). •Ionized electron leaves sample with very small kinetic energy (5-10 eV) and is called "secondary electron ".(Each incident electron can produce several secondary electrons.)•Production of secondary electrons is topography related. Only secondary e -near surface (<10 nm) exit sample.•Can be collected by placing positive voltage of 100-500V on the detector.•By collecting 50-100% of secondary electrons, 3D image can be produced.FEWER secondary e –escapeMORE secondary e –escapeSecondary ElectronsEnergy of electrons in focused scanning beam is 15-25 keVDetection of Secondary ElectronsPhotonsPhotocathode emits electronsMultiplication of electronsGrid 100-500 V1.Electrons are attracted to Faraday cage maintained at +300 V that surrounds the detector.2.They are then attracted to scintillator at Al-coated end of detector by bias of ~10kV. Scintillator is doped plastic or glass covered with fluorescent material (e.g. Europium).3.e -strike with such impact that a burst of photons is released4.Photons are converted into electrons by photocathode.5.pon striking dynodes more electrons are produced.6.An output electron pulse is detected.ScintillatorScintillator/PhotomultiplierBackscattered Electrons•Caused by incident electron colliding with sample atom nucleus and scattering "backward"180 degrees (“elastic” process). •Production of backscattered electrons varies with atomic number .•Higher atomic number elements appear brighter (or scatter more effectively) than lower atomic number elements (remember simple collisions!).•Resulting image shows elemental contrast . Backscattered electrons possess high energy and therefore cannot be attracted by potential, like secondary electrons, since the potential will also affect incident beam. Surface Barrier Detector is made up of semiconducting materials. A semiconduting material has a filled valence band and an empty conduction band.When electron strikes the detector, electrons rise from valence to conduction band.In potential e-can be separated and collected. Measured current proportional to number of backscattered electronsπλ=σ3/42el Z Scattering cross-sectionSEM Image ContrastSecondary e–Backscattered e–Fungal hyphae with Ag preferentially deposited at polysaccharides •Secondary electrons indicate sample topography, whereas backscattered electrons indicate sample composition.Scheme and …real“ microscopeAnalytical Electron MicroscopyScope: to identify or chracterize the chemical nature of components of biological samples Auger e -: special type of low energy e-that carry information about chemical nature of surface Cathodoluminescence: energy of impinging e-is converted into visible light(relatively few naturally occurring biomolecules are c.luminescent)Both not really used in the biosciencesFrequently used signals:-Characteristic x-rays-Inelastically scattered transmitted e-Analyzed by x-ray analyzers and Energy loss spectrometersSTEM: most versatile analytical instrumentsystematically scan fine probe beam, while still being able to obtain diffraction patternsmost often equipped with an x-ray analyzerContinuum and characteristic x-raysContinuum x-rays (…Bremsstrahlung“): where e --Beam is passing close to field of the nucleus, x-rays are releasedIntensity depends on how close the e-come to the nucleusInelastically scattered e-Characteristic x-rays (more useful): when inner shell e-are ejected, atom is temporarily ionized. Then higher shell (higher energy) e-fills the gap and releases discrete excess energy IntensityEnergy EnergyIntensityZ 1Z 2Z 3continuumdiscrete Energy is detected by means of an electron spectrometerSpecimen preparation for TEMProcess begins with living hydrated tissue and ends with a water-free sample that is fixed in a static state in a plastic resin matrix Steps:1)Fixation: cross-linking of proteins and cellular substructures2)Washing in buffer to remove fixatives 3)Dehydration: remove water from washing steps4)Infiltration of resin 5)Embedding in Resin 6)Curing7)Sectioning (microtomy)8)Mounting on sample holder 9)Insert into EMFixationFixation is a very tricky process, most crucial step in sample preparation.Purpose:preserve structure of living samples with no alterations from living statebut : there are always artifacts induced by fixation Today‘s most prominent fixation protocol: glutaraldehyde –osmium tretroxidePrimary fixationPost-fixationOsmium tetroxide oxidizes the unsaturated double bonds of fatty acidsReduced heavy metal additionally adds contrast and densityPenetration of sample takes time! Less than 1 mm/hCareful! They can fix skin, as well!Ability to cross-link proteins by bifunctional terminal aldehydesGlutaraldehydeAlternative: fixation by freezingUltrafast freeze-fixation is currently the only way to fix even diffusible molecules and ions in placeProblem: Specimen must be kept frozen at all timesFreezing must be ultrarapid at a rate (104-105°C per second ) to prevent the formation of damaging ice crystals within the cellsAt this rate , ice crystals are unable to form, and water molecules instead form amorphous or vitreous ice.Such high rates can only be achived with very thin samples!