透射电子显微镜技术-1
电子透射显微镜
电子显微技术透射电子显微镜一结构与成像原理 (7)二成像系统 (8)三观察记录系统 (10)四主要部件的结构与工作原理 (10)五应用 (12)5.1 复型技术 (12)5.2电子衍射 (13)5.3晶体薄膜衍衬成像分析 (16)一结构与成像原理透射电子显微镜是以波长极短的，电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。
它由电子光学系统，电源与控制系统及真空系统三部分组成。
电子光学系统通常称镜筒，使透射电镜显微镜的核心，它的光路原理与透射光学显微镜十分相似。
它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察系统。
1.1 照明系统照明系统由电子枪，聚光镜和相应的平移对中，倾斜调节装置组成。
其作用是提供一束高亮度，照明孔径小，平行度好，流速稳定的照明源。
为满足明场和暗场成像需要，照明束可在2°~ 3°范围内倾斜。
1.1.1 电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源。
常用的是热阴极三极电子枪，它由发夹性钨丝阴极，栅极帽和阳极组成。
钨丝的作用是产生电子。
而灯丝和栅极帽则可形成加速电场获得一定λ值的电子束。
1.1.2 聚光镜聚光镜用来汇聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度，孔径角和束斑大小。
一般都采用双聚光镜系统。
第一聚光镜是强激磁透镜。
束斑缩小率为10~50倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为1~5μm；第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦时放大倍数为两倍左右。
二成像系统成像系统主要是由物镜，中间镜和投影镜组成。
2.1 物镜物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。
透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。
因为物镜的任何缺陷都将被成像系统中其它透镜进一步放大，所以通常采用强激磁，短焦距的物镜，像差小。
物镜是一个强激磁短焦距的透镜（f =1~3 mm），它的放大倍数较高，一般为100~300倍。
目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。
TEM(透射电子显微镜)
细胞结构解析
细胞膜结构
透射电镜图像可以清晰地展示细胞膜的精细结构，如细胞膜的厚度、 细胞器的分布等。
细胞器结构
透射电镜能够观察到细胞内的各种细胞器，如线粒体、内质网、高 尔基体等，有助于了解细胞器的形态和功能。
细胞骨架结构
透射电镜能够观察到细胞骨架的超微结构，如微管、微丝和中间纤维 等，有助于了解细胞骨架在细胞运动、分裂和分化中的作用。
TEM应用领域
01
02
03
04
生物学
研究细胞、组织和器官的超微 结构，如细胞器、细胞膜、染
色体等。
医学
用于诊断疾病，如癌症、传染 病等，以及药物研发和疫苗制
备过程中的结构分析。
地质学
观察岩石、矿物和矿物的微观 结构，研究地球科学中的各种
地质现象。
材料科学
研究金属、陶瓷、高分子等材 料的微观结构和性能，以及材
控制切片的厚度，通常在50~70纳米之间，以确 保电子束能够穿透并观察到样品的内部结构。
切片收集与处理
将切好的超薄切片收集到支持膜上，并进行染色、 染色脱水和空气干燥等处理。
染色
染色剂选择
选择适当的染色剂，如铅、铀或 铜盐，以增强样品的电子密度并
突出其结构特征。
染色时间与温度
控制染色时间和温度，以确保染色 剂与样品充分反应并达到最佳染色 效果。
清洁样品室
定期清洁样品室，保持清洁度 。
检查电子束系统
定期检查电子束系统，确保聚 焦和稳定性。
更新软件和驱动程序
及时更新TEM相关软件和驱动 程序，确保兼容性和稳定性。
定期校准
按照厂家建议，定期对TEM进 行校准，确保观察结果的准确
性。
06 TEM未来发展
透射电子显微镜--原理
• • • • Brightness Lifetime Pressure (vacuum) = related to the price Maintenance
Zhengmin Li
16
各种电子枪的比较
Brightness (Candela)
Life time 40hr >2000Hr >7000Hr
Zhengmin Li 30
物镜极靴
（OL Polepiece）
Zhengmin Li 31
真空系统
