扫描电子显微镜在生产生活中的应用

1、. 研究生课程论文扫描电子显微镜在生产生活中的应用课程名称 xxx 姓 名 xxx 学 号 xxx 专 业 机械制造及自动化 任课教师 xxx 开课时间 xxx 教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间： 2016 年 6 月 27 日扫描电子显微镜在生产生活中的应用 作者：xxx学院：xxx年级：xxx 学号：xxx摘要：扫描电子显微镜是迄今为止，在物质结构的研究中能给出的信息最多，分辨本领最高的大型分析仪器。电镜已经在物理学,材料科学和生命科学等领域得到了广泛的应用。本文从扫描电子显微镜在人体形态学、刑事案件侦查技术、纺织品检测、粒度分析、纳米材料研究、植物分类学及矿物加工等领域中的

2、应用，来探讨扫描电镜的应用前景。关键词：物质结构；扫描电镜；粒度分析；应用前景1 前言电镜的产生要追溯到19世纪末的一系列科学发现。当时Abbe建立了显微镜分辨率的理论,即认为用显微镜看不到比显微镜的光源波长还小的物体。从这个理论出发,人们意识到用光学显微镜看不到原子。不过从另一方面看,Abbe的理论也指出了,如果能找到一个比光波波长还短的光源,就能提高显微镜的分辨率。1924年是近代科学史上的新纪元。德布罗意提出了波粒二重性的假说,并很快的为电子衍射的发现所证实。德国的布什又开创了电磁透镜的理论。具备了上述两个条件,使人们产生了制作一个新型显微镜的想法,即用具有波动性的电子做光源,再用电磁透

3、镜来放大。1932年德国的Knon和Ruska制成了第一台电镜。1934年他们又把电镜的分辨率提高到500人,这是近代电镜的先导。Ruksa也因此得到了1986年度诺贝尔物理奖的一半。1939年德国的西门子公司制造出第一台商品电镜。现在,一般的电镜的分辨率已达到原子分辨率的水平(2人)。已经使道尔顿和阿伏加德罗提出的原子和分子的理论得到了直接的证实。今后的电镜,作为大型分析设备,除了提高分辨本领之外,还要向操作自动化,多功能化方向发展,成为功能齐全,使用操作简单,给出的数据可靠的大型仪器。我们可以看到,在众多种类的显微镜家族中,透射电镜(TEM)是最佳的一种。. 2 扫描电镜的基本原理与结构

4、2.1 基本原理 扫描电子显微镜 (SEM) 的原理是利用细聚焦电子束在固体样品表面逐点扫描, 激发出二次电子、背散射电子、X 射线等信号, 经放大后在阴极射线管上产生反映样品表面形貌的图像1。2.2 电镜的结构图1给出了电镜的电子光学部分的剖面图，包括以下几个部分：电子枪 产生和加速电子。由灯丝系统和加速管两部分组成；照明系统 聚焦电子使之成为有一定强度的电子束，由两级聚光镜组合而成；样品室 样品台，交换、倾斜和移动样品的装置；成像系统 像的形成和放大。由物镜、中间镜和投影镜组成的三级放大系统。调节物镜电流可改变样品的离焦量。调节中间镜电流可改变整个系统的放大倍数；观察室 观察像的空间，由荧

5、光屏组成；照相室 记录像的地方。图1 电镜的电子光学部分的剖面图3 扫描电镜的应用3.1 扫描电镜在人体学中的应用人体解剖学的分科包括有巨视解剖学和微视解剖学。前者通过肉眼观察人体的形态结构，分为系统解剖学和局部解剖学; 后者用显微镜观察学习，分为组织学、细胞学和胚胎学、形态科学形成了大体解剖学、显微解剖学和超微结构解剖学5 个阶段从肉眼下的形态结构观测光镜下的微细形态结构到电子显微镜下的超微形态结构，从宏观到微观即人体系统器官组织细胞、亚细胞结构、分子、亚分子和原子，微观超微形态结构实验课的教学都离不开电子显微镜的使用，显示组织学和病理学实验内容，阅读全身各种正常组织和细胞的电镜图片，以判断

6、异常组织结构，形态学实验室所包括的课程内容各院校略有所差异，或多或少，对医学形态学的描述及分类不完全统一，但是，都以其直观形象和具体化易理解为特点。人体形态学实验包括人体解剖学、组织胚胎学、病理学，集中在显微形态学实验中心和人体形态学实验中心上实验课，达到了人体的结构从正常到病理，从宏观到微观的统一，学生可以依次观察到人体各系统器官结构、显微结构和病理结构( 光镜和电镜) ，容易形成一个比较系统和形象的知识体系。扫描电镜的在人体学中的应用例如用胰岛素样生长基因转染大鼠骨髓基质细胞，将这种细胞与新型的支架材料鸵鸟钙磷陶瓷骨复合，观察细胞生长状态，细胞不断分裂增殖，分泌大量细胞外基质，没有影响细胞

