实用-第9次课

1、第一节扫描电镜的基本构造第一节扫描电镜的基本构造第二节扫描电镜的成像原理第二节扫描电镜的成像原理 第三节扫描电镜的性能与应用第三节扫描电镜的性能与应用第第六六章扫描电子显微镜章扫描电子显微镜Scanning Electron Microscope (SEM)韩国韩国MIRERO扫描电镜扫描电镜AIS2100 电镜扫描的结构示意图电镜扫描的结构示意图人卵子的电子显微镜彩色强化扫描图人卵子的电子显微镜彩色强化扫描图v 电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）v 信号检测与转换系统信号检测与转换系统v 信号显示与记录系统信号显示与记录系统v 真空系统与供电系统真空系统与供电系统第一节扫描电镜的基本构

2、造第一节扫描电镜的基本构造扫描电镜扫描电镜电子光学系统电子光学系统（镜筒）（镜筒）样品室样品室真空系统与供电系统真空系统与供电系统二次电子检测器二次电子检测器信号显示与记录系统信号显示与记录系统电子枪电子枪系列聚光镜系列聚光镜扫描线圈（偏转线圈）扫描线圈（偏转线圈）信号检测与转换系统信号检测与转换系统背散射电子检测器背散射电子检测器一、电子光学系统（镜筒）一、电子光学系统（镜筒）. .电子枪电子枪其构造、原理和用途与透射电镜相似，也其构造、原理和用途与透射电镜相似，也是由阴极、栅极和阳极组成。阴极是是由阴极、栅极和阳极组成。阴极是V V型钨丝，型钨丝，直径只有直径只有0.l2mm0.l2mm，

3、当通电加热到一定温度时，当通电加热到一定温度时，尖端即发射出电子束流。在阴极与阳极之间产尖端即发射出电子束流。在阴极与阳极之间产生的生的1 10kV0kV的加速电压的作用下，形成直径约的加速电压的作用下，形成直径约30305O5O微米的高速电子束流，我们又常把它称为微米的高速电子束流，我们又常把它称为交叉光点或电子光源。交叉光点或电子光源。. .系列电磁透镜系列电磁透镜 又称聚光镜，位于电子枪的下方。一般装又称聚光镜，位于电子枪的下方。一般装有有2 23 3级电磁透镜，有汇聚电子束流的作用，级电磁透镜，有汇聚电子束流的作用，能使它的直径缩小到只有能使它的直径缩小到只有3 31Onm1Onm，这

4、种极细，这种极细的电子束又被称为电子探针。的电子束又被称为电子探针。. .扫描装置扫描装置v 扫描装置即偏转线圈，由两组电磁线圈组成，扫描装置即偏转线圈，由两组电磁线圈组成， 可以控制电子探针在可以控制电子探针在X/YX/Y两个方向作光栅状的两个方向作光栅状的 扫描。扫描。v 一般扫描电镜中装备三个偏转线圈，一个用一般扫描电镜中装备三个偏转线圈，一个用 于电子探针在样品的表面扫描，另外两个可于电子探针在样品的表面扫描，另外两个可 以控制用作观察和摄影的显像管，使显像管以控制用作观察和摄影的显像管，使显像管 中的电子束在荧光屏上同步扫描。中的电子束在荧光屏上同步扫描。. .样品室样品室v 位于镜

5、筒与真空系统之间，设有空气闭锁装置。位于镜筒与真空系统之间，设有空气闭锁装置。 这是为了在换样品时不破坏镜筒的真空，同时又这是为了在换样品时不破坏镜筒的真空，同时又 可以保护灼热的灯丝，防止氧化，延长使用寿命。可以保护灼热的灯丝，防止氧化，延长使用寿命。v 扫描电镜样品室最突出的特点是大，它可以放下扫描电镜样品室最突出的特点是大，它可以放下 直径约直径约lOcmlOcm的样品台的样品台( (而透射电镜样品载网的直径而透射电镜样品载网的直径 只有只有3mm)3mm)。v 另外还装有样品微动装置，使样品可以上下左右另外还装有样品微动装置，使样品可以上下左右 ( (约约4cm4cm以内以内) )移动

6、，并可以倾斜移动，并可以倾斜 ( (约约-15-15+90+90度度) )和和 旋转旋转(360(360度度) )。这样就大大扩展了观察面。这样就大大扩展了观察面。v 有的扫描电镜还设有冷冻样品台，能观察冷冻割有的扫描电镜还设有冷冻样品台，能观察冷冻割 断的样品。断的样品。二、信号检测与转换系统二、信号检测与转换系统扫描电镜装有特定的检测器，如扫描电镜装有特定的检测器，如: :二次电子检测器、背散射电子检测器二次电子检测器、背散射电子检测器等，它们可以分别检测电子探针与样等，它们可以分别检测电子探针与样品相互作用之后产生的有关信号。品相互作用之后产生的有关信号。二次电子检测器二次电子检测器收集

