电子显微镜原理结构及缺点综述潞西

电子显微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的放大倍数下成像的仪器。 近年来，电镜的研究和制造有了很大的发展：一方面，电镜的分辨率不断提高，透射电镜的点分辨率达到了0.2-0.3nm，晶格分辨率已经达到0.1nm左右，通过电镜，人们已经能直接观察到原子像；另一方面，除透射电镜外，还发展了多种电镜，如扫描电镜、分析电镜等。电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。接下来小编来与大家聊聊电子显微镜的相关内容，包括：电子显微镜原理、结构、缺点、应用领域、和光学显微镜的区别、在农业上的应用。

电子显微镜原理

目前，电子显微镜技术已成为研究机体微细结构的重要手段。常用的有透射电镜和扫描电子显微镜。下面分别介绍两种电子显微镜的工作原理：

一、透射电子显微镜

透射电镜即透射电子显微镜通常称作电子显微镜或电镜(EM)，是使用最为广泛的一类电镜。

1、工作原理：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。

2、主要优点：分辨率高，可用来观察组织和细胞内部的超微结构以及微生物和生物大分子的全貌。

二、扫描电镜

扫描电镜即扫描电子显微镜，主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构、管腔内表面的结构等。

1、工作原理：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。

2、主要优点：景深长，所获得的图像立体感强，可用来观察生物样品的各种形貌特征。

电子显微镜结构

电子显微镜由电子光学系统、真空系统和供电系统三部分组成，下面分别介绍三部分：

一、电子光学系统

1、电子光学系统主要有电子枪、电子透镜、样品架、荧光屏和照相机构等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。

2、电子枪是由钨丝热阴极、栅极和阴极构成的部件。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。

3、电子透镜是电子显微镜镜筒中最重要的部件，它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦，其作用与玻璃凸透镜使光束聚焦的作用相似，所以称为电子透镜。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。

二、真空系统

1、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。

三、 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。

电子显微镜的缺点

1、在电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本，随着技术的进步，环境扫描电镜将逐渐实现直接对活样本的观察；

2、在处理样本时可能会产生样本本来没有的结构，这加剧了此后分析图像的难度；

3、由于电子散射能力极强，容易发生二次衍射等；

4、由于为三维物体的二维平面投影像，有时像不唯一；

5、由于透射电子显微镜只能观察非常薄的样本，而有可能物质表面的结构与物质内部的结构不同；

6、超薄样品（100纳米以下），制样过程复杂、困难，制样有损伤；

7、电子束可能通过碰撞和加热破坏样本；

8、此外电子显微镜购买和维护的价格都比较高。

电子显微镜的应用领域

一、工业方面： 

1、工业检视，例如电路板、精密机械等；

2、印刷检视，SMT焊接检查；

3、纺织检视；

4、IC表面检查；

二、美容方面：

1、皮肤检视；

2、发根检视； 

3、红外理疗（特定产品）；

三、生物应用：

1、微生物观察；

2、动物切片观察；

3、植物病虫观察；

四、其他： 

1、扩视器，协助智障人士阅读；

2、宝石鉴定； 

3、古董，字画，玉器文物等鉴定；

4、其他一些视频图像分析领域。

电子显微镜和光学显微镜的区别

1、照明源不同：

电镜所用的照明源是电子枪发出的电子流，而光镜的照明源是可见光(日光或灯光)，由于电子流的波长远短于光波波长，故电镜的放大及分辨 率显著地高于光镜。  

2、透镜不同：

电镜中起放大作用的物镜是电磁透镜(能在中央部位产生磁场的环形电磁线圈)，而光镜的物镜则是玻璃磨制而成的光学透镜。电镜中的电磁透镜共有三组，分别与光镜中聚光镜、物镜和目镜的功能相当。  

3、成像原理不同：

在电镜中，作用于被检样品的电子束经电磁透镜放大后打到荧光屏上成 像或作用于感光胶片成像。其电子浓淡的差别产生的机理是，电子束作用于被检样品时，入射电子与物质的原子发生碰撞产生散射，由于样品不同部位对电子有不同散射度，故样品电子像以浓淡呈现。而光镜中样品的物像以亮度差呈现，它是由被检样品的不同结构吸收光线多少的不同所造成的。 

4、分辨率：

光学显微镜因为光的干涉与衍射作用，分辨率只能局限于02-05um之间。电子显微镜因为采用电子束作为光源，其分辨率可达到1-3nm之间，因此光学显微镜的组织观察属于微米级分析，电子显微镜的组织观测属于纳米级分析。 

