第七章-透射电子显微镜

电子显微镜电子显微镜概述宏观微观年份科学家国籍奖项贡献1929路易·德布罗意法国物理发现电子的波动性1936彼得·德拜荷兰化学电子的衍射的研究来了解分子结构1937克林顿·约瑟夫·戴维孙、乔治·佩吉特·汤姆森美国、法国物理发现关电子被晶体衍射的现象的实验发现1982阿龙·克卢格英国化学发展了晶体电子显微术，核酸-蛋白质复合物的结构1986恩斯特·鲁斯卡德国物理设计了第一台电子显微镜1986格尔德·宾宁、海因里希·罗雷尔德国、瑞士物理研制扫描隧道显微镜2017雅克·杜波切特、阿姆·弗兰克、理查德·亨德森瑞士、德国、英国化学冷冻电子显微镜用于生物分子的高分辨率结构测定与电子显微镜相关的诺贝尔奖项电子显微镜概述分辨率放大电子显微镜概述分辨率分离相邻两个物体的能力电子显微镜概述光学显微镜200nm透射电子显微镜

<1nm△r=λ/2光学显微镜，可见光

400-800nm

则分辨率为

200nm那有什么办法可以提高分辨率？电子显微镜概述为何是电子？h:普朗克常数V:加速电压加速电压越大，波长越小如加速电压为100kV时波长为0.0037那么电子与物质相互作用主要：散射（scattering）、衍射（diffraction）散射是被投射波照射的物体表面曲率较大甚至不光滑时，其二次辐射波在角域上按一定的规律作扩散分布的现象衍射是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。弹性散射电子、非弹性散射电子在碰撞中，如两粒子间只有动能的交换，粒子的类型及其内部运动状态并无改变，称为弹性散射；如除有动能交换外，粒子内部状态在碰撞过程中有所改变或转化为其他粒子，则称为非弹性散射电子与物质相互作用弹性散射电子非弹性散射电子电子束背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。电子与物质相互作用弹性背散射电子非弹性背散射电子电子束非弹性散射存在能量的损失电子与物质相互作用被散射电子的波长改变，损失的能量导致物体内部的某些激发效应，其表现形式可以是背散射电子、二次电子、俄歇电子、标识和连续X射线、热辐射、紫外线和可见光区域的光子等。电子与物质相互作用的综合图，这是电子显微镜多种表征技术的基础。电子与物质相互作用透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨率（0.2nm）、高放大倍数（百万倍）的电子光学仪器透射电子显微镜概述透射电子显微镜的概述透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多电子束透过的电子样品透射电子显微镜的概述某细胞某病毒某多糖某细菌某细菌某材料热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜汇聚成具有一定直径的束斑照到薄的样品上。具有一定能量的电子与样品发生作用，产生放映样品多种物理信息。透射电子显微镜工作原理电子光学系统：电子枪、聚光镜、偏转线圈成像系统：物镜、中间镜、投影镜信号检测系统：电子检测器观察记录系统：荧光屏、照相室真空系统：真空泵样品台透射电子显微镜的组成高压装置透射电子显微镜的组成电子枪真空系统操作控制系统透射电子显微镜的组成观察系统电子光学系统热发射场发射电子枪通电加热或电场，表面产生大量的热电子，在阳极和阴极之间的高压电场作用下，热电子加速向阳极方向高速移动。发射表面较大，发射电流难以控制通过外加电场将电子从枪喷出，缩小了发射表面，可调节外加电压控制发射电流产生、加速及会聚高能量密度电子束流的装置钨灯丝LaB6单晶电子光学系统聚光镜：是将电子枪发射出来的电子束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的光斑，投射在下面的样品上。上方为强磁场透镜，下方为弱磁场透镜，电磁透镜的工作原理是通过改变聚光透镜线圈中的电流，来达到改变透镜所形成的磁场强度的变化，磁场强度的变化（亦即折射率发生变化）能使电子束的会聚点上下移动，在样品表面上电子束斑会聚得越小，能量越集中，亮度也越大成像系统物镜：为放大率很高的短距透镜，作用是放大电子像。是决定透射电子显微镜分辨能力和成像质量的关键。中间镜：为可变倍的弱透镜，作用是对电子像进行二次放大。通过调节中间镜的电流，可选择物体的像或电子衍射图来进行放大。投影镜：为高倍的强透镜，用来放大中间像后在荧光屏上成像。透射电子显微镜工作原理总放大倍数=物镜ⅹ中间镜ⅹ投影镜物镜50-100倍中间镜0-20倍投影镜100-150倍总放大倍数在1000-200万倍上一透镜的像平面就是下一透镜的物平面，这样就能保证经过连续放大的最终像是一个清晰的像。成像系统早期采用感光板现代采用CCD成像系统，可以将图像输入到计算机的显示器观察两个独立的电源，即电子加速的小电流高电压，和聚焦与成像系统的大电流低电压。要求电源有足够的稳定性，无论高电压或高电流的任何波动都会引起像的移动和像面的变化，降低分辨本领。