电子显微镜技术

电子光学基础 分辨本领
1) 人的眼睛仅能分辨0.1~0.2mm的细节 2) 光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。 3) 用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不 可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。
分辨本领
指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物 镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。
为10-2rad，那么分辨本领为：
d0 = 0.61×3.7×10-3/10-2 = 0.225 nm
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电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。 衍射效应对分辨本领的影响： Rayleigh公式： d0 = 0.61λ/nsinα d0：成像物体上能分辨出来的两个物点间的最小距离， 表示透镜分辨本领的大小。 λ：波长; n：介质的相对折射系数; α:透镜的孔径半角 只考虑衍射效应时，在照明光源和介质一定的条件 下，孔径半角越大，透镜的分辨本领越高。 像差对分辨本领的影响： 由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像 平面上均会扩展成散焦斑，个散焦斑的半径也就影响 了透镜的分辨本领。
创立新的原理 制造新的仪器 发展新的应用
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电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点及重要地位 二， 电镜发展简史 三，我国电镜的发展
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科学与技术的辩证关系 －－相辅相成、相互促进
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把(2)式代入(1)式得： λ＝ 12.24 V
一般加速电压为： TEM 50-120KV SEM 20-40KV 高压EM 200-400 KV 超高压EM 100万伏 当v=50KV时，λ=0.054 当V=100KV时，λ=0.038
加速电压（KV） 1.0
电子波长（）Page 0.3873 0.1732 0.1225 0.0775 0.0548 0.0447 0.0387 0.0224 0.0173 0.0122 0.0071
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电子显微镜的特点
1，极高的分辨率 2，极大的放大倍数
崭新的科学之眼 或 微观世界的眼睛
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由于电镜的运用，形态学家已成为生 化形态学家，而生物化学家则成为了形 态生物化学家，因为今日的生物化学广 泛涉及到细胞和细胞器的结构，生物化 学与细胞生物学之间的界限变得难以区 分。
电镜是细胞生物学工作者必须掌握的一项 重要技术，也是生物学领域研究者应当掌握 和利用的重要研究工具。
1.30×10-5~5×10-8
波长（） 1×1013~107 5×106~1×104 7600~6470 6470~5880 5880~5500 5500~4920 4920~4550 4550~3900 3900~130 130~0.5 1.0~0.05
（nm） 1×1012~106 5×105~1×103 760~647 647~588 588~550 550~492 492~455 492~390 390~13 13~0.05 0.1~0.005
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各种电磁波 电 波
波长（mm） 1×166~1×101 0.5~10-3 7.60×10-4~6.47×10-4 6.47×10-4~5.88×10-4 5.88×10-4~5.50×10-4 5.50×10-4~4.92×10-4 4.92×10-4~4.55×10-4 4.55×10-4~3.90×10-4 3.90×10-4~1.3×10-5
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初速度为零的自由电子从零电位达到 电位为U (单位为v)的电场时电子获得的 能量是eU： 1/2mv2 = eU 当电子速度v 远远小于光速C 时，电 子质量m 近似等于电子静止质量m0 ，由 上述两式整理得：
λ=
h 2em0U
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将常数代入上式，并注意到电子电荷 e 的单位 为库仑， h的单位为Js，我们将得到：
λ=
1.226 U
［nm］
表4-1 不同加速电压下的电子波长
加速电压/kV 20 30 50 100 200 500 1000 电子波长/10-6nm 8.59 6.98 5.36 3.70 2.51 1.42 0.687
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当加速电压为100kV时，电子束的波长约为 可见光波长的十万分之一。因此，若用电子 束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。 但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为102-10-3rad。如果加速电压为100kV，孔径半角
超分子结构（Supermolecular architecture）
指镶嵌在细胞中各双层脂膜上大小、密度、分布和构型 上各不相同的颗粒，如蛋白、糖类、多酶复合体等，它们有 序地镶嵌在膜上，具有不同的生化组分，行使着相应的、不 同的生理功能。
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生物样品大小、学科范围及研究工具
样品大小 0.1毫米 10~100微米 0.2~10微米 2000 ~10 结构示例 器官及人卵细胞 （0.2毫米） 组织 细胞、细菌 学科范围 解剖学 组织学 研究工具 肉眼和放大镜 各种显微镜 光学显微镜 X射线显微镜 偏光显微镜 扫描显微镜 X射线显微镜 电子显微镜 电子显微镜
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1934年 Marton
利用灯丝作电源，气锁装置 发表世界第一张生物学电镜照片
1935年 Driest和miller
分辨率分别提高到400埃和250埃
西门子公司 Reska, Borries Helmut
1937年：电镜的改进和设计 1939年： 第一台实用型商品电镜进入市场 1949－54年： 中、高分辨率的电镜问世，普及全世界
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1923年 Broglis
电子束既有粒子性，又有波动性
1926年 Bush
电子透镜理论
1931年改进阴极射线示波器 1932年成功制造世界 第一台电镜 1933年制备第一台 二级放大电镜
Knoll和Ruska
吕赫和约汉森： 静电透镜(1932年)
1934年分辨率达到500埃 （Borries)
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中国电镜的发展
解放初：引进国外电镜 1958年：试制第一台电镜
（20万倍、40万倍、80万倍电镜； 相关电镜的配套设备）
1980年：中国“ 电子显微学会”成立 1982年：创办“ 电子显微学报”
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第一章 电子显微镜及其发展
