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透射电子显微镜：定义、部件、工作原理、应用、优点、缺点
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广告 目录 什么是透射电子显微镜？在透射电子显微镜中，电子束透过非常薄的样本或物体，形成样本的高度放大和详细图像。该显微镜使用电子束代替光。透射电子显微镜中使用的标本应该非常薄，厚度小于 100 nm。透射电子显微镜可以产生比光学显微镜更高的分辨率和放大的图像，因为与光子相比，电子的波长更短。在 TEM 中，样品的图像是由透射电子束与样品之间的相互作用形成的。与简单的显微镜相比，TEM 可以更好地告诉我们样品的结构、结晶、形态和应力。然后将形成的图像放大并在荧光屏（照相胶片层）上可视化。Ernst Ruska 和 Max Knolls 于 1931 年发现了第一台透射电子显微镜。透射电子显微镜的部件 透射电子显微镜的部件Advertisements 1. 电子枪电子枪是透射电子显微镜 (TEM) 的关键部件，负责生成用于创建样品图像的电子束。 电子枪通常由几个部分组成，包括：电子枪灯丝： 电子枪灯丝是一根用电流加热到高温的细线。 当灯丝被加热时，由于热电子发射过程，它会发射电子。Wehnelt气缸： Wehnelt 圆筒是放置在电子枪灯丝周围的小金属圆筒。 它被充电到高电压，用于控制电子束的形状和强度。电子枪镜头： 电子枪透镜用于将电子束聚焦到样品上。 电磁透镜通常用于 TEM 以聚焦电子束。阳极： 阳极是放置在电子枪前面的金属板。 它被充电到高电压，用于加速电子束中的电子。总的来说，电子枪负责产生电子束，用于在 TEM 中创建样品图像。 它是显微镜的重要组成部分，在生成样品的高分辨率图像方面起着关键作用。透射电子显微镜用电子枪的种类透射电子显微镜 (TEM) 中使用的电子枪有多种类型，包括： Advertisements热辐射器： 热发射器是 TEM 中最常用的电子枪类型。 他们使用细小的灯丝，通过电流将其加热到高温。 当灯丝被加热时，由于热电子发射过程，它会发射电子。场发射器： 场发射器是一种使用电场发射电子的电子枪。 它们通常由放置在高电场中的尖锐金属尖端制成，用于产生高度聚焦的电子束。 场发射器比热发射器具有更高的分辨率，但更难维护并且在 TEM 中不太常见。冷阴极发射器： 冷阴极发射器是一种电子枪，它使用高电场从固体材料中发射电子。 它们通常由放置在高电场中的小金属尖端制成，用于产生高度聚焦的电子束。 冷阴极发射器在 TEM 中不太常见，但可以产生高分辨率图像。总的来说，TEM 中使用的电子枪类型取决于用户的具体要求和需要。 热发射器是 TEM 中最常用的电子枪类型，但场发射器和冷阴极发射器也可用于某些应用。 广告 发夹式钨丝 单晶 LaB6 灯丝2.真空系统透射电子显微镜 (TEM) 中的真空系统是显微镜的关键部件，用于维持显微镜镜筒内的高真空。真空系统是必要的，以允许电子束穿过样品而不被空气分子散射或吸收。TEM 中的真空系统由几个部分组成，包括：泵：泵用于通过去除柱中的气体分子在显微镜柱内产生真空。 有几种类型的泵可用于 TEM，包括机械泵、低温泵和离子泵。电子管：阀门用于控制进出显微镜柱的气体流量，通常位于柱的入口和出口处。筛选：过滤器用于去除用于抽空色谱柱和保持真空的气体中的污染物。仪表：压力表用于测量显微镜柱内的压力并确保真空处于适当的水平。总的来说，TEM 中的真空系统是显微镜的关键部件，它是维持电子束穿过样品而不被散射或吸收所需的高真空所必需的。真空系统的工作通常将标准 TEM 抽真空至 10^-4 Pa 数量级的低压，以改善电子-气体相互作用的平均自由程。 这是必要的，原因有二：第一，允许阴极与地之间的电压差不形成电弧；第二，将电子与气体原子的碰撞频率降至可以忽略不计的水平，其特点是平均自由小路。