7、极收集极探头探头光电倍增管光电倍增管v 收集极收集极 由金属制的筒状收集极位于检测器前方，由金属制的筒状收集极位于检测器前方， 它的前端装有金属网罩，收集极在工作它的前端装有金属网罩，收集极在工作 时需加上时需加上200200500V500V的电压的电压 作用是吸收电子探针激发样品时所产生作用是吸收电子探针激发样品时所产生 的二次电子，并使其加速趋向探头。的二次电子，并使其加速趋向探头。二次电子检测器二次电子检测器v 探头探头 由玻璃或塑料制的闪烁体和光导管组成的。由玻璃或塑料制的闪烁体和光导管组成的。闪烁体闪烁体表面有一层短余辉荧光粉，使电子打到闪表面有一层短余辉荧光粉，使电子打到闪烁体上时

8、能产生光信号。此外，在荧光粉的烁体上时能产生光信号。此外，在荧光粉的表面又镀有一层极薄的铝制膜状的导电体表面又镀有一层极薄的铝制膜状的导电体( (厚厚约约50501OOnm)1OOnm)。当扫描电镜工作时，在铝膜。当扫描电镜工作时，在铝膜上加有上加有1010l2kVl2kV的加速电压，以吸引二次电的加速电压，以吸引二次电子，并使其通过铝膜后增加动能。子，并使其通过铝膜后增加动能。光导管光导管位于闪烁体的后面，它的作用是传递闪烁位于闪烁体的后面，它的作用是传递闪烁体产生的光信号，把它送到位于样品室外边体产生的光信号，把它送到位于样品室外边的光电倍增管中。的光电倍增管中。v 光电倍增管光电倍增管将

9、光信号转变成电信号，并进行前置放大和将光信号转变成电信号，并进行前置放大和视频放大，再使电信号转变成电压信号后被视频放大，再使电信号转变成电压信号后被输送到显像管的栅极。输送到显像管的栅极。三、信号的显示与记录系统三、信号的显示与记录系统v 这一系统包括两个显像管，几种调控装置这一系统包括两个显像管，几种调控装置 和一架和一架120120照相机，以及计算机记录装置等。照相机，以及计算机记录装置等。v 两个显像管的分工不同：两个显像管的分工不同： 一个是分辨力较低的长余辉管，适宜观察用。一个是分辨力较低的长余辉管，适宜观察用。 另一个是分辨力较高的短余辉管，适宜拍照另一个是分辨力较高的短余辉管，

10、适宜拍照 用。用。v 过程：过程： 被输送到显像管栅极上的电压信号被输送到显像管栅极上的电压信号可以控制两个显像管的图像的亮度。并可以控制两个显像管的图像的亮度。并且当电子探针在样品表面作扫描的同时，且当电子探针在样品表面作扫描的同时，两个显像管中的电子束在荧光屏上也作两个显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状的扫描，三者是同步进行的。这光栅状的扫描，三者是同步进行的。这样带有样品信息的电压信号就通过显像样带有样品信息的电压信号就通过显像管以不同的亮度反映到荧光屏上，成为管以不同的亮度反映到荧光屏上，成为可辨认的反映样品表面形貌和成分特征可辨认的反映样品表面形貌和成分特征的图像。选择好拍照条件之

11、后，就可以的图像。选择好拍照条件之后，就可以摄影了。拍扫描电镜的照片可以在其功摄影了。拍扫描电镜的照片可以在其功能范围内随意放大和缩小倍数，有的扫能范围内随意放大和缩小倍数，有的扫描电镜还设有分格局部放大装置，可以描电镜还设有分格局部放大装置，可以在一张底版上获悉整体低倍和局部高倍在一张底版上获悉整体低倍和局部高倍的图像。的图像。四、真空系统与供电系统四、真空系统与供电系统扫描电镜的真空系统也是由机械泵和扩散泵扫描电镜的真空系统也是由机械泵和扩散泵组成的，使镜筒内达组成的，使镜筒内达1010- -1010- -乇的真空度。供电乇的真空度。供电系统可给扫描电镜的各部件提供特定的电源，与系统可给扫