电子显微镜镜筒必须具有很高的真空度,这是因 为:若电子枪中存在气体,会产生气体电离和放 电,炽热的阴极灯丝受到氧化或腐蚀而烧断;高 速电子受到气体分子的随机散射而降低成像衬 度以及污染样品。一般电子显微镜镜筒的真空 要求在10-4~10-6 Torr。真空系统就是用来把镜 筒中的气体抽掉,它由二级真空泵组成,前级为 机械泵,将镜筒预抽至10-3 Torr,第二级为油扩散 泵,将镜筒抽空至10-4~10-6 Torr的真空度后,电镜 才可以开始工作。
Zhengmin Li 3
德国EM-902
Zhengmin Li 4
日本电子株式会社 (JEOL) JEM-1230
Zhengmin Li 5
Philips EM400T
Zhengmin Li 6
Philips TECNAI-20
Zhengmin Li 7
TEM 的基本工作原理
电子枪产生的电子束经1~2级聚 光镜会聚后均匀照射到试样上的 某一待观察微小区域上,入射电 子与试样物质相互作用,由于试 样很薄,绝大部分电子穿透试样, 其强度分布与所观察试样区的形 貌、组织、结构一一对应。 在观察图形的荧光屏上,透射出 试样的放大投影像,荧光屏把电 子强度分布转变为人眼可见的光 强分布,于是在荧光屏上显出与 试样形貌、组织、结构相对应的 图像。
透射电子显微镜下的生物大分子结构解析
透射电子显微镜下的生物大分子结构解析一、透射电子显微镜技术概述透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用电子束穿透样品的高分辨率显微镜技术。
与传统的光学显微镜相比，透射电子显微镜能够提供纳米级别的分辨率，这使得它在生物大分子结构解析领域具有独特的优势。
本文将探讨透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用，分析其原理、技术特点以及在生物科学领域的重要作用。
1.1 透射电子显微镜的基本原理透射电子显微镜的工作原理基于电子光学原理，电子束通过电磁透镜聚焦，穿透样品后，由检测器接收并转换成图像。
由于电子波长远小于可见光，因此TEM能够达到比光学显微镜更高的分辨率。
1.2 透射电子显微镜的技术特点透射电子显微镜具有以下技术特点：- 高分辨率：能够达到原子级别的分辨率，适合观察生物大分子的精细结构。
- 多模式成像：除了传统的透射成像外，还可以进行扫描透射成像（STEM）和电子衍射等。
- 样品制备要求：需要将生物样品制备成极薄的切片，以确保电子束的有效穿透。
- 环境控制：需要在高真空环境下操作，以避免电子束与空气分子的相互作用。
1.3 透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用透射电子显微镜在生物大分子结构解析中的应用非常广泛，包括蛋白质、核酸、病毒等生物大分子的形态学研究和结构分析。
二、生物大分子结构解析的技术和方法生物大分子结构解析是一个复杂的过程，涉及多种技术和方法。
透射电子显微镜技术在这一过程中扮演着重要角色，但也需要与其他技术相结合，以获得更全面和准确的结构信息。
2.1 样品制备技术生物大分子的样品制备是结构解析的第一步，也是关键步骤之一。
透射电子显微镜要求样品必须足够薄，通常需要使用超微切割、冷冻断裂或聚焦离子束等技术来制备样品。
2.2 高分辨率成像技术高分辨率成像是获取生物大分子结构信息的基础。
透射电子显微镜通过优化电子束的聚焦、样品的放置和成像条件，可以获得高质量的图像。
《透射电子显微镜》课件
限制照明区域，减小成像的视场，提高成像的分辨率 。
光路调节器
调节光路中的光束方向和大小，确保光束正确投射到 样品上。
成像系统
Hale Waihona Puke 物镜将样品上的图像第一次放 大并投影到中间镜上。
中间镜
将物镜放大的图像进一步 放大并投影到投影镜上。
投影镜
将中间镜放大的图像最终 放大并投影到荧光屏或成
像设备上。
真空系统
谢谢您的聆听
THANKS
透射电子显微镜技术不断改进，分辨率和放大倍数得到显著提 高。
透射电子显微镜技术不断创新，出现了许多新型的透射电子显 微镜，如高分辨透射电子显微镜、冷冻透射电子显微镜等。
透射电子显微镜的应用领域
生物学
观察细胞、蛋白质、核酸等生物大分子的 结构和功能。
医学
研究病毒、细菌、癌症等疾病的发生、发 展和治疗。
真空泵
01
通过抽气作用维持透射电子显微镜内部的高真空状态。
真空阀门
02
控制真空泵的工作时间和进气流量，以保持透射电子显微镜内
部真空度的稳定。
真空检测器
03
监测透射电子显微镜内部的真空度，当真空度不足时提醒操作
人员进行处理。
03
透射电子显微镜的操作与维护
透射电子显微镜的操作步骤
打开电源
确保实验室电源稳定，打开透射电子显微镜 的电源开关。
记录
对透射电子显微镜的使用和维护情况进行 记录，方便日后追踪和管理。
