新一代電子顯微鏡發(fā)展趨勢(shì)

一、高性能場(chǎng)發(fā)射槍電子顯微鏡日趨普及和應(yīng)用。

場(chǎng)發(fā)射槍透射電鏡能夠提供高亮度、高相干性的電子光源。因而能在原子--納米尺度上對(duì)材料的原子排列和種類進(jìn)行綜合分析。九十年代中期，全世界只有幾十臺(tái)；現(xiàn)在已猛增至上千臺(tái)。我國目前也有上百臺(tái)以上場(chǎng)發(fā)射槍透射電子顯微鏡。

常規(guī)的熱鎢燈絲（電子）槍掃描電子顯微鏡，分辨率最高只能達(dá)到3.0nm；新一代的場(chǎng)發(fā)射槍掃描電子顯微鏡，分辨率可以優(yōu)于1.0nm；超高分辨率的掃描電鏡，其分辨率高達(dá)0.5nm-0.4nm。其中環(huán)境描電子顯微鏡可以做到：真正的“環(huán)境”條件，樣品可在100%的濕度條件下觀察；生物樣品和非導(dǎo)電樣品不要鍍膜，可以直接上機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的觀察和分析；可以“一機(jī)三用”。高真空、低真空和“環(huán)境”三種工作模式。

二、努力發(fā)展新一代單色器、球差校正器，以進(jìn)一步提高電子顯微鏡的分辨率。

球差系數(shù):常規(guī)的透射電鏡的球差系數(shù)Cs約為mm級(jí)；現(xiàn)在的透射電鏡的球差系數(shù)已降低到Cs<0.05mm.

色差系數(shù):常規(guī)的透射電鏡的色差系數(shù)約為0.7；現(xiàn)在的透射電鏡的色差系數(shù)已減小到0.1。

場(chǎng)發(fā)射透射電鏡、STEM技術(shù)、能量過濾電鏡已經(jīng)成為材料科學(xué)研究,甚至生物醫(yī)學(xué)必不可少的分析手段和工具.

物鏡球差校正器把場(chǎng)發(fā)射透射電鏡分辨率提高到信息分辨率.即從0.19nm提高到0.12nm甚至于小于0.1nm.

利用單色器，能量分辨率將小于0.1eV.但單色器的束流只有不加單色器時(shí)的十分之一左右.因此利用單色器的同時(shí),也要同時(shí)考慮單色器的束流的減少問題。

聚光鏡球差校正器把STEM的分辨率提高到小于0.1nm的同時(shí),聚光鏡球差校正器把束流提高了至少10倍,非常有利于提高空間分辨率。

在球差校正的同時(shí)，色差大約增大了30%左右.因此,校正球差的同時(shí),也要同時(shí)考慮校正色差.

三、電子顯微鏡分析工作邁向計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化。

在儀器設(shè)備方面，目前掃描電鏡的操作系統(tǒng)已經(jīng)使用了全新的操作界面。用戶只須按動(dòng)鼠標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)電鏡鏡筒和電氣部分的控制以及各類參數(shù)的自動(dòng)記憶和調(diào)節(jié)。

不同地區(qū)之間,可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，演示如樣品的移動(dòng)，成像模式的改變,電鏡參數(shù)的調(diào)整等。以實(shí)現(xiàn)對(duì)電鏡的遙控作用.

四、電子顯微鏡在納米材料研究中的重要應(yīng)用。

由于電子顯微鏡的分析精度逼近原子尺度，所以利用場(chǎng)發(fā)射槍透射電鏡，用直徑為0.13nm的電子束，不僅可以采集到單個(gè)原子的Z-襯度像，而且還可采集到單個(gè)原子的電子能量損失譜。即電子顯微鏡可以在原子尺度上可同時(shí)獲得材料的原子和電子結(jié)構(gòu)信息。觀察樣品中的單個(gè)原子像，始終是科學(xué)界長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。一個(gè)原子的直徑約為1千萬分之2-3mm。

所以，要分辯出每個(gè)原子的位置，需要0.1nm左右的分辨率的電鏡，并把它放大約1千萬倍才行。人們預(yù)測(cè)，當(dāng)材料的尺度減少到納米尺度時(shí)，其材料的光、電等物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)可能具有獨(dú)特性。因此，納米顆粒、納米管、納米絲等納米材料的制備，以及其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究成為人們十分關(guān)注的研究熱點(diǎn)。
利用電子顯微鏡，一般要在200KV以上超高真空?qǐng)霭l(fā)射槍透射電鏡上，可以觀察到納米相和納米線的高分辨電子顯微鏡像、納米材料的電子衍射圖和電子能量損失譜。如，在電鏡上觀察到內(nèi)徑為0.4nm的納米碳管、Si-C-N納米棒、以及Li摻雜Si的半導(dǎo)體納米線等。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米膠體金技術(shù)、納米硒保健膠囊、納米級(jí)水平的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，以及納米機(jī)器人可以小如細(xì)菌，在血管中監(jiān)測(cè)血液濃度，清除血管中的血栓等的研究工作，可以說都與電子顯微鏡這個(gè)工具分不開。

