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什么是电子显微镜?工作原理及结构是什么?

2013-10-16  发布者:admin 

一、电子显微镜的结构

电镜的主要结构有:电子光学系统、真空系统、供电系统。

1.电子光学系统

1)照明部分

(1)阴极:又称灯丝,一般是由0.03~0.1毫米的钨丝作成V或Y形状。

(2)阳极:加速从阴极发射出的电子。为了安全,一般都是阳极接地,阴极带有负高压。

(3)控制极:会聚电子束;控制电子束电流大小,调节象的亮度。

阴极、阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能,因此,人们习惯上把它们通称为“电子枪”。

(4)聚光镜:由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用,电子束穿过阳极小孔后,又逐渐变粗,射到试样上仍然过大。聚光镜就是为克服这种缺陷加入的,它有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来的作用。

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2)成像放大部分

(1)试样室:位于照明部分和物镜之间,它的主要作用是通过试样台承载试样,移动试样。

(2)物镜:电镜的最关键的部分,投射电镜的好坏,很大程度上取决于物镜的好坏。物镜的最短焦距可达1毫米,放大倍数约为300倍,最佳分辨本领可达1埃,目前,实际的分辨本领为2埃。

(3)中间镜

(4)投影镜

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3)显像部分

这部分由观察室和照相机构组成。在分析电镜中,还有探测器和电子能量分析附件。

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2.真空系统

为了保证真在整个通道中只与试样发生相互作用,而不与空气分子发生碰撞,因此,整个电子通道从电子枪至照相底板盒都必须置于真空系统之内,一般真空度为10-4~10-7毫米汞柱。

3.供电系统

透射电镜需要两部分电源:一是供给电子枪的高压部分,二是供给电磁透镜的低压稳流部分。电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志。所以,对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流。近代仪器除了上述电源部分外,尚有自动操作程序控制系统和数据处理的计算机系统。

目前,风行于世界的大型电镜,分辨本领为2~3埃,电压为100~500kV,放大倍数50~1200000倍。由于材料研究强调综合分析,电镜逐渐增加了一些其它专门仪器附件,如扫描电镜、扫描透射电镜、X射线能谱仪、电子能损分析等有关附件,使其成为微观形貌观察、晶体结构分析和成分分析的综合性仪器,即分析电镜。它们能同时提供试样的有关附加信息。

二、电子显微镜的成像原理

目前,电子显微镜技术(electron microscopy)已成为研究机体微细结构的重要手段。常用的有透射电镜(transmission electron microscope,TEM)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)。与光镜相比,电镜用电子束代替了可见光,用电磁透镜代替了光学透镜,并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。

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1、透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)

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。

电子束投射到样品时,可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子发射,如电子束投射到质量大的结构时,电子被散射的多,因此投射到荧光屏上的电子少而呈暗像,电子照片上则呈黑色。称电子密度高(electron dense)。反之,则称为电子密度低(electron lucent)。

2、扫描电镜(Scanning Electron microscope)

扫描电镜是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态。用极细的电子束在样品表面扫描,激发样品表面放出二次电子,将产生的二次电子用特制的探测器收集,形成电信号运送到显像管,在荧光屏上显示物体。(细胞、组织)表面的立体构像,可摄制成照片。

扫描电镜能观察较大的组织表面结构,1mm左右的凹凸不平面能清所成像,故放样品图像富有立体感。

三、样本的制备

由于电子易散射或被物体吸收,故穿透力低,必须制备更薄的超薄切片(通常为50~100nm)。

其制备过程要求极严格。要在机体死亡后的数分钟钓取材,组织块要小(1立方毫米以内),常用戊二醛和饿酸进行双重固定,树脂包埋,用特制的超薄切片机(ultramicrotome)切成超薄切片,再经醋酸铀和柠檬酸铅等进行电子染色。

四、电镜技术的应用

在生命科学领域可用于胚胎及组织发生学方面的研究和观察;在临床上可用于多种疾病亚细胞结构病变的观察和诊断,特别是肾小球疾病及肌病的诊断,以及一些疑难肿瘤的组织来源和细胞属性判定,如一些去分化、低分化或多向分化肿瘤的诊断和鉴别诊断;最早关于细胞凋亡的形态学描述也是源于电镜的观察。

随着电镜技术的不断发展,以及与其他方法的综合使用,还出现了免疫电镜、电镜细胞化学技术、电镜图像分析技术及全息显微术等。

电镜技术也有其局限性:如电镜设备昂贵、样本制备较复杂、实验费用较高;另外,由于样本取材少,观察范围有限,有时还可能会遗漏信息;当用于辅助肿瘤外检诊断时,只能判定组织或细胞的来源,不能确定肿瘤的良恶性。