神马文学网“科学之眼“越来越亮 ——电子显微镜的发展
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/27 05:21:22
“科学之眼“越来越亮
——电子显微镜的发展历程
摘要：Ruska和Knowll在1932年（有说是1931年和1933年的）研制成功第一台电子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而获得1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显微镜技术的迅速发展和应用，改变了细胞学、组织学、病毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促使生物学从细胞水平进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的手段。近年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关的课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。
关键词：电子显微镜 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 扫描透射显微镜
正文：电子显微镜问世已有半个多世纪了，但其应用于医学、生物学，尤其是细胞学的研究方面才只有二十余年的历史。我国学者在六十年代初期开始这方面的工作。下面我们来看一下电子显微镜的总体发展历程。
一．电子显微镜的总体发展历程
人类对于生物微观世界的认识过程，有着一段漫长的历史。荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek)在300年前创制成功世界上第一架显微镜，发现了当时人们还不知道的微生物世界。这是显微镜第一次显示其巨大作用。
早在一百年以前，朴率克(Plucker)就曾在盖斯雷管的阴极近管壁上发现过一种黄绿色的光辉，但他当时对这一现象并无认识，未予重视。自从1924年德布罗意提出了电子与光一样，具有波动性的假说和1926年Busch发现了旋转对称、不均匀的磁场可作为一个用于聚焦电子束的透镜，就为后来的电子显微镜的问世奠定了理论基础，这就打开了电子光学的大门。经六年后，到1932年克诺露(Knoll)及鲁斯卡(Ruska)等人首次发表了关于电子显微镜的实验和理论研究，并试制成功第一台电磁式电子显微镜。为了获得较大的放大能力，人们又研究制造了短焦距的电磁透镜，它除了会聚透镜外，再利用两个透镜作连续两次的造像。到1934年鲁斯卡和马顿(Marton)分别制成了新型复式电子显微镜。近代的电磁式电子显微镜在具体结构上已经有了很大改进。
Ruska和Knowll在1932年（有说是1931年和1933年的）研制成功第一台电子显微镜。经过半个多世纪的发展，已广泛应用到自然科学的许多学科中，并且极大推动了这些学科的发展。在七十年代电子显微镜终于实现了人们直接观察原子的长期愿望，电子显微镜成了“科学之眼”。一门新兴的电子显微学因此而诞生。而Ruska也因此而获得1986年诺贝尔物理奖。在生命科学，由于电子显微镜技术的迅速发展和应用，改变了细胞学、组织学、病毒学、分类学和分子生物学等的面貌，促使生物学从细胞水平进入到分子水平；它也成为生物学、医学、农林等学科研究工作中极为重要的手段。近年来，我国拥有越来越多的电子显微镜，应用也越广泛，不少高等院校都相继开设相关的课程。“科学之眼”不仅在外国，在我国也会越来越亮，开花结果，前途光明。
如果说，光学显微镜是人类对微观世界的认识有了第一次飞跃，那么可以说，电子显微镜是人类对微观世界的认识有了第二次飞跃。的确，光学显微镜使人类看到了肉眼看不到的细菌和细胞，揭开了许多生物界的“谜”，但是因为光学显微镜的分辨率受光波波长的限制，使更多的“谜”仍无法解开。而电子显微镜是以电子束作为光源的，电子束的波长比可见光的波长短得多，使电子显微镜的分辨率大幅度提高。从此，人类用电子显微镜揭示了细菌、噬菌体、类病毒、DNA和蛋白质大分子等，甚至获取了“原子核和电子云”的原子像。
总体历程了解后，下面我们来关注一下透射电子显微镜的发展历程：
二．透射电子显微镜的发展历程
1924年，德国科学家德布罗意(De Broglie)指出，任何一种接近光速运动的粒子都具有波动本质。1926---1927年，Davisson和Germer以及Thompson Reid用电子衍射现象验证了电子的波动性，发现电子波长比X光还要短，从而联想到可用电子射线代替可见光照明样品来制作电子显微镜，以克服光波长在分辨率上的局限性。1926年德国学者Busch指出“具有轴对称的磁场对电子束起着透镜的作用，有可能使电子束聚焦成像”，为电子显微镜的制作提供了理论依据。
1931年，德国学者诺尔(Knoll)和鲁斯卡(Ruska)获得了放大12～17倍的电子光学系统中的光阑的像，证明可用电子束和电磁透镜得到电子像，但是这一装置还不是真正的电子显微镜，因为它没有样品台。1931—1933年间，鲁斯卡等对以上装置进行了改进，做出了世界上第一台透射电子显微镜（简称透射电镜）。1934年，电子显微镜的分辨率已达到500Å，鲁斯卡也因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
1939年德国西门子公司造出了世界第一台商品透射电子显微镜，分辨率优于100Å.1954年又产生了著名的西门子ElmiskopⅠ型电子显微镜，分辨率优于10Å.在英国，透射电子显微镜的研究始于1935年，1946年设计了第一批商业透射电子显微镜，导致了EM型电镜的系列生产。在荷兰，1944年研制成第一台电镜，后来生产了著名的Philips EM和CM型透射电子显微镜。我国的透射电子显微镜研制始于20世纪50年代，1977年已作出了分辨率为3Å的80万倍的透射电镜。
目前世界上生产透射电镜的主要是这三家电镜制造商：日本的日本电子(JEOL)和日立(Hitachi)以及美国的FEI（这家公司把荷兰的菲利浦电镜公司收购了）。他们生产的透射电镜大致可分为三类。
（1） 常规的TEM：加速电压为100～200kV。代表性产品有日本电子的JEM-2010，日立的H-8000，菲利浦的CM200，FEI的TECNAI20.200kV透射电镜的分辨率可达1.9Å.