必须定期插入或更换 TEM 组件，例如样品架和胶片盒，这就需要一个能够定期重新抽空的系统。 因此，TEM 配备了各种泵系统和气闸，并且它们不是永久真空密封的。Advertisements真空系统由多个级组成，用于将 TEM 抽空至操作压力水平。 最初，使用旋片泵或真空泵产生低真空或粗真空。 光圈 产生足够低压力的泵，使涡轮分子泵或扩散泵能够运行，从而产生操作所需的高真空度。为了允许低真空泵在涡轮分子泵连续运行时间歇运行，低压泵的真空侧可以连接到包含涡轮分子泵废气的腔室。通过使用限压孔隔离 TEM 的各个部分，可以在特定位置实现不同的真空水平，例如高分辨率或场电子枪中的 10^-4 至 10^-7 Pa 或更高的真空度-发射 TEM。为了防止电弧的形成，特别是在 TEM 阴极，高压 TEM 需要 10^-7 至 10^-9 Pa 范围内的超高真空。因此，对于更高电压的 TEM，可以使用第三个真空系统，枪通过闸阀或差动泵孔与主室隔离——一个小孔，可以防止气体分子更快地扩散到更高真空的枪区域它们可以被抽出。 对于这些极低的压力，可以使用离子泵或吸气材料。TEM 中的真空不足会导致各种问题，从 TEM 内部的气体沉积到通过电子束诱导沉积观察到的样品上，到由放电引起的更严重的阴极损坏。 使用冷阱吸收样品区域的升华气体可避免样品升华产生的真空问题。3. 标本台透射电子显微镜 (TEM) 中的标本台是用于固定被研究样品的平台。 样品台位于显微镜柱的中心，旨在将样品固定在电子束中的精确位置。可以调整 TEM 中的样品台以在各个方向上移动样品，包括上下、左右和前后。 这允许用户将样品定位在电子束中的最佳位置，并研究样品的不同区域。TEM 中的样品台通常由金属材料制成，例如铝或铜，并涂有绝缘材料以防止样品带电。 该平台还可以配备各种机制，例如加热元件或冷却系统，以控制样品的温度。气闸被纳入 TEM 样品台的设计中，以允许将样品架插入真空中，而显微镜其他区域的真空损失很小。试样架固定标准尺寸的样品网格或自支撑试样。 标准 TEM 网格的直径为 3.05 毫米，厚度和网格大小从几个到 100 米不等。样品位于大约 2.5 毫米直径的网格区域。 通常，铜、钼、金或铂用于网格。 该网格位于样品架内，与样品台相连。根据所进行的实验类型，可提供多种载物台和支架设计。 除了 3.05 毫米网格外，还使用 2.3 毫米网格，尽管不经常使用。在矿物科学中，可能需要高度倾斜且标本材料可能极其稀缺，因此广泛使用了这些网格。 电子透明样品的厚度通常小于 100 nm，但这个数字随加速电压而变化。样品台类型TEM 载物台有两种主要设计：侧入式和顶入式。 每种设计都必须容纳相应的样品架，以便在不破坏脆弱的 TEM 光学器件或使气体进入在真空下运行的 TEM 系统的情况下允许样品插入。 侧入式：最常见的支架是侧入口支架，其中样品放置在长金属（黄铜或不锈钢）杆的尖端附近，平放在小孔中。沿着杆有许多聚合物真空环，当引入平台时，可以形成足够的真空密封。因此，载物台的设计适合杆，将样本放置在杆之间或附近。 物镜，取决于目标的设计。当放入载物台时，侧入口支架的尖端被困在 TEM 真空内，而其底部通过真空环产生的气闸暴露在大气中。在将样品插入 TEM 柱之前，侧入式 TEM 支架的插入过程通常需要旋转样品以激活微型开关，开始气闸抽空。顶部入口支架：第二种设计，顶入式刀柄，由几厘米长的弹药筒组成，弹药筒的轴线上有一个孔。 样本被插入孔中，可能使用一个小的螺丝环来固定它。 该墨盒被放入垂直于 TEM 光轴的气闸中。 当气闸关闭时，通过操纵气闸将筒推入到位，使钻孔与光束轴线对齐，光束向下穿过筒孔并进入样品。 通常，此类设计不能在不阻碍光束路径或干扰物镜的情况下倾斜。4.电子透镜透射电子显微镜 (TEM) 中的电子透镜是一种用于将电子束聚焦到样品上的装置。 电子透镜由一系列以特定图案排列的电磁铁组成，用于弯曲电子路径并将其聚焦到样品上。 