04
透射电子显微镜的样品制备技术
金属样品的制备技术
电解抛光
通过电解抛光液对金属样品进行抛光 ，去除表面杂质和氧化层，使样品表 面光滑、平整。
离子减薄
透射电子显微镜
其中，h表示普朗克常数，m0表示电子的静质量，E是加速后电子的能量。电子显微镜中的电子通常通过电子 热发射过程从钨灯丝上射出，或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电 磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
基本的TEM光学元件布局图。从上至下，TEM包含有一个可能由钨丝制成也可能由六硼化镧制成的电子发射源。 对于钨丝，灯丝的形状可能是别针形也可能是小的钉形。而六硼化镧使用了很小的一块单晶。通过将电子枪与高 达10万伏-30万伏的高电压源相连，在电流足够大的时候，电子枪将会通过热电子发射或者场电子发射机制将电 子发射入真空。该过程通常会使用栅极来加速电子产生。一旦产生电子，TEM上边的透镜要求电子束形成需要的 大小射在需要的位置，以和样品发生作用。
电子能量损失光谱仪通常在光谱模式和图像模式上操作，这样就可以隔离或者排除特定的散射电子束。由于 在许多图像中，非弹性散射电子束包含了许多操作者不关心的信息，从而降低了有用信息的可观测性。这样，电 子能量损失光谱学技术可以通过排除不需要的电子束有效提高亮场观测图像与暗场观测图像的对比度。
晶体结构可以通过高分辨率透射电子显微镜来研究，这种技术也被称为相衬显微技术。当使用场发射电子源 的时候，观测图像通过由电子与样品相互作用导致的电子波相位的差别重构得出。然而由于图像还依赖于射在屏 幕上的电子的数量，对相衬图像的识别更加复杂。然而，这种成像方法的优势在于可以提供有关样品的更多信息。
透射电子显微镜技术参数
透射电子显微镜技术参数一、透射电镜主机技术要求：1.总则：1.1提供相应货物的技术规格文件，在应答的品目标题下,标明货物的型号、商标名称及生产厂家。
1.2货物的制造和检验，必须是按照现行的中国国家标准，或通用国际标准。
1.3仪器设备如需特殊工作条件（如：水、电源、磁场强度、特殊温度、湿度、振动强度等），应在相关文件中加以说明。
2环境条件：除该品目在技术要求中另有说明外，所有仪器、设备和装置，均应适合以下条件：a）电源：220V（±10%）,50Hz∕60Hz;b）工作环境温度：15〜23度c）工作环境湿度：＜60%RHd）运行持久性：连续使用e）安装条件：地线接地电阻小于100欧姆3.技术要求：3.1分辨率：≤0.2nm3.2加速电压：20T20KV（以IOOV为步长调节）3.3放大倍数：高反差模式：X200-X200,000高分辨模式：X4,000-X600,000低倍模式：X50-X1.,0003.4图像旋转：最大范围XI,000〜X40,000,旋转角度：±90度（15度/步）3.5衍射长度：高反差方式0.2〜8.Om高分辨方式0.2〜2.0m3.6电子枪：鸨灯丝，具有电流自动控制，灯丝计时，气压式自动升枪等功能3.7使用高灵敏度的荧光屏CMOS相机取代了传统的荧光屏，配置双CCD,使图像显示与操作一体化3. 8样品位移：X/Y±Imm（CPU控制马达驱动），Z±0.3mm,样品台倾斜角：±30度。
可显示样品位置、倾角等。
3.9透镜系统：高倍观测时8级透镜3.10照明透镜级数：2级聚光镜3.11成像系统：CPU控制的6级透镜系统，物镜、中间镜和投影镜均为两级3.12不更换硬件的前提下，可在同一台仪器上实现高分辨和高反差模式的自由切换3.13高反差模式，高分辨模式3.14物镜活动光阑:4孔光阑（10-20-50-80微米）3.15可以实现8KX8K像素快速自动拼图（4张x4张拼图仅需4分钟）3.16电镜控制界面与相机图像∙体化,配置1600万像素相机3. 17真空系统：真空逻辑由测量值控制配有皮拉尼规，用于测量低真空度潘宁规，用于测量高真空度3.18不使用扩散泵，标准配置分子泵1台，转速不低于2501.∕s,旋转泵1台，转速不低于1351.∕min<>3 .19配三维重构功能及±70°倾转样品台4 .必要配置：主机一台，包括空气压缩机，冷却循环水，专用工具、配置双CCD,电脑及控制软件,三维重构，样品台，操作台，旋钮板和，手册5 .技术服务：为用户培训使用仪器的工作人员。
电子显微镜
分散聚四氟乙烯粉粒的超薄切片像
③ 蚀刻
蚀刻的目的是除去一部分结构，从而可以突出需 要的结构。蚀刻方法主要有三种：溶剂蚀刻、酸 蚀刻和等离子蚀刻。溶剂蚀刻是靠溶剂的溶解除 去易溶性分子；酸蚀刻是用强酸选择性氧化某一 相，使高分子断裂为碎片而被除去；等离子或离 子蚀刻是用等离子或离子带电体攻击聚合物表面， 除去表面的原子或分子，由于除去速度的差异而 产生相之间的反差。
