什么是電子顯微鏡？

電子顯微鏡是通過用電子束照射樣品來觀察樣品的顯微鏡。由于電子束的波長極短，因此可以觀察到光學顯微鏡無法觀察到的超精細結構。主要有兩種類型：將電子束的透射率輸出為圖像的類型，以及將電子束與樣品之間相互作用產生的信號成像的類型。

許多作為產品出售的電子顯微鏡都針對工業材料進行了優化，并且針對觀察生物樣品進行了優化。此外，電子顯微鏡常縮寫為“電子顯微鏡”或EM，這是其英文名稱的第一個字母。

電子顯微鏡的應用

在工業領域，它用于通過分析斷裂表面來調查金屬零件損壞的原因，并通過觀察加工表面來檢查質量。此外，通過觀察聚合物網絡，我們可以研究機械性能并評估雜質的存在。在生命科學領域，我們通過可視化細胞內細胞器的精細結構并觀察神經元復雜的纏繞來繪制神經元之間的連接。此外，該方法還被發現通過對樣品進行簡單的預處理即可應用于蛋白質結構分析，并因此獲得了2017年諾貝爾化學獎。

電子顯微鏡原理

構成電子顯微鏡的元件是輻射源、透鏡和探測器，從文字上看，它的結構與光學顯微鏡非常相似。然而，它們的原理都與光學顯微鏡顯著不同。

首先，電子束與空氣中的分子碰撞，立即衰減消失。因此，電子束的產生和照射必須在真空中進行。

其次，一般光學系統中使用的玻璃透鏡傳輸電子束，因此為了折射電子束，需要使用施加磁場來聚焦電子束的磁透鏡。

此類鏡頭的一個特點是光學像差較大，為了改善這一點，它們被設計成較小的數值孔徑。這使得電子顯微鏡能夠具有較深的焦深，從而可以進行深度的三維觀察。

標準電子顯微鏡分為兩類：

1.透射電子顯微鏡 (TEM)

這是一種使電子束穿過樣品并根據其衰減獲得對比度的方法。為了使電子束能夠通過，必須將樣品厚度調整極薄。噴射電子的強度稱為加速電壓，在300 kV的加速電壓下，波長極短為0.00197 nm，分辨率為0.1 nm，與光源尺寸數量級。換算到最高放大倍數時，這是80萬倍，是光學顯微鏡的800倍，可見高分辨率。透射電子顯微鏡觀察穿過樣品的電子，非常適合在極小的區域觀察樣品的內部結構，例如晶體結構。

2.掃描電子顯微鏡（SEM）

當在真空中用電子束照射材料時，會發射二次電子、反射電子、特征X射線等。掃描電子顯微鏡圖像是通過掃描空間聚焦電子束并根據二次電子和背散射電子信號形成圖像來創建的。由于二次電子是在樣品表面附近產生的，因此二次電子圖像適合觀察樣品上的微小不規則性。背散射電子是與構成樣品的原子碰撞并被反彈回來的電子，背散射電子的數量取決于樣品的組成（原子序數、晶體取向等）。因此，背散射電子圖像適合評估樣品表面的成分分布。

當電子束擊中樣品時，構成其表面的原子被激發并發射電子。另外，還會發射反射電子和特征X射線，但它們被稱為二次電子，可以通過點掃描所發射的二次電子的強度來獲得。

只能用電子顯微鏡才能觀察到的東西

與一般光學顯微鏡相比，電子顯微鏡具有高分辨率，使得可以以原子尺寸觀察細胞和金屬晶體等微小組織結構。

以細胞為例，用光學顯微鏡無法詳細觀察細胞內除細胞核以外的微小結構，但用電子顯微鏡卻可以。這使得詳細研究各種功能成為可能，例如細胞內酶的功能和細胞結構的反應。