12、描电镜的各部件提供特定的电源，与透射电镜也很相似，这里就不详细介绍了。透射电镜也很相似，这里就不详细介绍了。v 电子束与样品的相互作用电子束与样品的相互作用v 扫描电镜的成像原理扫描电镜的成像原理第二节扫描电镜的成像原理一、电子束与样品的相互作用一、电子束与样品的相互作用. .与扫描电镜成像有关的信号与扫描电镜成像有关的信号二次电子二次电子X X射线射线背散射电子背散射电子. .信号的种类（与透射电镜相同）信号的种类（与透射电镜相同）（）二次电子（）二次电子它在扫描电镜成像过程中担任主它在扫描电镜成像过程中担任主角。它是样品本身的原子中的外层电角。它是样品本身的原子中的外层电子，被入射电子激发

13、出来后，形成带子，被入射电子激发出来后，形成带有样品的形貌和成分等信息的电子束。有样品的形貌和成分等信息的电子束。二次电子主要反映样品浅表层二次电子主要反映样品浅表层( (约约5 550nm)50nm)的信息。的信息。 （）（）X X射线射线 又称伦琴射线，波长约又称伦琴射线，波长约0.00010.0001l0nml0nm。电子探针轰击样品时，可产生特征电子探针轰击样品时，可产生特征X-X-射射线和连续线和连续X-X-射线。其中特征射线。其中特征X X射线的波长射线的波长和能量随样品中各种元素的不同而各异。和能量随样品中各种元素的不同而各异。我们根据这一性质可以对样品中的某些我们根据这一性质可

14、以对样品中的某些元素进行定性和定量的分析。元素进行定性和定量的分析。X X射线主要射线主要反映样品深层反映样品深层( (约约5050500nm)500nm)的某些信息。的某些信息。（）背散射电子（）背散射电子又称背反射电子，是被样品大角又称背反射电子，是被样品大角度反射回来的入射电子。它主要反映样度反射回来的入射电子。它主要反映样品内部较深层品内部较深层 ( (约约5050100nm)100nm)原子的质原子的质量信息。另外晶体样品的特征也是利用量信息。另外晶体样品的特征也是利用背散射电子的衍射图反映出来的。背散射电子的衍射图反映出来的。二、扫描电镜的成像原理二、扫描电镜的成像原理 二次电子成

15、像在扫描电镜成像过程中起主导作二次电子成像在扫描电镜成像过程中起主导作用。当电子探针与样品相互作用时，由于样品浅用。当电子探针与样品相互作用时，由于样品浅表层的形貌、成分和结构等的不一致，在多种效表层的形貌、成分和结构等的不一致，在多种效应的综合作用下：应的综合作用下：对图像的反差起主导作用的样品表面的凹凸效应对图像的反差起主导作用的样品表面的凹凸效应可增加图像的立体感的倾斜角效应可增加图像的立体感的倾斜角效应导致图像边缘过亮，反差不自然的边缘效应导致图像边缘过亮，反差不自然的边缘效应与反射电子的数量有关的原子序数效应与反射电子的数量有关的原子序数效应以及加速电压效应等以及加速电压效应等. .

16、二次电子的成像二次电子的成像 从样品的不同区域所激发出的二次电从样品的不同区域所激发出的二次电子的数量是不同的，那么先后转换的电信子的数量是不同的，那么先后转换的电信号和电压信号也相应的差异，最终导致在号和电压信号也相应的差异，最终导致在荧光屏上的图像中与其相对应的位置上的荧光屏上的图像中与其相对应的位置上的明暗也有差异。这种在荧光屏上可反映样明暗也有差异。这种在荧光屏上可反映样品信息的图像被称为二次电子图像。品信息的图像被称为二次电子图像。首先，扫描电镜的电子枪发射的电子束首先，扫描电镜的电子枪发射的电子束经经1 140kV40kV的高压形成加压电子束，在聚光镜的高压形成加压电子束，在聚光镜

17、的汇聚作用下，又形成直径约的汇聚作用下，又形成直径约3 310nm10nm的电子的电子探针。探针。接着，电子探针在扫描线圈崎控制下对接着，电子探针在扫描线圈崎控制下对样品的表面进行光栅状扫描样品的表面进行光栅状扫描( (犹如一行行地犹如一行行地读横版的书读横版的书) )，并激发出多种带有样品信息，并激发出多种带有样品信息的电信号，其中二次电子、特征的电信号，其中二次电子、特征X X射线和背射线和背散射电子与扫描电镜的成像关系密切。散射电子与扫描电镜的成像关系密切。 2.2.扫描电镜成像的原理扫描电镜成像的原理 如如: :样品中凸出的部位会产生较多的二次样品中凸出的部位会产生较多的二次电子，而二