（1）电子束与固体样品相互作用时产生的信号 具有高能量的入射电子束与固体样品表面的原子
核及核外电子发生作用，产生如下物理信号。
入射电子束轰击样品产生的信息
① 背散射电子（backscattering electron)— 背散射电子是指被固体样品中的原子核或 核外电子反弹回来的一部分入射电子。
③ 吸收电子(absorption electron)—入射电子进入 样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽，最后 被样品吸收。
④ 透射电子(transmission electron)—如样品足够薄， 则会有一部分入射电子穿过样品而成透射电子。
⑤ 俄歇电子(Auger electron)—如果原子内层电子 在能级跃迁过程中释放出来的能量ΔE并不以X射线 的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层的另 一个电子发射出去（或空位层的外层电子发射出 去），这一个被电离的电子称为俄歇电子。 每种原子都有自己的特定壳层能量，所以它们 的俄歇电子能量也各有特征值。
② 二次电子(secondary electron)—在入射电 子作用下被轰击出来并离开样品表面的样 品原子的核外电子。它是一种真空自由电 子 。 由于原子核和外层价电子间的结合能 很小，因此，外层的电子较容易和原子脱 离，使原子电离。
透射电子显微镜在纳米材料合成中的应用
透射电子显微镜在纳米材料合成中的应用一、透射电子显微镜技术概述透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）是一种利用电子束作为照明源，通过样品的透射电子成像的高分辨率显微镜。
它在纳米材料的合成与研究中扮演着至关重要的角色。
透射电子显微镜通过电子束的高穿透力，能够观察到纳米尺度的材料结构，从而为纳米材料的合成提供了强有力的技术支持。
1.1 透射电子显微镜的基本原理透射电子显微镜的基本原理是利用电子束照射样品，电子束通过样品后，部分电子被样品吸收，部分电子透过样品并被探测器接收。
通过分析透过电子的强度和分布，可以获得样品的形貌和结构信息。
透射电子显微镜的分辨率可以达到原子级别，是研究纳米材料的理想工具。
1.2 透射电子显微镜的应用领域透射电子显微镜的应用领域非常广泛，包括但不限于材料科学、纳米技术、生物医学、化学等领域。
在纳米材料的合成中，透射电子显微镜不仅可以观察材料的形貌，还可以分析材料的晶体结构、缺陷、界面等微观特征。
二、透射电子显微镜在纳米材料合成中的应用2.1 纳米材料的形貌观察透射电子显微镜在纳米材料的形貌观察中发挥着重要作用。
通过TEM，可以直观地观察到纳米材料的形状、尺寸和分布。
例如，纳米颗粒、纳米线、纳米管等不同形态的纳米材料都可以通过TEM进行观察。
这种观察对于理解材料的合成机制和优化合成条件具有重要意义。
2.2 纳米材料的晶体结构分析纳米材料的晶体结构对其性能有着决定性的影响。
透射电子显微镜可以通过高分辨电子衍射（High-Resolution Electron Diffraction, HRED）技术，对纳米材料的晶体结构进行精确分析。
通过分析电子衍射图谱，可以获得材料的晶格参数、晶体取向等信息，从而为材料的合成和应用提供理论基础。
2.3 纳米材料的缺陷与界面研究纳米材料的缺陷和界面是影响其性能的关键因素。
透射电子显微镜可以通过高角环形暗场成像（High-Angle Annular Dark Field Imaging, HAADF）技术，对纳米材料的缺陷和界面进行高分辨率成像。
透射电子显微镜TEM(PPT121页)
透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)
TEM是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透 镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学 仪器。可同时实现微观形貌观察、晶体结构分析和成 分分析（配以能谱或波谱或能量损失 谱）。
为什么采用电子束而不用自然光？
β=±25度
EM420透射电子显微镜
（日本电子） 加速电压20KV、40KV、60KV、 80KV、100KV、120KV 晶格分辨率 2.04Å 点分辨率 3.4Å 最小电子束直径约2nm 倾转角度α=±60度
β=±30度
FEI Titan 80-300 kV S/TEM 世界上功能最强大的商用透射电子显 微镜 (TEM)。已迅速成为全球顶级研 究人员的首选 S/TEM，从而实现了 TEM 及 S/TEM 模式下的亚埃级分辨 率研究及探索。
➢ 电子显微镜发展史