（2） 中压TEM：加速电压为300～400kV。代表性产品有日本电子的JEM-3010、JEM-4000，日立的H-9500，FEI的TECNAIF30。300kV透射电镜的分辨率可达1.7Å，400kV透射电镜的分辨率可达1.63Å.
（3） 高压TEM：加速电压为1000kV。代表性产品有JEM-1000，日立公司还制造了世界上最大的3000kV的透射电镜。目前1000kV的透射电镜最高分辨率可达1Å.
目前用的最多的透射电镜是200kV和300kV的电镜，高压电镜由于价格昂贵，体积庞大，用得很少。
1949年以前，由于很难制备出能让电子束穿过的薄金属样品，开始用透射电镜直接观察试样。随后，荷兰的Bollnan和英国剑桥大学的赫什(Peter B.Hirsch)研究组进一步发展这一技术。特别是Hirsch研究组，发展了电子衍衬理论，可以解悉电子束穿过试样形成的电子衍衬像，开创了用透射电镜直接观察试样的时代，为电子显微镜在材料学的应用打下了基础。
20世纪70年代，美国亚利桑那州立大学的考利(JohnCowley)和澳大利亚墨尔本大学的穆迪(Alex Moodie)建立了高分辨电子显微想的理论与技术，发展了高分辨电子显微学。20世纪80年代，发展了高空间分辨分析电子显微学，人们可采用高分辨技术、微衍射、电子能量损失谱、电子能谱仪等对很小范围内（约1nm）的区域进行电子像、晶体结构、化学成分的研究，将电子显微分析技术在材料学中的研究大大地拓展了。20世纪90年代，由于纳米科技的飞速发展，对电子显微分析技术的要求越来越高，进一步推动了电子显微学的发展。目前，透射电镜已发展到了球差校正透射电镜的阶段。
早在1935年，Knoll在设计透射电子显微镜的同时，就提出了扫描电子显微镜的原理及设计思想。下面我们来关注一下扫描电子显微镜的发展历程。
三．扫描电子显微镜的发展历程
如果说光学显微镜处于“老年”、透射电镜处于“壮年”时代的话，那么扫描电镜是刚进入“青少年”的时代。
扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称扫描电镜/SEM)的基本组成是透镜系统、电子枪系统、电子收集系统和观察记录系统，以及相关的电子系统。现在工人扫描电镜的概念最早是由德国的Knoll在1935年提出来的，1938年Von Ardenne在透射电镜上加了个扫描线圈做出了扫描透射显微镜（STEM）。第一台能观察厚样品的扫描电镜是Zworykin制作的，它的分辨率为50nm左右。英国剑桥大学的Oatley和他的学生McMullan也制作了他们的第一台扫描电镜，到1952年他们的扫描电镜的分辨率达到了50nm。到1955年扫描电镜的研究才取得较显著的突破，成像质量有明显提高，并在1959年制成了第一台分辨率为10nm的扫描电镜。第一台商业制造的扫描电镜是Cambridge ScientificInstruments公司在1965年制造的MarkⅠ“Steroscan”。Crewe将场发射电子枪用于扫描电镜，使得分辨率大大提高。1978年做出了第一台具有可变气压的商业制造的扫描电镜，到1987年样品腔的气压已可达到2700 Pa(20 Torr)。目前扫描电镜的发展方向是采用场发射枪的高分辨扫描电镜和可变气压的环境扫描电镜（也称可变压扫描电镜）。目前的高分辨扫描电镜可以达到1～2 nm，目前，最好的高分辨扫描电镜可在气压为4000 Pa（30 Torr）时仍保持2nm的分辨率。
由于扫描电镜的景深远比光学显微镜大，可以用它进行显微断口分析，且样品不必复制，可直接观察，非常方便。另外，扫描电镜的样品室的空间很大，可以装入很多探测器。因此，目前的扫描电镜已不仅仅是只用于形貌观察，它可以与许多其他分析仪器组合在一起，是人们能在一台仪器中进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同时分析，如果再采用可变气压样品腔，还可以在扫描电镜下做加热、冷却、加气、加液等各种实验，扫描电镜的功能大大扩展。这也是为什么扫描电镜得到如此普遍应用的原因之一。