Advertisements广告TEM 中使用了多种类型的电子透镜，包括： 物镜： 物镜是 TEM 中的主透镜，负责将电子束聚焦到样品上。 它通常位于样品附近，用于生成样品的高分辨率图像。中间镜头： 中间透镜位于电子枪和物镜之间，用于校正物镜的球差。投影镜头： 投影镜头位于显微镜目镜附近，用于将样品的图像投射到目镜上。电子透镜的工作原理电子透镜旨在通过将平行电子聚焦在固定焦距处来实现类似于光学透镜的功能。 电子透镜可以使用静电力或磁力工作。大多数用于透射电子显微镜 (TEM) 的电子透镜采用电磁线圈来形成凸透镜。 偏离磁透镜的径向对称会产生像散等像差，并加剧球差和色差。电子透镜由铁、铁钴或镍钴合金组成，例如坡莫合金。 选择它们是因为它们的磁特性，包括磁饱和、磁滞和磁导率。组件包括磁轭、磁线圈、磁极、极靴和外部控制电子设备。 由于这为形成透镜的磁场提供了边界条件，因此极片必须以高度对称的方式构造。极片制造过程中的不准确会导致磁场对称性发生严重扭曲，进而限制镜头再现物平面的能力。通常，间隙、极片内径和锥度的确切参数，以及透镜的整体设计，由磁场的有限元分析确定，同时考虑热和电气设计限制。镜头轭内有产生磁场的线圈。 线圈可以包含变化的电流，但通常使用高电压，因此需要大量绝缘以防止镜头组件短路。热分配器的位置可确保提取线圈绕组电阻产生的热量。为了帮助去除高热负荷，绕组可以使用冷冻水供应进行水冷。 TEM 分裂极片设计透镜图5. 孔径孔径是椭圆形的金属板，可以阻挡离光轴太远的电子通过。这些设备由薄金属盘组成，其厚度足以阻挡径向电子通过但对轴向电子开放。Advertisements当来自电子束中心的电子被允许通过时，透射电子显微镜 (TEM) 的孔径会产生两种效果：首先，电子束强度会降低，因为电子被从电子束中过滤掉了。这对于光束敏感的物品可能是理想的。 其次，这种过滤消除了分散到极端角度的电子，这些电子可能来自不受欢迎的过程，如球差或色差，或者来自样品内部接触的衍射。一些孔径，如聚光透镜，永久安装在柱内，而其他孔径可通过插入光束路径或从光束路径中移除，或通过在垂直于光束的平面中移动来调节。光圈组件是一种机械装置，可让您在多种光圈尺寸之间进行选择，从而让您根据需要调整光传输和过滤之间的平衡。 为了微调用于光学校准的孔径，许多孔径组件包括微调千分尺。 图片：透射电子显微镜 | 图片来源：www.britannica.com6. 图像记录系统它由用于观看图像的荧光屏和聚焦装置组成。 还包括一个数码相机，可以在查看后记录图像。真空系统防止电子与空气分子碰撞，导致它们以不同方式移动和聚焦。 吸尘允许电子直接移动到图像。真空系统由泵和压力表、阀门和电源组成。单色图像呈灰色、黑色和白色。 电子必须是肉眼可见的。 因此，它们可以通过底部的荧光屏。以数字方式，可以拍摄图像并在计算机上显示。 还可以保存 JPEG 和 TIFF 格式。 根据使用的记录设备，图像可以从单色状态转换为彩色状态。 例如，像素相机可以存储彩色图像。彩色图像可以轻松识别和表征图像。7. 显示器和检测器探测量子效率 (DQE)、点扩散函数 (PSF)、调制传递函数 (MTF)、像素大小和阵列大小、噪声、数据读出速度和辐射硬度是电子探测中最重要的元素。AdvertisementsTEM 中的成像系统包括一个荧光屏，该荧光屏可能由薄的 (10–100 m) 颗粒状硫化锌组成，供操作员直接观察，以及可选的图像记录系统，如摄影胶片、连接的掺杂 YAG 屏幕CCD 或其他数字检测器。通常，操作员可以根据需要将这些组件移除或插入到光束路径中。 虽然胶片能够以高分辨率捕获信息，但难以实现自动化，而且无法实时查看结果。将电荷耦合器件 (CCD) 检测器用于透射电子显微镜 (TEM) 的第一份报告是在 1982 年，尽管该技术的广泛应用直到 1990 年代末/2000 年代初才出现。TEM 还使用单片有源像素传感器 (MAPS)。 