1898年J.J. Thomson发现电子 1924年de Broglie 提出物质粒子波动性假说和1927年实验的证实。 1926年轴对称磁场对电子束汇聚作用的提出。 1932年，1935年，透射电镜和扫描电镜相继出现，1936年，透射电
镜实现了工厂化生产。 20世纪50年代，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Hirsch和Howie等人
主要技术参数： 1.TEM分辨率 <1 2.STEM分辨率 <1 3.能量分辨率 <0.15eV 或 <0.25eV 4.加速电压 80-300kV
内容
8.1 简介 8.2 结构原理 8.3 样品制备 8.4 透射电子显微镜的电子衍射 8.5 透射电子显微镜图像分析
8.2 透射电子显微镜结构原理
电磁透镜的分辨本领比光学玻璃透镜提高一千 倍左右，可以达到2Å 的水平，使观察物质纳米 级微观结构成为可能。
第二章透射电子显微镜ppt课件
透 射 电 镜 主 体 剖 面 图
三级放大成像示意图
2.1.3 观察记录系统
❖ 观察和记录系统包括荧光屏和照相机构。
❖ 荧光屏涂有在暗室操作条件下，人眼较敏感、发绿 光的荧光物质，有利于高放大倍数、低亮度图像的 聚集和观察。
❖ 照相机构是一个装在荧光屏下面，可以自动换片的 照相暗盒。胶片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度 很小的溴化物乳胶底片，为红色盲片，曝光时间很 短，一般只需几秒钟。
的导磁体来吸引部分磁场。
❖电磁式：通过电磁极间 的吸引和排斥来校正磁场。 通过改变两组电磁体的励 磁强度和磁场的方向实现 校正磁场。
消像散器一般安装在透镜的上、 下极靴之间
电磁式消像散示意图
聚光镜消像散调整
2.2.4 光阑（Diaphragm holders and choice of diaphragms）
❖ 新型电镜均采用电磁快门，与荧光屏联动。有的装 有自动曝光装置。现代电镜已开始装有电子数码照 相装置，即CCD相机。
真空系统
❖ 在电子显微镜中，凡是电子运行的 区域都要求有尽可能高的真空度。
电源与控制系统
❖ 电子显微镜需要两个独立的电源，即使电 子加速的小电流高压电源和使电子束聚焦 与成像的大电流低压磁透镜电源。
1. 电子枪
❖ 电子枪是透射电子显微镜的电子源。
❖ 常用的是热阴极三极电子枪，由发夹形钨丝阴极、栅
源电子极帽枪和的阳极组成。
，形阴成极自:阴偏 极灯丝通常用0.03和阴0.极1毫之米栅间的极钨:栅丝极作是成控V制形电。子束 电位差形。状电和发射强度的（也称
为控制极、韦氏圆筒）。
阳极间会阳聚极:阳极使从阴极发射 交叉点的形，电成通子 定获 向得 高较 速高电的子动流能，，也
第五章透射电子显微镜生物样品制备技术
2、取材的注意事项
1）、取材的全过程要求在冷（40C ）的环境中进行，
所用的液体要提前进行预冷。 2）、切割样品时要采取一刀切开的方法，不能用拉 锯式切割法，尽量减少对样品的机械损伤。
3）、样品的块要小，要求是1个立方毫米。这样 可使样品在较短的时间内得到充分的固定。
5）、固定温度：为降低酶的活性，防止细胞的自溶，固定大都在4 度中进行。
现在是10页\一共有54页\编辑于星期四
4、常用固定剂的种类及溶液的配制
1）、固定剂的选择: 一种优良的固定剂应具
备以下条件：渗透能力强；使蛋白质交联成稳定的 凝胶，而蛋白质分子结构不发生明显的变化和凝 集；能保存酶的一定活力和细胞内其它成分（核 酸、核蛋白、糖元及脂类）；对细胞没有收缩和 膨胀作用；对细胞不产生人工假象，并能提高电 子反差。根据以上条件，适用于电镜样品固定的固 定剂常见的有：戊二醛、锇酸、多聚甲醛、高锰酸 钾等。
放入预冷的固定液中，
现在是5页\一共有54页\编辑于星期四
如果材料漂在液体上面，需抽气让组织沉到液体的 底部，以便使组织得到充分的固定
游离细胞的取材：悬液培养的细胞需要离心获得 细胞的沉淀物，然后再用预冷的固定液进行固定 处理；贴壁培养的细胞要先想办法收集细胞团再 进行固定处理。 细菌的取材：取材方法基本和培养细胞的方，法 相同。悬液培养的要离心获得细菌沉淀物进行固 定，平板和斜面培养的可直接获得菌团进行固定。 人体病理组织的取材：需提前做好准备，到手术 室取材。
免液体体积发生变化，造成对组织微细结构的损伤）。
现在是17页\一共有54页\编辑于星期四
三、清洗与脱水
1、清洗：在超薄切片制备技术中，清洗主要是指：当用
材料分析方法课件-14 透射电子显微镜
C2 affects: The convergence of the beam at the specimen. Diameter of the illuminated area of the specimen.