下面我们来对比一下扫描电镜与光学显微镜和透射电镜的特点：看是什么优点使扫描电子显微镜应用如此广泛：
（1） 景深大、图像富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。由于扫描电镜是利用电子束轰击样品后所悉放的二次电子成象，它的有效景深不受样品的大小与厚度的影响；而透射电镜是利用穿透电子成象，它的有效景深直接受样品厚度的限制。
（2） 图像的放大范围大、分辨率也比较高。光学显微镜的有效放大倍数为一千倍左右，透射电镜的放大倍数为几百倍到一百万倍，扫描电镜可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。扫描电镜的分辨率介于光学显微镜（2000Å）与透射电镜（2—3Å）之间，可达60Å（有的可达30Å），而且，一旦聚焦好了之后，可以任意改变放大倍数而不需要重新聚焦。
（3） 样品制备过程简单，不需进行超薄切片，有的甚至不需要进行任何处理就可以直接观察。
（4） 观察样品的尺寸可大至120×80×
（5） 样品可以在样品室中做三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察，有的甚至可以在观察过程中对样品进行显微解剖。
（6） 电子束对样品的损伤与污染程度很少。扫描电镜中打在样品上的电子束流很小，电子束的直径为50Å至几百Å，束的能量较小（加速电压可小至2千伏），电子束不是固定照射在样品的某一区域而是以点的形式在样品表面做光栅状扫描，因此，由电子书照射所引起的样品的损失与污染也较小。
（7） 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析或进行晶体学分析。
（8） 扫描电镜显示的图像有立体感，使人似如亲临微观世界的现场。
（9） 安装X射线能谱仪（EDS、WDS）到扫描电镜上面可以同时快速、有效获取同一区域上的形貌、晶型和组成信息。
由于扫描电镜具有上述这些特点，因此，它不仅在许多重要学科的科学研究中而且在工农业生产部门也得到广泛的应用。
扫描电子显微镜了解完后，我们看一下由透射电子显微镜与扫描电子显微镜结合产生的扫描透射电子显微镜（STEM）的发展历程：
四．扫描透射电子显微镜（STEM）的发展历程：
许多年以来，扫描电子显微镜（SEM）就已经是生物学工作者熟悉的一种有价值的工具，它的分辨率比光学显微镜高40多倍，而在高倍时的焦深远大于光学显微镜（可高达几千倍）。人们用它已经积累起大量的有关表面精细结构的有价值的资料。因为扫描式显微镜中，当纤细的聚焦束以光栅方式扫描整个物体时，像便按时间顺序逐点的建立，分辨率主要取决于聚焦束的最小尺寸实际上探针电流必须大于10ˉ
知道扫描透射电子显微镜是什么会时候，我们再看一下它在行家眼里的定位和发展前景：
就STEM仪器的价格昂贵而言，这首先意味着要对一些语言及早期结果作出评价还为时过早，看来这是一个缓慢的过程。其次，STEM怎么说也不会像TEM或SEM那样普及。然而，有人预期STEM将在未来显微术的某几个方面做出相当大的贡献。首要的是在透过生物厚样品（多至0.5um甚至1um）方面，STEM的分辨率会大大超过有相同加速电压的TEM。虽然在这方面的性能似不能与1Mev的高压电子显微镜（HVEM）相媲美，但是STEM比HVEM的价格低廉，尺寸较小，而且操作和维护都大大简易，因此人们实际上会选上它。第二，在超薄切片或单个大分子的高分辨率显微术领域中，STEM的极限分辨本领虽不会超过TEM，然而在像的亮度、不受旋转影响、亮场像易于解悉以及仪器和样品的不稳定性对像记录的影响均较少等诸方面都有优越性。第三，STEM的暗场成像方式比TEM有效得多，因此在不染色的生物分子成像时具有较高的反差。第四，易于进行信号处理，这指的是容易采用像Z识别技术，譬如可见到生物分子中标记的单个重金属原子。第五，STEM还有清洁的超高真空，使污染大为减少，并能缩小辐射损伤，这个优点在未来的高分辨率研究生物分子时是一个日益重要的特征。也可能，STEM的最大长处是在于它进行显微分析的潜力。电子衍射、X射线能量分散显微分析和电子能量损失光谱学都能顺利的在同一台仪器上进行。不论哪种型式的STEM，其优点都比TEM多。所以，STEM在一般的生物研究中虽然不会使TEM淘汰，然而我们深信，在行家云集之处，STEM将对生物科学做出较大的贡献。