5、景深：

一般光学显微镜的景深在2-3um之间，因此对样品的表面光滑程度具有极高的要求，所以制样过程相对比较复杂。扫描电镜的精神则可高达几个毫米，因此对样品表面的光滑程度几何没有任何要求，样品制备比较简单，有些样品几何无需制样。体式显微镜虽然也具有比较大的景深，但其分辨率却非常的低。  放大倍数：光学显微镜有效放大倍数1000X。电子显微镜有效放大倍数。 

6、所用标本制备方式不同：

电镜 观察所用组织细胞标本的制备程序较复杂，技术难度和费用都较高，在取材、固定、脱水和包埋等环节上需要特殊的试剂和操作，最后还需将包埋好的组织块放人超薄切片机切成50～100nm厚的超薄标本片。而光镜观察的标本则一般置于载玻片上，如普通组织切片标本、细胞涂片标本、组织压片标本和细胞滴片标本。可达到1000，000X

7、应用领域：

光学显微镜主要用于光滑表面的微米级组织观察与测量，因为采用可见光作为光源因此不仅能观察样品表层组织而且在表层以下的一定范围内的组织同样也可被观察到，并且光学显微镜对于色彩的识别非常敏感和准确。电子显微镜主要用于纳米级的样品表面形貌观测，因为扫描电镜是依靠物理信号的强度来区分组织信息的，因此扫描电镜的图像都是黑白的，对于彩色图像的识别扫描电镜显得无能为力。扫描电镜不仅可以观察样品表面的组织形貌，通过使用EDS、WDS、EBSD等不同的附件设备，扫描电镜还可进一步扩展使用功能。通过使用EDS、WDS辅助设备，扫描电镜可以对微区化学成分进行分析，这一点在失效分析研究领域由为重要。使用EBSD，扫描电镜可以对材料的晶格取向进行研究。

电子显微镜在农业上的应用

一、电子显微镜在农业上的应用及进展 

1、扫描电子显微镜在农业领域的应用 

扫描电子显微镜(SEM)具有景深大、图像立体感强、分辨率高、图像范围大以及样品制备过程比较简单等优点，已引起农业科研人员的高度重视和青睐。扫描电镜在农业科研中主要是研究动植物、微生物、昆虫等不同组织和微小器官的表面形态及内部结构，从而加深理解它们在生理机能上的应用，探索有机体的生活规律。如：在昆虫方便主要是提高对其微小器官的辨别能力、提高分类水平，同时进一步弄清器官的作用，对昆虫的外部形态进行特征描述和比较，研究其形状变化及其规律和结构的特征以便有更深的了。在植物方面，研究农作物的花粉、果皮、种皮表面花纹及种子内部结构等特征，这在分类学上具有重要意义。在微生物方面，对研究真菌、放线菌、细菌的分类、辨别科属、判断病源等起较大的作用，尤其是对病菌的活动、孢子发芽、侵入寄主等，用扫描电镜观察均能获得满意的效果。 

2、透射电镜在农业上的应用 

透射电子显微镜( TEM) 主要是由电子光学系统、真空系统、供电系统和辅助系统组成。透射电镜成像原理是用不带有信息的电子射线，在通过样品时与样品发生作用，而当电子射线在样品另一面重新出现时，已经带有样品的信息，然后进行放大处理，使人们能够看到其内部的微观信息而进行解释。当电子束与样品物质相互作用时，可产生很多带有样品的信息，如透射电子、散射电子、二次电子等。透射电镜的像反差是由入射电子通过样品时，发生的散射吸收差、衍射差和像位差来决定成像的。在农业生物样品观察中，随着电子显微镜分辨率的不断提高，电子显微镜图像的清晰度已将不完全取决于电子显微镜的分辨率，而很大程度上取决于样品的制作技术。透射电镜农业生物样品常用的制备技术有：超薄切片技术、免疫电镜技术、负染色技术、生物大分子电镜技术等。植物病毒作为一类侵蚀被子植物、裸子植物和蕨类植物的重要病源物，在全世界范围内引起农作物、果树、花卉、牧草、药用植物的病害，造成产量和品质的下降，严重影响人类的生产生活。应用电子显微镜技术在确定病毒的形态结构、基因组织结构及功能、病毒复制过程、病毒与寄主之间相互关系的深入了解，观察细胞超微观结构病变方面具有其他方法不可替代的作用，为逐步揭示病毒的本质，最终解决病毒、病害问题奠定基础。

上述是小编为大家介绍的电子显微镜原理、结构、缺点、应用领域、和光学显微镜的区别、在农业上的应用。随着现代科学技术的不断深入发展，电子显微镜的应用技术也日趋广泛，作为观察微观世界的“科学之眼”——电子显微镜所具有的高分辨、直观性的特点是任何其他科学仪器无法代替的，电子显微镜对医学、生物学、物理学、化学、冶金学以及材料学学科的发展起了卓越的作用，电子显微镜在许多学科的研究工作中已成为不可缺少的常规仪器。

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