Second condenser lens
《近代材料分析技术》多媒体课件
大连理工大学材料工程系
18
9.1 透射电子显微镜的电子光学系统
照明系统
成像系统
观察记录 系统
由物镜、中间镜和投影镜组成。
3.投影镜(Projector Lens)
将经过中间镜放 大（或缩小）的 像（或电子衍射 花样）进一步放 大，并投影到荧 光屏上。它的励 磁电流一般是固 定的。 短焦距的强磁透 镜，景深和焦长 都非常大。
9.1 透射电子显微镜的电子光学系统
照明系统
成像系统
观察记录 系统
由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节 装置所组成。
2)聚光镜（Condenser Lens)
用来会聚电子枪射出 的电子束，以最小的 损失照明样品，调节 照明强度、孔径角和 束斑大小。
采用双聚光镜系统 强激磁透镜
弱激磁透镜
其对1)作照电用明子是系枪提统(供部El一分e束的ct亮要ro度求n高：G、un照)明孔径角小、平行
度1)好能、够束提流供稳足定够的数照目明的源电。子。发射电子愈多，成 是象透愈射亮电。子 显2)微电镜子的发电射区域要小。发射出来的电子束愈细， 子象源差。愈小，分辨本领愈好。
由3)阴电极子、速栅度要大。电子离开照明系统时，动能愈 极大和，阳成极象组愈亮。电子动能愈大，穿透能力愈强， 成试。样可以相应地厚些。
透射电子显微镜的原理及应用
透射电子显微镜的原理及应用摘要：透射电子显微镜是研究微观组织结构的有力工具，具备高分辨率和直观性，在材料、医学、生物、化学、物理等领域发挥着重要的作用。
本文介绍了透射电子显微镜的原理、结构和样品制备原理，综述了透射电子显微镜在陶瓷、水泥、生物学科和地理科学研究等一些方面的应用，并对透射电子显微镜的应用前景做出了展望。
关键词：透射电子显微镜；结构；原理；应用1透射电子显微镜的原理和结构1.1透射电子显微镜的工作原理和特点透射电子显微镜是一种高分辨率、高放大率的电子光学仪器，它运用波长很短的电子束作为照明光源，通过电子透镜对图像进行聚焦，主要由电子光学系统、电源系统和真空系统三部分组成。
透射电子显微镜的电子光学系统通常由电子透镜（如电子枪、聚光镜、物镜、中间透镜和投影透镜等）、样品室和荧光屏组成。
透射电子显微镜通常使用热阴极电子枪来捕获电子束并将其用作照明源。
从热阴极发射的电子，在阴极加速电压的作用下，高速通过阳极孔，并通过聚光镜聚合成一定直径的束斑照射到样品上。
如此，具有一定能量的电子束作用于样品，并产生反映样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向的差异的各种信息。
根据这些信息，通过样品的电子束的强度被物镜聚焦放大，形成一幅透射电子图像，反映其平面上的信息，经过中间镜和投影镜进一步放大，最终的电子图像可以在屏幕上以三倍放大的方式获得，并记录在电子感光板或胶卷上。
高分辨率是透射电子显微镜的一个突出特点，目前世界上最先进的透射电子显微镜的分辨率已经优于0.2 nm,可用来直接观察重金属原子像。
1.2透射电子显微镜的结构及作用原理透射电子显微镜就总体来说可分为电子光学系统(镜筒)电源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。
电源系统、真空系统和操作系统都是辅助系统。
电源系统包括电子枪高压电源、透镜电源和控制线路电源等。
真空系统用来维护镜筒以上,以保证电子枪电极之间的绝缘,防止镜筒内气体分子碰撞导致成像电子的运动轨迹发生变化,减少样品污染等。
实验一 透射电子显微镜样品制备
第二篇材料电子显微分析实验一透射电子显微镜样品制备一、实验目的1．掌握塑料—碳二级复型样品的制备方法。
2．掌握材料薄膜样品的制备方法—双喷电解减薄法和离子薄化法。
二、塑料—碳二级复型的制备原理与方法(一) AC纸的制作所谓AC纸就是醋酸纤维素薄膜。
它的制作方法是：首先按重量比配制6％醋酸纤维素丙酮溶液。
为了使AC纸质地柔软、渗透性强并具有蓝色，在配制溶液中再加入2％磷酸三苯脂和几粒甲基紫。
待上述物质全部溶入丙酮中且形成蓝色半透明的液体，再将它调制均匀并等气泡逸尽后，适量地倒在干净、平滑的玻璃板上，倾斜转动玻璃板，使液体大面积展平。
用一个玻璃钟罩扣上，让钟罩下边与玻璃板间留有一定间隙，以便保护AC纸的清洁和控制干燥速度。
醋酸纤维素丙酮溶液蒸发过慢，AC纸易吸水变白，干燥过快AC纸会产生龟裂。
所以，要根据室温、湿度确定钟罩下边和玻璃间的间隙大小。
经过24小时后，把贴在玻璃板上已干透的AC纸边沿用薄刀片划开，小心地揭下AC纸，将它夹在书本中即可备用。
(二) 塑料—碳二级复型的制备方法(1) 在腐蚀好的金相样品表面上滴上一滴丙酮，贴上一张稍大于金相样品表面的AC纸(厚30~80μm)，如图1-2(a)所示。
注意不要留有气泡和皱折。
若金相样品表面浮雕大，可在丙酮完全蒸发前适当加压。
静置片刻后，最好在灯泡下烘烤一刻钟左右使之干燥。
(2) 小心地揭下已经干透的AC纸复型(即第一级复型)，将复型复制面朝上平整地贴在衬有纸片的胶纸上，如图1-2(b)所示。