…plunge“-freezing : plunging the specimen into liquid cryogen (e.g. nitrogen) in a cryo-vessel; obtainable depth of vitrification: 1-2µm Alternative: high pressure freezing at ca. 2100 atmospheres (high pressure lowers freezing point of water); achieves good freezing to depth of 500µmSteps after FixationDehydration•Replacing the remaining water in the cells with a fluid that acts as a solvent between aqueous environment and hydrophobic embedding media •Graded ethanol series: 30%, 50%, 70%, 95%, 100%•Acetone•Transition fluid: liquid carbon dioxideWashing in buffer•Extremely important to remove free unreacted glutaraldehydeInfiltration of resin•Dehydrants are gradually replaced by resin monomers, most of which are very viscous•Epoxy-solvent ratio gradually increased in many “washing-steps”•Finally baked in oven. Epoxy polymerizes to form a solid •Embedding in more resin and curingUltramicrotomy and sample mountingSpecific binding of contrast-tagged antibodies to sites ormolecules in the cell beforefixation allows functionalanalysis in the fixed specimen…immunocytochemistry“,nowadays, colloidal goldparticles are usedSpecimen preparation for SEMProcess similar to TEM samplepreparationRemove water, solvents and othercompounds that can vaporize in thevacuum.Non-conductive samples such as bugs,plants and ceramics should be coatedsince negative charge will build up andresult in poor image. Sputter coater isused to coat non-metallic samples witha thin layer of gold in order to improveconductivity.SEM Specimen Preparation•Specimen size: the smaller, the better•Surface cleaning•Fixation (like TEM)•Dehydration in ethanol (like TEM)•Critical Point Drying•Mounting•Sputter coatingCleaning Specimen Surface•Gentle washing with buffer•Solvent washing•Enzyme solution washing (e.g.,glycosidase for dissolving mucus)Critical Point Drying after dehydration•Air drying can damage specimens due to surface tension (>2000 lb/in2)•CPD device has liquid and gas under pressure (liquid carbon dioxide)•Heat increases pressure and decreases density of liquid while density of vapor increases •At critical point of T and p, phase boundary between gas and liquid disappears and liquid is converted to gas with no surface tension; gas pressure then releasedCritical point dryerSEM specimen holders forcritical point dryingFiltration of small specimensSpecimen Mounting•Aluminum stubs: 12 mm or 25 mm•Press-on adhesive, metal-based paint,double-sided tape•Area of interest mounted up: 45 degreeangle best•Large contact area bestSputter Coating of Specimen Surface•Specimen surface must be conductive•Charging•Coat with thin layer of metal (Au/Pd) which acts as source of secondary electrons •Coating too long will obscure detailSputter coaterSputter Coating•Metal (Au) cathode•Specimen mounted on anode•Argon gas in chamber•Voltage applied•Cathode ionizes Argon atoms into cations and free electrons•Argon ions accelerated to negative gold cathode•Gold atoms and electrons ejected by collisions•Gold atoms collide with argon ions multiple times and then strike sample from all angles giving even coating of 10-30 nmFreeze-Fracture ReplicationFreeze fracture is a technique for replication of fractured surfaces of frozen specimens for their examination in the TEM/SEM.It is especially suited for studying membrane structure, in particular the lipid bilayer aspect Freeze fracture provides 3D information and has contributed to the Singer-Nicholson (fluid mosaic) model of the cell membraneIf a very sharp knife is used to cut a frozenspecimen, the specimen acts like a brittleobject and undergoes a fracture rather thanbeing cut.Since the energy required to split the lipidbilayer is less than required to fracture iceor cytoplasm, the lipid bilayer is frequentlysplit to reveal membrane interior (right).Fracture of cell surfacesRed blood cellGeneral view of the cellCryo-EM allows to resolve structures down to the molecular level Condition: embedding structures in vitreous iceA series of virus core particles thatcould be resolved with cryo-EMPhage Φ-29Ribosome structure uncovered by Cryo-EMReconstruction of RibosomesRibosomes embedded in vitreous ice。