自 2005 年以来，TEM 使用了 CMOS 检测器，这种检测器比 CCD 速度更快、抗辐射损伤能力更强。从 2010 年代初开始，CMOS 技术的进步使得能够检测单电子计数（“计数模式”）。 Gatan、FEI、Quantum Detectors 和 Direct Electron 提供直接电子探测器。 透射电镜工作原理| 图片来源：www.ccber.ucsb.edu透射电镜工作原理透射电子显微镜中的电子炮发射电子束。 电子被电磁线圈加速到极高的速度，电子枪中的电压高达数百万伏。 广告具有排除高角度电子的大孔径的聚光透镜将电子束聚焦成狭窄的微小光束。 达到最大速度后，电子冲过超薄样品，电子传输量取决于样品的透明度。 物镜根据样品发射的光束的一部分形成图像。 TEM 的另一个组件是真空系统，这是防止电子和气体原子之间碰撞所必需的。 广告使用旋转泵或隔膜泵，首先会产生低真空，从而为扩散泵的运行提供足够低的压力，最终达到足以运行的真空水平。 高电压 TEMS 需要极高的真空度，因此可以使用第三个真空系统。 由 TEM 创建的图像（称为显微照片）被投影到磷光屏幕上以供查看。 当用电子束轰击时，该屏幕会发射光子。 放置在屏幕下方的胶片相机可用于捕捉图像，或者电荷耦合器件 (CCD) 相机可用于数字捕捉。 广告 透射电子显微镜 (TEM)Advertisements您可能会喜欢这些文章： 电子显微镜：定义、类型、部件、应用、优点、缺点显微镜的种类及其应用复合显微镜：定义、部件、应用、工作原理。简易显微镜：工作原理、用途、零件及其功能。透射电子显微镜是如何工作的？首先加热一根钨丝，也叫电子枪。加热的钨丝或电子枪将开始释放电子束。电磁线圈和高压（高达数百万伏特）施加到这些电子束上以加速它们的速度（极高速度）。 具有高孔径的聚光透镜消除了所有高角度电子，并将所有电子束聚焦成一束细小的电子束。高速电子束现在通过样品传输。透射的电子束在物镜的帮助下聚焦成图像。TEM 的疫苗室防止电子与气体原子碰撞。电子束投射到磷光屏上，产生标本的图像，也称为显微照片。所有图像均由位于屏幕下方的电荷耦合器件 (CCD) 相机拍摄。TEM 样品制备这是一个非常复杂的过程。 试样厚度应小于 100 纳米，否则电子束无法通过。 样本应为 20-100nm 薄和 0.025-0.1nm 直径。 广告TEM 的样品制备通过以下步骤完成； 1. 标本固定：它有助于稳定细胞，从而防止细胞进一步发生变化或受损。 这可以通过两种方法完成； A。 标本化学固定：它有助于稳定生物样品。 的交联 蛋白质 分子与附近的分子是由那些化学物质完成的。 该方法主要使用戊二醛。 b. 标本冷冻固定：在这种方法中，将标本浸入液氮或液氦中进行快速冷冻。 这将有助于从样品的含水量中形成玻璃冰。 2.冲洗使用二甲胂酸钠等缓冲液适当冲洗样品，以防止样品酸度增加。它将保持样品中的 pH 值。3.二次固定它是在四氧化锇 (OsO4) 的帮助下进行的。二次固定有助于增加标本内部微小结构的对比度并提供更高的稳定性。这将转换 蛋白质 结果，通过结合磷脂头区域增加了附近细胞质之间的对比度。4.脱水该方法涉及用有机溶剂（例如， 乙醇 和丙酮。此过程可防止环氧树脂与水混合。5.渗透在这种方法中，环氧树脂被添加到样品中，它将占据样品中的所有空间。 细胞.它会使宇航员太硬而无法承受切片或切割的压力，这种方法也称为嵌入。现在将树脂在 60° 的烘箱中放置过夜以使其凝固，这种方法称为聚合6。 抛光这是用超细磨料完成的，使样品具有镜面般的光洁度。此步骤有助于减少样品上的划痕，并最大限度地减少可能降低图像质量的其他问题。 7。 切割这一步的主要目的是使样品半透明，这将允许电子束通过它。此步骤使用称为超薄切片机的设备完成。超薄切片机包含一把玻璃刀或金刚石刀，可将样品切成细块（30 nm 和 60 nm）。完成此步骤后，将标本移至铜网格中，以便在显微镜下观察。