(3) 把滴上一滴扩散泵油的白瓷片和贴有复型的载玻片置于镀膜机真空室中。
按镀膜机的操作规程，先以倾斜方向“投影”铬，再以垂直方向喷碳，如图1-2(c)所示。
其膜厚度以无油处白色瓷片变成浅褐色为宜。
(4) 打开真空室，从载玻片上取下复合复型，将要分析的部位小心地剪成2mm×2mm的小方片，置于盛有丙酮的磨口培养皿中，如图1-2(d)所示。
(5) AC纸从碳复型上全部被溶解掉后，第二级复型(即碳复型)将漂浮在丙酮液面上，用铜网布制成的小勺把碳复型捞到清洁的丙酮中洗涤，再移到蒸馏水中，依靠水的表面张力使卷曲的碳复型展平并漂浮在水面上。
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再把载网放在支架上并插入透 射电镜中。
样品架可以平移、倾动和
旋转。
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一. 透射电镜基本结构
样品以下的电磁透镜——
物镜、中间镜和投影镜
改变各透镜电流可以在很
大范围内改变图像的大小
图像的聚焦是靠调节物镜
电流来实现的
物镜是整个仪器中最重要
的部分，它决定电镜分辨率
特征X射线
荧光 感应电导
二次电子 背散射电子 吸收电子 俄歇电子 样品 透射电子
6
电子显微镜概述
一、电子显微镜发展史
1924，De Broglie提出波粒二象性假说 1926，Busch发现电子可由外加电磁场的改变而偏折 1933，Knoll和Ruska发明第一台电子显微镜（50nm） 1935，Knoll 第一部扫描电子显微镜 1938，Ruska 第一部透射电子显微镜 1939，西门子商用透射电子显微镜（10nm） 1942，实验用扫描电子显微镜 1958，中国研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为 3nm
M 总＝M 物 M 中 M 投＝AI中 －B
2
A、B — 常数
I中 —中间镜激磁电流
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三. 主要性能指标
关于放大倍数的几点说明：
人眼分辨本领约0.2mm，光学显微镜约0.2μm。 把0.2μm放大到0.2mm的放大倍数是1000倍,是有效放 大倍数。 光学显微镜分辨率在0.2μm时，有效放大倍数是1000 倍。
度分成散射吸收衬度，衍射衬度和相位衬度。
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二. 透射电镜成像原理
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。 电子枪和电磁透镜对电子束的
作用决定电镜成像质量。
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二. 透射电镜成像原理
吸收像：当电子射到质量、
密度大的样品时，主要的成像作 用是散射作用。样品上致密和较 厚的部分对电子的散射角大，被 物镜下方设置一个带孔的圆片 （即物镜光阑）拦掉，这样通过 的电子较少，像的亮度较暗，反 之则为亮区。这种衬度称散射吸 收衬度，可以提供样品形态方面 的信息。
Lump (Illumination Source) Electron Source Condenser Lens Sample Projection Lens Sample Objective Lens Scanning Sample Fluorescent screen Image Image C R T Deflection Coils SE Detector
Condenser Lens Objective Lens
Screen
Image
O M
TEM
SEM
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Difference among OM, TEM and SEM
二. 透射电镜成像原理
光学显微镜中图像的衬度（即对比度或反差） 决定于样品上各部位对光的不同吸收。 电镜中图像衬度的形成却主要靠样品对电子波 的散射及其相互间的干涉。通常可以把图像衬
1.电子照明系统 —
阴极
电子枪，聚光镜
电子枪
控制极 阳极 电子束 聚光镜
样品
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一. 透射电镜基本结构
电子枪 —— 电子束的发射源。
常用的是发夹形热钨丝三电极式电子 枪。灯丝（阴极）由钨丝制成，通电 加热后发射电子发射出的电子束受处 于负电位的栅极所调制,并被阳极的 高电位（几十～几百千伏）区加速后 形成一束“光源”,即电子源。 另外还有六硼化镧阴极、点阴极和场 发射电子枪等几种高亮度新型电子枪。
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三. 主要性能指标
一般生物医学常用透射电镜
1. 2. 3. 4.