下面我们对上述内容做一总结及对电镜做一个展望：
五．总结及展望
电子显微镜是在1931年，由德国科学家EnestRuska 和 Max K –noll 首先发明的。虽然他们的第一台用电子束和电磁透镜组成的显微镜只将铜网放大了12倍，但是却揭开了用电子显微镜探索微观世界的新篇章。1986年，世界上第一台透射电镜的发明者E.Ruska与发明扫描隧道显微镜的科学家G.Binning和H.Rohrer 一起荣获诺贝尔物理奖。几十年来电子显微镜技术不断发展的历程，终于使人们确认了第一台电镜问世的重要作用，被誉为“本世纪最主要的发明之一”。
自世界上第一台电镜问世至今，电镜技术持续不断地发展了半个多世纪，无论在深度还是在广度上都取得了长足的进步。电镜无愧为“科学之眼”，为人类发现微观世界的奥秘和解悉生命现象的本质做出了贡献，成为发展现代生命科学的有利工具之一。
几十年来，仪器更新的速度十分惊人，例如：第一台电镜的放大倍数只有12倍，而现在电镜已可以连续把样品放大到百万倍。电镜的进步主要表现在分辨力的提高和功能的增加上，电镜的最佳晶格分辨力已达0.1 nm，点分辨力已达0.2～0.3nm。电镜的种类和功能也不断的增加，除了能揭示超薄切片和冷冻复性样品的超微结构的透射电镜外，又相继出现了能解释样品表面超微结构的扫描电镜；能同时观察样品的表面和内部的超微结构，甚至能观察单个原子像的高分辨力（小于0.1nm）的场发射枪扫描透射电镜；能对样品中的某些化学元素进行综合分析（定性、定位、半定量和定量，灵敏度达10ˉ
总之，电子显微镜以其高分辨本领和科学的直观性显示出无比的魅力，在众多领域，如：生物、医学、农林、养殖和材料科学研究方面得到了广泛的应用，发挥着不可忽视的作用。展望电镜技术的未来更是前景广阔。
电镜技术的应用与未来前景无比广阔，有许多新知识等待着人们去探究，有许多方法等待着人们去创造，有许多新问题等待着人们去解决。长江后浪推前浪，总有一代新人会在电子显微术的领域里努力探索，创造出更美好的未来。
参考书目与资料：1.分析电子显微学导论／戎咏华编著. -------北京：高等教育出版社，2006.10 ISBN
2.电子显微分析／章晓中编著.----北京：清华大学出版社，2006.12（材料科学与工程系列） ISBN 7-302-14160-6
3.生物电子显微技术／张景强 朴英杰 蔡福筹 孔宪扬 等编著----中山大学出版社，1987.12 ISBN 7-306-00048-9／Q.2
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5.生物学中的电子显微镜技术/朱丽霞 程乃乾 高信曾 编著----北京大学出版社出版（北京大学校内）1983.10 统一书号：13209.69
6.浅谈电子显微镜和亚细胞技术/傅湘琦编著----科学普及出版社出版（北京白石桥紫竹院公园内） 1980.8 统一书号：13051.1020
7.扫描电子显微镜入门/马金鑫 朱国凯 编著 责任编辑 高小琪----科学出版社出版1985.5 统一书号：13031.2906
8.显微术中的分析与定量方法/【英】G.A.米克 H.Y.艾尔德 主编 管汀鹭 译 责任编辑赵甘泉----科学出版社出版 1983.8 统一书号：13031.2327
9.图解扫描电子显微镜----生物样品制备/【日】田中敬一永谷 隆 编辑 李文镇 应国华 等 译 张允吉 校 责任编辑 马素卿----科学出版社出版 1984年5月 统一书号：13031.2576
10.生物电子显微术教程/陈力编著.----北京：北京师范大学出版社 1998.6 ISBN 7-303-04436-1
11.余老师课件