18、次电子的数量越多，转换成的电电子，而二次电子的数量越多，转换成的电压信号也越强，图像中相应的部位就越亮。压信号也越强，图像中相应的部位就越亮。特征特征X X射线可以反映样品中元素的种类和数量射线可以反映样品中元素的种类和数量的信息。而背散射电子的散射方向是不规则的信息。而背散射电子的散射方向是不规则的，主要受原子质量和密度的影响，也可以的，主要受原子质量和密度的影响，也可以反映样品表面元素组成上的差异，尤其适宜反映样品表面元素组成上的差异，尤其适宜观察样品表面凹洼的区域，这一特点正好与观察样品表面凹洼的区域，这一特点正好与二次电子的成像互补。二次电子的成像互补。上述这些电信号经不同的检测器收集

19、后，被转换成带有样品信息的电压信号，这种电压信号被送入显像管的栅极，并能控制显像管的图像的亮度等。需要强调的是，电子探针在样品表面的扫描，与供观察、拍照的两个显像管中的电子束在荧光屏上的扫描是同步进行的，这样就便电子探针在样品表面扫描时所产生的信息，也以动态的形式一点点地同步反映到两个荧光屏上了，使我们得以观察和记录。v 扫描电镜的性能扫描电镜的性能v 扫描电镜的应用扫描电镜的应用v 扫描电镜的一般操作程序扫描电镜的一般操作程序第三节扫描电镜的性能与应用第三节扫描电镜的性能与应用一、扫描电镜的性能一、扫描电镜的性能. .扫描电镜的性能扫描电镜的性能v 扫描电镜的照明源也是电子束，但要经多扫描电

20、镜的照明源也是电子束，但要经多级级 聚光镜聚光镜( (电磁透镜电磁透镜) )把它聚集成直径只有几纳把它聚集成直径只有几纳 米的电子探针。米的电子探针。v 扫描电镜的分辨力可达扫描电镜的分辨力可达0.50.5l0nml0nm，放大倍，放大倍 数数2020万左右。万左右。v 成像反差主要决定于二次电子的数量。成像反差主要决定于二次电子的数量。v 在放大在放大500500倍时的焦点深度约为倍时的焦点深度约为10001000m m。v 样品的图像靠显像管在荧光屏上显示。可用样品的图像靠显像管在荧光屏上显示。可用 计算机对不同的灰度做相应的颜色处理，给计算机对不同的灰度做相应的颜色处理，给 图像加上彩色

21、。图像加上彩色。v 适用于扫描电镜的样品种类繁多，以各种实适用于扫描电镜的样品种类繁多，以各种实 体为主，不用制作超薄切片，对样品的厚度体为主，不用制作超薄切片，对样品的厚度 也不苛求，只要能放入样品室即可。也不苛求，只要能放入样品室即可。v 样品需在真空环境下检测。样品需在真空环境下检测。. .扫描电镜的特点扫描电镜的特点v 扫描电镜的图像比透射电镜的立体感强，这扫描电镜的图像比透射电镜的立体感强，这 是由于它的景深要大得多的缘故。是由于它的景深要大得多的缘故。v 与透射电镜相比，扫描电镜的电子探针直径与透射电镜相比，扫描电镜的电子探针直径 小，能量也小，加上对样品作光栅状扫描时，小，能量也

22、小，加上对样品作光栅状扫描时， 并不固定照射样品的某一区域，这样就大大并不固定照射样品的某一区域，这样就大大 减少了对样品的损伤和污染。减少了对样品的损伤和污染。v 制备扫描电镜的样品相对容易，因为二次电制备扫描电镜的样品相对容易，因为二次电 子的成像与样品的厚度无关，所以不需制备子的成像与样品的厚度无关，所以不需制备 超薄切片。超薄切片。v 又因为样品室足够大，所以可观察较又因为样品室足够大，所以可观察较 大的样品大的样品( (一般在一般在1212* *8 8* *5cm5cm的范围以内的范围以内) )。v 样品还能在三维空间做一定范围的移动，样品还能在三维空间做一定范围的移动， 用以扩大观

23、察面。用以扩大观察面。v 我们用扫描电镜观察样品的同时亦能同我们用扫描电镜观察样品的同时亦能同 步做微区元素分析，再加上免疫标记和步做微区元素分析，再加上免疫标记和 冷冻制样技术的发展，不断开拓了扫描冷冻制样技术的发展，不断开拓了扫描 电镜的研究领域，使其优势越发显示出来。电镜的研究领域，使其优势越发显示出来。二、扫描电镜的应用二、扫描电镜的应用扫描电镜的应用范围很广，已在生物学、扫描电镜的应用范围很广，已在生物学、医学、遗传学和细胞生物学，以及材料科学、医学、遗传学和细胞生物学，以及材料科学、工农业、林牧业等方面的科学研究中得到日益工农业、林牧业等方面的科学研究中得到日益广泛的应用。广泛的应