8.染色样本的染色是在铀、铅或钨等重金属的水溶液中进行的。这将有助于增加标本中不同结构之间的对比度，也有助于散射电子束。*冷冻标本的制备方法是直接切割它们，然后在 TEM 下观察之前使用铂、金或碳的蒸气进行遮蔽。 标本的制备也可以通过以下方法进行； 离子开采： 在这种方法中，通过在其表面发射带电的氩离子直至其变得足够透明来使样品变薄。 聚焦离子采矿工艺利用镓离子进行镀锡。截面法： 这种技术主要用于检查接口。复制技术： 仅当用于制作薄片的大块样品不能被破坏时才使用。电解抛光： 电解抛光是一种用于制作薄金属或合金样品的技术。 这种方法采用了各种技术，例如取芯、滚压、研磨和剥离。什么是冷冻止痒疗法？冷冻止痒用于处理微生物细胞，以减少与人工制品相关的潜在危险。 这与可能导致污染的化学固定和脱水不同。 一种针对微生物细胞器的特殊疗法是冷冻止痒。 样品首先用液氮制备，然后在-100°C 的真空室中加热。接下来，在 -196°C 的液氮中使用预冷刀切割切片。 切片的样本可以在高真空中加热大约 2 分钟。 之后，可以在其上施加铂和碳层。然后可以在 TEM 中查看这些，TEM 以 3D 形式显示每个细胞的更详细的内部结构。这是液氮治疗的冻痒阶段。TEM 成像从电子枪释放后，聚光镜将电子束聚焦到样品上。聚光器孔径将高角度电子从电子束中排除。现在一些电子束撞击样品并通过它传输。物镜将传输的电子束聚焦在磷屏或电荷耦合器件 (CCD) 相机上，以形成标本的图像。可选的物镜孔径可用于阻挡高角度衍射电子，以增加图像的对比度。现在图像通过立柱和投影仪镜头形成放大图像。当图像投射到磷屏上时，它会产生光，让观看者看到图像。图像的暗区表示样品上传输较少电子的那些区域。图像中较亮的区域表示样品上传输更多电子的区域。什么是衍射点？穿过样品后，由于样品中的组成元素设置的静电势，电子开始散射。 传输的电子现在通过电磁物镜，该物镜有助于将所有散射电子从样品或标本的一点聚焦到图像平面中的一点。 此外，下图显示的是一条虚线，其中样品沿相同方向散射的电子被收集到一个点中。 这是物镜的后焦平面，也是形成衍射图案的地方。  图片：衍射点 | 图片来源：warwick.ac.uk透射电子显微镜的应用TEM 用于研究地形、形态、成分和晶体信息。Advertisements它有助于分析标本的结构和质地。用于半导体分析的 TEM。TEM 还用于计算机和硅芯片的生产和制造。技术公司还使用它来识别微型物体的缺陷、断裂和损坏。TEM 还用于学院和大学的研究和学习目的。区分动物细胞和植物细胞。它还用于纳米技术，用于研究纳米粒子，如 ZnO 纳米粒子它可用于识别和检测骨折。研究和可视化细菌、病毒和细菌的细胞结构 真菌.查看细菌 鞭毛 和质粒查看微生物细胞器的大小和形状透射电子显微镜 (TEM) 的优势与普通显微镜相比，TEM 可提供 1 万倍的放大倍数。它提供有关标本结构的详细信息。TEM 可以生成高质量和详细的标本图像。通过适当的培训很容易操作。它可以产生永久图像。它可以以多种方式使用，包括基础生物学和纳米技术、教育和工业应用。透射电子显微镜 (TEM) 的局限性它们非常昂贵。TEM 体积非常大，它们需要一个房间才能操作。需要适当的培训才能为 TEM 准备标本。除非在可视化结束时使用荧光屏，否则它会生成单色图片。它们对电磁运动和振动很敏感，因此仅在受保护的区域使用。要发挥作用，它需要恒定的电压流。它们可能难以维护。化学固定剂、脱水剂或嵌入物可能会严重损坏人工制品。TEM 中仅使用电子透明样品。操作 TEM 需要特殊培训。准备在 TEM 下观察的标本很繁琐。SEM 和 TEM 之间的差异 SEM 和 TEM 之间的差异SEMTEM电子类型散射的扫描电子传输电子高压~1–30 kV~60–300 kV试样厚度不限通常 |
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