7、的正常生理功能，将这种三维立体模型用于牙周组织工程，有望取得较为理想的效果。在组织工程神经支架内生长良好，形态正常，并伸出伪足与管壁粘连紧密，该支架对骨髓间充质干细胞具有良好的细胞亲合性，骨髓间充质干细胞是骨髓中的一种具有多向分化潜能的干细胞，实验证实它具有促进周围神经轴突生长的作用，并且自体骨髓间充质干细胞易于获得。3.2 扫描电镜在刑事案件技术检测中的应用刑事案件中的爆炸案件能否侦破关键在于在现场能否找到与犯罪相关的物证，并通过检验为破案提供信息。但是，由于爆炸会对现场造成巨大破坏#其他刑事案件中常见的指纹、足迹等与人相关的物证已很少存在。因此，爆炸残留物的提取和检验在爆炸案件侦破中具有十

8、分重要的意义。利用扫描电子显微镜/能谱仪结合射线衍射仪对爆炸残留物进行形态观察和元素分析!可以有效地确定炸药的成分、种类特点，进而给侦查提供方向，为破案提供证据。2010年10月21日，北京市东城区东直门外46号天恒大厦停车场发生一起爆炸案，10月27日将犯罪分子雷某抓获。经现场提取的检材用扫描电子显微镜和X射线衍射仪进行检验，确定该爆炸案使用的炸药为烟火药（检出钾、钡、氯、硫、铝见图2）。并且与嫌疑人暂住地草地边提取的爆竹残段内烟火药成分相同（高氯酸钾、硝酸钡、硫、铝、见图3）爆炸残留物的快速检验及准确定性为案件的最终侦破提供了强有力的技术支持2。图2 爆炸物残留X射线能谱图图3 嫌疑人暂住

9、地爆竹残段内烟火药的X射线能谱图3.3 扫描电镜在纺织品检测中的应用纺织品大多由毛纤维组成，毛纤维经丝光处理后在光学显微镜下观察。由于扫描电子显微镜分辨率高且为三维图像, 所以很容易将经丝光处理后的毛纤维与羊绒纤维区别。同样, 在扫描电子显微镜观察下,很容易将丝光棉与化纤区别。由于扫描电子显微镜具有的独特性, 其还被应用于对各种特种毛纤维的区别, 如用于观察紫貂毛和水貂毛的区别等。摩擦性和耐磨性对于生产高品质的织物起着至关重要的作用。纱线之间互相接触的表面是导致纱线与纱线接触部分产生摩擦力的关键因素。扫描电子显微镜能够测量出面料表面的三维立体直观图, 它靠电子显微镜射出的直径约为 10nm的电

10、子束扫描面料表面, 然后得出精确、细致的织物表面形态。3.4 扫描电镜在粒度分析中的应用近年来，扫描电镜在粒度分析中得到了广泛的应用。粒度分析包括颗粒图像处理和颗粒数据处理。而颗粒的数据统计分析必须借助图像处理的手段，将有用信息收集起来以供分析之用!根据不规则油液颗粒定值方法 KB-30-2005采用 DT2000型图像处理软件，其处理图像功能比较全面，如图 4所示!图4 图像处理软件的功能框图具体操作时，由于滤膜灰度值 (背景峰值) 介于 2030之间，而颗粒灰度值则大于40，可将灰度值设为 30，根据图像的具体情况进行微调，从而将颗粒从背景图像中区分出来!同时，若要统计 450um尺寸范围

11、的颗粒，可将阈值参数设定在315 之间，这样像素面积小于该阈值的颗粒不予考虑!这样能够较好地满足需要!如图 4 所示就是未经处理的扫描电子显微镜图像 (a) 和阈值化的图像 (b) 的例子!在图 5(b)中某些颗粒 (带彩色标记) 被计入统计数据，因为它们的总像素面积超过了设定的阈值，而其他颗粒就不进行计数!图5 粒度图像阀值化过程图阈值设定完成后，要对每个颗粒的总像素面积、弦长和颗粒周长等参数进行计算!通过统计超过设定阈值对象的数目，就从图像上确定了在特定放大倍数下视场区域中的颗粒数!同时，剔除图像边缘处的颗粒，不计入总数!最后通过图像处理软件可以把最终测得的结果，包括被测颗粒序号、等效圆直