第二节 电镜常用术语及基本概念
一，显微、亚显微、超微及超分子结构 二，分辨率 三，放大倍数（或放大率） 四，反差（或反衬度，或对比度） 五，显微术的长度单位
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第一章 电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点 二， 电镜发展简史 三，我国电镜的发展
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德国著名光学理论家Abbe（埃贝,1887）
“
凭现在我们所掌握的知识，自然界还存在着许 多我们想象不到的东西，然而，今天无法突破的界 限，到明天有可能用崭新的方法超越它，将来在追 究物质世界的本质时必将会出现远比今天的显微镜 更强有力的观察器械”
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分辨率(Resolving Power)
指一台光学仪器能够清楚地分开两点间距离大小 的能力。两点间的距离越小，表示该仪器的分辨率越 高
光学显微镜分辩率的计算公式：
δ=0.612λ/n sinα
其中：δ 为显微镜分辨物体两点间的距离，即分辨率 λ 为入射光的波长 n 为物体与透镜第一界面介质的折射率 α 为物体与物镜所成夹角的一半
各 种 波 长 范 围
红外线 红光 橙光 可 黄光 见 绿光 光 兰光 紫光 紫外线 X射线 r射线
1×10-7~5×10-9
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λ=h / mv ………………（1）
λ为电子波长 h为普郎克常数 v为电子运动速度 m为电子质量（9.11×10-28克）
V=
2em U
……………… (2)
e为电子的电荷量（4.80×10-10静电单位1.623×1019库仑） U为加速电压
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显微结构（Microscopic Structure）
一般指在光学显微镜下所能观察到的结构
亚显微结构（Submicroscopic Structure）
通常指介于显微（光学显微镜）和超微结构之间的结构
超微结构（Ultrastructure）
严格地讲，是指分子水平的结构。但它与亚显微结构并 无严格的界限，往往把两者笼统地称之为超微结构
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李巧玲
主讲
中北大学理学院化学系
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电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点及重要地位 二， 电镜发展简史
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电子显微镜技术
应用范围之广 提供信息之多 所起作用之大
电子显微镜
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电 子 波 长 值
不 同 加 速 电 压 对 应 的
5.0 10.0 25.0 50.0 75.0 100.0 300.0 500.0 1000.0 3000.0
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电子显微镜分辨率
1.4埃 1.357埃
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100千伏 加速电压
超高压 电镜 分辨率 接近 理论极限
超高压 电镜
100埃 分辨率
10埃 分辨率
新型电镜 的研制
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第一章 电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史 一， 电子显微镜－－生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点 二， 电镜发展简史 三，我国电镜的发展
目前已有 40多种不同规 格型号的电镜 研制成功
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电子显微镜发展的历史阶段
第一阶段
电镜诞生－50年代
第二阶段
50－60年代
第三阶段
60－70年代
第四阶段
80年代－
一个聚光镜 两个成象 透镜
两个聚光镜 三个成象 透镜
仪器高度 自动化 特殊附件
操作简化 提高数据 处理能力
50千伏 加速电压
细胞学
亚细胞 部分细胞器 超微结构、病毒 细胞内蛋白分子排列 分子与原子结构 分子原子的排列
细胞生物学
10 以下
细胞生物学 分子生物学
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不同水平的结构图
亚显微或超微结构 超分子结构 显微结构
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电子显微镜及其发展
第二节 电镜常用术语及基本概念
一，显微、亚显微、超微及超分子结构 二，分辨率 三，放大倍数（或放大率） 四，反差（或反衬度，或对比度） 五，显微术的长度单位
d0 =
0.61λ 0.61λ = n sin α N.A.
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光学透镜分辨本领d0的公式：
0.61λ 0.61λ d0 = = n sin α N.A.
式中：λ是照明束波长，α是透镜孔径半 角，n 是物方介质折射率，nsinα或NA称 为数值孔径。
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在物方介质为空气的情况下，任何光学透镜 系统的 NA 值小于1。
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电子显微镜及其发展
第二节 电镜常用术语及基本概念
一，显微、亚显微、超微及超分子结构 二，分辨率 三，放大倍数（或放大率） 四，反差（或反衬度，或对比度） 五，显微术的长度单位
d0 ≈λ/2
波长是透镜分辨率大小的决定因素。 透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。 若用波长最短的可见光(λ=400nm)作照明源， 则
d0=200nm
200nm是光学显微镜分辨本领的极限;
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显 微镜的一种新的照明源 — 电子束被发现了。 1924年法国物理学家德.布罗意(De Broglie)提 出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离 子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微 观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。两年后通 过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子 的波长为普朗克常数 h 对于粒子动量的比值，即 λ=h/mv 对于电子来说，这里， m 是电子质量［kg］， v 是电子运动的速度［ms-1］。
如果十六世纪光学显微镜的发明， 开辟了细胞和细菌时代，那么二十世纪 电子显微镜的发明，则是开辟了亚细胞、 病毒和分子结构的新时代。
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电子显微镜及其发展
第一节 电子显微镜发展史
一， 电子显微镜——生命科学发展史上的 一个重要里程碑 1，科学与技术的辩证关系 2，电子显微镜的特点及重要地位 二， 世界电镜发展简史 三，我国电镜的发展