第七章-透射电子显微镜

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,200 nm,透射电子显微镜,1 nm,r=,/2,光学显微镜，可见光,400-800 nm,则分辨率为,200 nm,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,100 kV,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（,0.2 nm,）、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,LaB,6,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,中间镜,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,-10 Pa,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,3 mm,样品铜网支撑，网孔、方孔、圆孔，约为,0.0075 mm,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,10 nm,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,1mm,3,，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,2,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,Structures,of the fully assembled Saccharomyces cerevisiae spliceosome before activation.,Science,2018,Structure of the human PKD1-PKD2 complex.,Science,2018,.,Structure of a human catalytic step I spliceosome.,Science,2018,Structure of the Post-catalytic Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae.,Cell,2017,Observation of three-component fermions in the topological semimetal molybdenum phosphide.,Nature,2017,Structure of a yeast step II catalytically activated spliceosome.,Science,2017.,Structure,of an Intron Lariat Spliceosome from Saccharomyces cerevisiae.,Cell,2017,Structure of a yeast activated spliceosome at 3.5 angstrom resolution.,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像,（图,b,）,2017,年冷冻,电镜,技术，诺贝尔化学奖,冷冻电子显微镜概述,“昼夜节律”的蛋白质复合物,（图,a,）,与,听觉相关的压力变化传感器,（图,b,）,寨,卡病毒,（图,c,）,冷冻电子显微镜概述,冷冻电镜技术,的突破席卷了生物学领域：,代替了传统,