分辨率 0.1～0.3nm 放大率 50～500000 电压在 20～200KV 样品厚度 <100nm
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三. 主要性能指标
分辨率
是TEM的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、结构细节的 能力。
点分辨率：能分辨两点之间的最短距离 线分辨率：能分辨两条线之间的最短距离，通过拍摄已知晶体的 晶格象测定，又称晶格分辨率。
载网分类及选择：
1.分类：铜网、镍网、金网，根据用途不同分别
采用，如酶细胞化学、免疫金标记技术等需采
用后两者；
2.支持膜：贴附于载网，用来观察悬浮的病毒、
脂质体及其它颗粒物质的均质性膜，包括
Formvar膜、碳膜等。
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四. 透射电镜相关技术
Specimen Preparation for Electron Microscopy
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三. 主要性能指标
放大倍数
指电子图像对于所观察试样区的线性放大率。
目前高性能TEM的M范围为80～100万倍。
不仅考虑最高和最低放大倍数，还要考虑是否覆盖低倍到高倍的整个范 围。 电镜不能将其所分辨的细节放大到人眼可辨认程度。对细节观察是用电 镜放大在荧光屏上成像，经附带的立体显微镜进行聚焦和观察。 将仪器的最小可分辨距离放大到人眼可分辨距离所需的放大倍数称为有 效放大倍数。一般仪器的最大倍数稍大于有效放大倍数。
如果真空度低的话，电子与气体分子之间的碰撞引起散射而影响衬度，还 会使电子栅极与阳极间高压电离导致极间放电，残余的气体还会腐蚀灯丝， 污染样品。
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一. 透射电镜基本结构
电源系统
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一. 透射电镜基本结构
操作控制系统
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Theory of Transmission Electron Microscope
扫描电镜（Scanning electron microscope,SEM)
观察组织或细胞表面的立体形貌
9
电子显微镜概述
10
电子显微镜概述
电子束与物质的作用
能谱仪（EDS） 波谱仪（WDS） 电子探针（EPMA)
入射电子 二次电子
特征X射线 荧光 感应电导
背散射电子
吸收电子 俄歇电子 样品 透射电子
16
电子显微镜概述
Z
SR N Mi TT
骨骼肌肌丝纵断面
SEM ×30000
17
SR
*
TT
Z
*
*
骨骼肌肌丝纵断面
TEM ×29 000
18
电子显微镜概述
骨骼肌肌丝横断面
TEM ×40 000
19
电子显微镜概述
解剖学中的应用
内耳毛细胞
肛门内括约肌
20
电子显微镜概述
病毒研究方面的应用
Thin Sectioning for TEM
The wax sections: 3-10um;
The Plastic ultrathinsections for TEM: 40-50nm Sections of LM: >5um; Sections of TEM: <100nm
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59
四. 透射电镜相关技术
早期的透射电子显微镜都是 基于这种原理。
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二. 透射电镜成像原理
衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅 分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体 缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射 波的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。 相位像：当极薄、小颗粒或低密度样品成像时，主要应该利 用相位衬度。样品受电子波照射后会产生不同的散射波。在 条件合适时，这些散射波将按一定的相位关系干涉成像，这 就是相位衬度像。它是一种高分辨率的像，可用于研究原子 尺度（小于10埃）的样品微结构。
TEM
SEM
11
电子显微镜概述
我室现有两台电子显微镜
HITACHI S-3000 N
SEM
HITACHI H-7500
TEM
12
电子显微镜概述
三、电子显微镜的基本结构
电子光学系统
真空系统
电源系统 操作控制系统 观察系统
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电子显微镜概述
电子光学系统
电子枪——
发射自由电子形成电子束
四．透射电镜相关技术
——超薄切片技术 ——负染色技术 ——免疫电镜技术
五. 细胞超微结构 简介
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一. 透射电镜基本结构
电子光学系统 观察记录显示系统 真空系统
电源系统
操作控制系统
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一. 透射电镜基本结构
电子照明系统
电子光学系统
成像系统
观察记录显示系统
31
一. 透射电镜基本结构
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四. 透射电镜相关技术
1. 2.
透射电镜生物样品制备要求 超薄切片技术
3.
4.
负染色技术
免疫电镜技术
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四. 透射电镜相关技术
1. 透射电镜生物样品制备要求
电镜标本观察条件： 高真空、高电压、能够散射电子
生物样品特点：
含有大量水分、电子密度低（主要是C、H、O）
生物样品制备目的： 去除水分，增加标本中能够散射电子的重原子
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四. 透射电镜相关技术
2. 超薄切片技术
超薄切片刀：玻璃刀、钻石刀
玻璃制刀机
新刀锋产生于断端
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四. 透射电镜相关技术
2. 超薄切片技术
超薄切片机
超薄切片机原理示意图
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四. 透射电镜相关技术
超薄切片技术——玻璃刀切片
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四. 透射电镜相关技术
Thin sections
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