24、用。关于样品的形式，可以说它适宜各种实体关于样品的形式，可以说它适宜各种实体材料，如材料，如: :组织块，单细胞、昆虫、花蕊和矿组织块，单细胞、昆虫、花蕊和矿石等。观察前可以对样品进行化学处理，也可石等。观察前可以对样品进行化学处理，也可以直接观察新鲜的未处理的样品。以直接观察新鲜的未处理的样品。 从研究的内容上看，可以研究样品表面的超微从研究的内容上看，可以研究样品表面的超微结构结构; ;可以用胶体金免疫标记细胞膜上的抗原可以用胶体金免疫标记细胞膜上的抗原( (或抗或抗体体););可以抽提处理单层细胞以显示其细胞骨架可以抽提处理单层细胞以显示其细胞骨架; ;还可还可以用冻割断技术研究细胞中各

25、种细胞器的结构。如以用冻割断技术研究细胞中各种细胞器的结构。如果在扫描电镜上连接能谱分析仪等装置，、能在观果在扫描电镜上连接能谱分析仪等装置，、能在观察样品超微结构的同时，对相应的微区进行化学元察样品超微结构的同时，对相应的微区进行化学元素分析，把超微观察和超微分析有机地结合起素分析，把超微观察和超微分析有机地结合起来来三、扫描电镜的一般操作程序三、扫描电镜的一般操作程序扫描电镜的种类很多，新式仪器仍在不断地扫描电镜的种类很多，新式仪器仍在不断地被推出，不同类型的仪器在操作上是有差异的，被推出，不同类型的仪器在操作上是有差异的，结合自己使用的仪器及其说明书具体研究调试问结合自己使用的仪器及其说

26、明书具体研究调试问题。因为熟练掌握操作技巧可以提高样品信息的题。因为熟练掌握操作技巧可以提高样品信息的质量，拍一张优质的扫描电镜照片是由多种因素质量，拍一张优质的扫描电镜照片是由多种因素决定的，所以在具体操作过程中有许多细节间题决定的，所以在具体操作过程中有许多细节间题要妥善处理。在这里我们就一般程序作简要的说要妥善处理。在这里我们就一般程序作简要的说明。明。. .开机开机(1)(1)合上电镜室总电源的闸门。合上电镜室总电源的闸门。(2)(2)打开冷却循环水装置。打开冷却循环水装置。(3)(3)预抽真空预抽真空 ( (旋转泵，扩散泵，空压机开始运转旋转泵，扩散泵，空压机开始运转) )。(4)(

27、4)合上显示器电源总闸。合上显示器电源总闸。 ( (当指示扫描电镜真空状况的绿灯亮起时，当指示扫描电镜真空状况的绿灯亮起时， 说明可以观察了。说明可以观察了。) ). .换样品换样品(1)(1)用导电胶把样品粘在样品台上，真空用导电胶把样品粘在样品台上，真空 喷涂金之后，盖上防尘罩以备观察。喷涂金之后，盖上防尘罩以备观察。(2)(2)先关闭电镜的高压和灯丝电流，再打先关闭电镜的高压和灯丝电流，再打开样品室放气阀，稍候片刻，取出样品开样品室放气阀，稍候片刻，取出样品台架。台架。(3)(3)把粘有样品的样品台装到样品台架上，把粘有样品的样品台装到样品台架上，放入样品室并关好气门，重新给样品室放入样

28、品室并关好气门，重新给样品室抽真空，直到绿色指示灯亮起。抽真空，直到绿色指示灯亮起。. .观察与拍照观察与拍照(1) (1) 加高压和灯丝电流加高压和灯丝电流: :对于生物样品，一般选对于生物样品，一般选 5 520kV20kV的加速电压，选择灯丝电流的大小的加速电压，选择灯丝电流的大小 时要注意到亮度和反差等综合效果。时要注意到亮度和反差等综合效果。(2) (2) 选择扫描速度选择扫描速度: :一般拍摄画面时需慢扫一般拍摄画面时需慢扫 (50(50100100秒秒/ /每幅图每幅图) )，以提高成像质量。观，以提高成像质量。观 察时可快扫察时可快扫 ( (一般一般1 11010秒秒/ /每幅图每幅图) )，以便，以便 于观察。于观察。(3) (3) 选择工作距离选择工作距离: :指样品与物镜下端的距离指样品与物镜下端的距离 ( (可变范围可变范围5 540mm)40mm)。工作距离大，焦深亦大。工