电源系统真空系统避免高速运动电子与空气分子作用发生电离整个电子通道从电子枪至照相地板盒都必须置于真空系统之内电镜镜筒内的电子束通道对真空度要求很高，电镜工作必须保持在10-3-10Pa以上的真空度，因为镜筒中的残留气体分子如果与高速电子碰撞，就会产生电离放电和散射电子，从而引起电子束不稳定，增加像差，污染样品，并且残留气体将加速高热灯丝的氧化，缩短灯丝寿命。获得高真空是由各种真空泵来共同配合抽取的。样品台样品小而薄，通常采用3mm样品铜网支撑，网孔、方孔、圆孔，约为0.0075mm样品室的上下电子束通道各设了一个真空阀，用以在更换样品时切断电子束通道，只破坏样品室内的真空，而不影响整个镜筒内的真空样品制备方法超薄切片法生物组织、软的无机材料支持膜法粉末状样品的形貌观察、颗粒粒度测定、结构与成分分析复型法金相组织、断口形貌、第二相形态晶体薄膜法样品内部的组织、结构、成分样品制备方法1)支持膜法粉末状样品，载在支持膜上，用铜网承载常用的支持膜材料有醋酸纤维素膜、碳、火棉胶，具有相当好的机械强度，耐高能电子轰击，且不显示自身的组织样品制备方法1）支持膜法制备步骤：粉末样品加入溶剂，在超声振荡使之均匀混合样品溶液滴在支持膜上在真空镀膜机中镀膜（喷金、Cr、碳等）关键：样品粉末在支持膜上均匀分布，注意：制备过程无带入污染物样品制备方法2)复型法原理：用对电子束透明的薄膜（塑料、氧化物薄膜）把材料表面或断口的形貌复制下来的一种间接样品制备方法适用范围：在电镜中易起变化的样品分类：塑料一级复型、碳一级复型、萃取复型样品制备方法2)复型法碳一级复型样品放入真空镀膜装置中，在垂直方向上向样品表面镀一层厚度为数10nm的碳膜（2）。把样品放入配好的分离也中进行分离（3）。样品制备方法3)超薄切片法生物组织样品注意：在低温下、最短时间内取样，投入固定液，样品体积不超过1mm3，所取部位具有代表性。成像与分析电子与晶体物质作用可以发生衍射，对晶体样品的成像过程，起决定作用的是样品对电子的衍射。由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度。透射电镜的成像可分为：明场成像（观察材料形貌）暗场成像（观察材料形貌）选区电子衍射（观察晶体结构）高分辨率成像（材料形貌与结构）成像与分析成像与分析成像与分析成像与分析衍射衬度晶体薄膜样品明暗场像的衬度(即不同区域的亮暗差别)，是由于样品相应的不同部位结构或取向的差别导致衍射强度的差异而形成的暗场成像（中心暗场）将入射束方向倾斜2θ角度，只允许某支衍射束通过物镜光栏成像明场成像只允许透射束通过物镜光栏成像成像与分析成像与分析暗场成像明场成像有该物质（暗区域）没有该物质（亮区域）有该物质（亮区域）没有该物质（暗区域）成像与分析成像与分析成像与分析衬度理论成像与分析衬度理论–运动学理论的两个近似选区电子衍射将选区光栏套住物镜像平面中一特定区域获得的电子衍射；利于多晶体样品中选取单个晶粒进行分析成像与分析高分辨率成像观察一维和二维晶格条纹像晶体结构中原子或分子配置情况成像与分析复习分辨率与放大电子与物质相互作用衬度理论衍射衬度、质厚衬度透射束、衍射束透射电镜的结构与电子显微镜相关的诺贝尔奖项年份科学家国籍奖项贡献1929路易·德布罗意法国物理发现电子的波动性1936彼得·德拜荷兰化学电子的衍射的研究来了解分子结构1937克林顿·约瑟夫·戴维孙、乔治·佩吉特·汤姆森美国、法国物理发现关电子被晶体衍射的现象的实验发现1982阿龙·克卢格英国化学发展了晶体电子显微术，核酸-蛋白质复合物的结构1986恩斯特·鲁斯卡德国物理设计了第一台电子显微镜1986格尔德·宾宁、海因里希·罗雷尔德国、瑞士物理研制扫描隧道显微镜2017雅克·杜波切特、阿姆·弗兰克、理查德·亨德森瑞士、德国、英国化学冷冻电子显微镜用于生物分子的高分辨率结构测定冷冻电子显微镜概述冷冻电子显微镜概述StructuresofthefullyassembledSaccharomycescerevisiaespliceosomebeforeactivation.Science,2018StructureofthehumanPKD1-PKD2complex.Science,2018.StructureofahumancatalyticstepIspliceosome.Science,2018StructureofthePost-catalyticSpliceosomefromSaccharomycescerevisiae.Cell,2017Observationofthree-componentfermionsinthetopologicalsemimetalmolybdenumphosphide.Nature,2017StructureofayeaststepIIcatalyticallyactivatedspliceosome.Science,2017.StructureofanIntronLariatSpliceosomefromSaccharomycescerevisiae.Cell,2017Structureofayeastactivatedspliceosomeat3.5angstromresolution.Science,2016冷冻电子显微镜概述冷冻电子显微镜概述冷冻电子显微镜概述冷冻电子显微镜概述电子显微镜获得膜蛋白细菌视紫红质的三维结构（图a）冷冻电镜技术获得了第一张分辨率在原子级别的蛋白质结构图