12、径、最大颗粒尺寸 (弦长)、最小颗粒尺寸 (弦长)、颗粒面积导入EXCELL汇总，这样就完成了颗粒图像的处理和数据的初步统计!颗粒的数据拟合是将不同放大倍数下得到的颗粒分布数据进行整合，以得到总的颗粒尺寸分布!颗粒在不同放大倍数下，其总的颗粒尺寸分布是通过连接各分段数据完成的!而对于各个不同的放大倍数 (例如 800X和 500X) 下的累积分布不能平滑相接，这是因为在同一样品上，不同放大倍数下都会有微小差别的增益设置和图像灰度变化，从而使每一个图像集都具有微小的区别特征!随着放大倍数的增加，得到的某一颗粒尺寸对应的颗粒统计数值不断变化，符合一定的统计规律，在此不作详述!在实际颗粒统计过程中，

13、可以通过对不同放大倍数下得出的大量统计数据的分析，按照上述的统计规律得出相应的统计值，以这些统计值为基础，绘制出一条 “平滑”的颗粒分布曲线!这一过程就是颗粒分布 “拟合”，实际就是对颗粒分布进行优化处理的过程3! 采用数据拟合技术，将不同放大倍率下获取的各个颗粒分布段 “平滑”叠加在一起，形成某个尺寸范围内总的颗粒尺寸分布，去掉了干扰数据，是各段数据的最优化组合!3.5 扫描电镜在植物分类学中的应用地球上已经发现的植物有40多万种。如此繁多的植物，只有先正确地识别它们，才能够有效的保护和利用它们为人类的生产生活服务。要正确地识别植物的种类，就必须掌握植物分类的知识。中国传统中医学对植物药性、

14、毒性的研究中，正确地辨别形态、特征相近的植物是至关重要的。如八角属约有60种，其中只有一种叫八角茴香的没有毒，它的成熟果实为调味香料，另外的种，尤其是莽草这个种，果实有剧毒，曾有误食致命者。可见植物的“种”是客观存在的。人类对植物形态的区分从最初的靠肉眼观察的性状描述水平，发展到借助光学显微镜观察的显微鉴别水平，从而对植物的微观形态如叶片表皮细胞、气孔、毛状体以及种子、花瓣、孢子和花粉等表面结构进行观察。但由于光学显微镜放大倍数和清晰度的局限性，对植物微观形态的观察研究并不理想，也无法继续深入。扫描电子显微镜（SEM）放大倍数远远超出了光学显微镜1000倍的极限，可达30万倍甚至更高，并具有成

15、像清晰、分辨率高、样品制备简单、三维立体图像等诸多优点，电子显微镜的应用使人类对植物形态的研究进入到亚显微水平，在植物分类学上的应用前景将是非常广泛的4。用于植物分类的性状始终要从广泛领域收集，如解剖学、发育学、微形态学、遗传学、细胞学、生化学及细胞生物学等。用细胞全息论来解释，所有细胞均有共同的基本组分和特有的结构规律性。这点无论在显微水平、亚显微水平还是分子结构水平均毫无例外地表现出来。通过对微细形态结构变化规律的研究，可以得到亚显微水平上特征量的变化趋势。业已证明，植物的一些微细形态结构特征，以其高度的品种专属性和稳定的遗传性，而成为植物分类鉴定的依据和标准。并有助于了解种间的亲缘关系远

16、近及进化地位。SEM相对于光学显微镜、投射电镜在研究植物亚显微结构上有明显的优势，光学显微镜局限放大倍数和清晰度，而透射电子显微镜需超薄切片，染色复杂，扫描电子显微镜观察材料不需预处理，直接真空喷涂，直接观察，景深又大，图像清晰，又能进行微区处理分析，使之具有显明的优势。4 扫描电镜的应用前景扫描电子显微镜(SEM)依靠其高分辨率、良好的景深、简易的操作等优势,被大量应用于人体学观察、刑事案件中爆炸物元素组成分析、粒度分析及植物亚显微形态的观察等领域。同时，受限SEM成像原理及机械工艺的限制，成像质量的好坏受多种因素的影响，包括荷电效应、像散等无法避免但能尽量消除的因素和SEM各观测条件对成像影响的因素。要想获得高质量图像，就要全面了解各影响因素的成因，熟练掌握其解决方法，并能依据应用领域的不同，正确选择SEM观察条件。只有这样，才能更好的充分利用好SEM为生产与研究做出更大贡献，才能保证