總之：

掃描電鏡、透射電鏡在材料科學(xué)特別納米科學(xué)技術(shù)上的地位日益重要。穩(wěn)定性、操作性的改善使得電鏡不再是少數(shù)專家使用的高級(jí)儀器，而變成普及性的工具；更高分辨率依舊是電鏡發(fā)展的最主要方向；掃描電鏡和透射電鏡的應(yīng)用已經(jīng)從表征和分析發(fā)展到原位實(shí)驗(yàn)和納米可視加工；聚焦離子束(FIB)在納米材料科學(xué)研究中得到越來越多的應(yīng)用；FIB/SEM雙束電鏡是目前集納米表征、納米分析、納米加工、納米原型設(shè)計(jì)的最強(qiáng)大工具；矯正型STEM(Titan)的目標(biāo)：2008年實(shí)現(xiàn)0.5Å分辨率下的3D結(jié)構(gòu)表征。

五、低溫電鏡技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)是當(dāng)前生物電子顯微學(xué)的研究熱點(diǎn)。

低溫電鏡技術(shù)和三維重構(gòu)技術(shù)是當(dāng)前生物電子顯微學(xué)的研究熱點(diǎn).主要是研討利用低溫電子顯微鏡（其中還包括了液氦冷臺(tái)低溫電鏡的應(yīng)用）和計(jì)算機(jī)三維像重構(gòu)技術(shù)，測(cè)定生物大分子及其復(fù)合體三維結(jié)構(gòu)。如利用冷凍電子顯微學(xué)測(cè)定病毒的三維結(jié)構(gòu)和在單層脂膜上生長(zhǎng)膜蛋白二維晶體及其電鏡觀察和分析。

當(dāng)今結(jié)構(gòu)生物學(xué)引起人們的高度重視，因?yàn)閺南到y(tǒng)的觀點(diǎn)看生物界，它有不同的層次結(jié)構(gòu):個(gè)體®器官®組織®細(xì)胞®生物大分子。雖然生物大分子處于最低位置,可它決定高層次系統(tǒng)間的差異。三維結(jié)構(gòu)決定功能結(jié)構(gòu)是應(yīng)用的基礎(chǔ):藥物設(shè)計(jì),基因改造,疫苗研制開發(fā),人工構(gòu)建蛋白等，有人預(yù)言結(jié)構(gòu)生物學(xué)的突破將會(huì)給生物學(xué)帶來革命性的變革。

電子顯微學(xué)是結(jié)構(gòu)測(cè)定重要手段之一。低溫電子顯微術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：樣品處于含水狀態(tài)，分子處于天然狀態(tài)；由于樣品在輻射下產(chǎn)生損傷，觀測(cè)時(shí)須采用低劑量技術(shù)（lowdosetechnique)；觀測(cè)溫度低，增強(qiáng)了樣品耐受輻射能力；可將樣品凍結(jié)在不同狀態(tài)，觀測(cè)分子結(jié)構(gòu)的變化，通過這些技術(shù)，使各種生物樣品的觀察分析結(jié)果更接近真實(shí)的狀態(tài)。

六、高性能CCD相機(jī)日漸普及應(yīng)用于電子顯微鏡中

CCD的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，噪音小，具有高信噪比。在相同像素下CCD的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確，攝像頭的圖像解析度/分辨率也就是我們常說的多少像素，在實(shí)際應(yīng)用中，攝像頭的像素越高，拍攝出來的圖像品質(zhì)就越好，對(duì)于同一畫面，像素越高的產(chǎn)品它的解析圖像的能力也越強(qiáng)，但相對(duì)它記錄的數(shù)據(jù)量也會(huì)大得多，所以對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的要求也就高得多。

當(dāng)今的TEM領(lǐng)域，新開發(fā)的產(chǎn)品完全使計(jì)算機(jī)控制的，圖象的采集通過高分辨的CCD攝像頭來完成，而不是照相底片。數(shù)字技術(shù)的潮流正從各個(gè)方面推動(dòng)TEM應(yīng)用以至整個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作的徹底變革。尤其是在圖象處理軟件方面，許多過去認(rèn)為不可能的事正在成為現(xiàn)實(shí)。