第1-1章 显微镜的发展.pdf
Zhengmin LiZhengmin Li 1 1 No, Its a SEM image of 16M DRAM LettuceLettuce FieldField- -? ? Zhengmin LiZhengmin Li 2 2 Carbon Nano Flower Zhengmin LiZhengmin Li 3 3 What is this? What is this? Zhengmin LiZhengmin Li 4 4 电子显微镜下的蚊 子 What are these? Zhengmin LiZhengmin Li 5 5 李正民李正民李正民李正民 山东理工大学分析测试中心山东理工大学分析测试中心山东理工大学分析测试中心山东理工大学分析测试中心 2781885,2781885,1386938218213869382182 email: email: zmlisdut.edu.cnzmlisdut.edu.cn 李洪涛李洪涛 4#4#- -216216 1357331238713573312387 email: email: lht1016163.comlht1016163.com 公用信箱：公用信箱：nanoscopist163.comnanoscopist163.com 密码：密码：2008080820080808 Zhengmin LiZhengmin Li 6 6 材料分析测试技术材料分析测试技术材料分析测试技术材料分析测试技术 透射电子显微镜 扫描电子显微镜 电子探针 扫描探针显微镜（扫描隧道显微镜和原子力显微镜） X射线衍射 光谱分析 Zhengmin LiZhengmin Li 7 7 李正民，男，副教授，材料学硕士生导师，分析测试中心微结构分析 室主任，山东省测试分析学会电镜专业委员会副主任委员。 曾长期在中石化齐鲁分公司研究院从事透射和扫描电子显微镜、X射 线能谱仪和图像分析仪等大型分析仪器的操作、维护和应用研究工 作。负责完成了我校分析测试中心场发射扫描电子显微镜和扫描探针 显微镜实验室的建设和仪器安装调试。主要从事有关纳米材料、高分 子材料和催化剂微观结构与其性能、制备条件关系方面的研究；承担 过多项科研项目，其中作为项目负责人完成了12项科研项目，现主持 省级和校级项目各一项，横向课题多项。发表论文37篇，半数为国外 期刊，第一作者论文有6篇被SCI、EI和ISTP收录。主讲研究生的 材料显微分析等课程。现指导硕士研究生两名，使同学们在掌握 材料学方面知识和科研技能的同时，积累了电子显微镜等大型分析仪 器操作应用经验。 个人简历个人简历 Zhengmin LiZhengmin Li 8 8 课程目的课程目的 显微结构分析是化学、材料、生物和资源环境科学 中最为重要的研究方法之一。准确、快捷的分析 结果为材料的制备工艺、材料性能微结构表征研 究及其材料显微结构设计提供可靠的实验和理论 依据。 通过理论课教学使学生掌握透射电子显微镜、扫描 电子显微镜、电子探针、扫描探针显微镜（扫描 隧道显微镜和原子力显微镜）的基本结构和原 理，及其在材料微观结构、表面形貌、电子衍射 结构分析和元素成分分析等方面的应用技术。 通过实验课教学使学生掌握、基本操作步骤及样品 制备的方法；并能将其应用于学位论文的研究 中，为今后从事研究工作打下良好的基础。 Zhengmin LiZhengmin Li 9 9 第一章 显微学的发展 第二章 电子光学基础 第三章 透射电子显微分析 第四章 扫描电子显微镜 第五章 电子探针及电镜附加设备分析 第六章 扫描隧道显微术 第七章 原子力显微术 第八章 数字显微图像分析技术 实验部分： 1电镜样品制备 2. 电子显微镜（SEM） 3. 电子显微镜（TEM） 4. 电子探针及电镜附加设备分析 5. 扫描隧道显微术 6. 原子力显微镜 Zhengmin LiZhengmin Li1010 教材及主要参考资料教材及主要参考资料 （本课程不指定教材，参考资料如下） 1.电子显微镜的原理和应用朱宜,张存圭编北 京 大 学 出 版社 1983.09 2.材料评价的分析电子显微方法日进藤 大辅,及川哲夫著 冶金工业出版社 2001.4 3.材料电子显微分析魏全金1990年05月 4.材料电子显微分析实验技术洪班德 崔约贤 1990年12月 5 .Progress in Transmission Electron Microscopy. Xiao-feng Zhang,Ze Zhang,Tsinghua University Press,1999.9 6.电子显微镜分析实用方法 ,吴杏芳,柳德橹编冶 金 工 业 出 版社 1998.10 7.纳米材料分析黄惠忠等编著化学工业出版社 2003 8.扫描力显微术白春礼等著科学出版社 2000.02 9.扫描电子显微镜分析技术杜学礼,潘子昂化 学 工 业 出 版社 1986.05 10.薄晶体电子显微学, 赫什 等著, 刘安生 等译, 吴自勤等校, 科学 出版社, 1992。 11.电子显微镜图像分析原理与应用黄孝瑛1989年09月 Zhengmin LiZhengmin Li1111 Chapter 1 Chapter 1 显微镜的发展史显微镜的发展史 威廉·布莱克在一首诗中写道： 一花一世界， 一沙一天堂 一花一世界， 一沙一天堂， 掌中握无限， 霎那成永恒。 ， 掌中握无限， 霎那成永恒。 天真的预言， 1863 Zhengmin LiZhengmin Li1212 人眼：人眼：0.2mm 光学显微镜：光学显微镜：0.2525m 激光扫描共焦显微镜：激光扫描共焦显微镜：0.18 m 扫描电子显微镜：扫描电子显微镜：1.5nm 透射电子显微镜透射电子显微镜: 0.2nm 原子力显微镜原子力显微镜: XY: 0.15nm, Z: 0.05nm 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜: XY: 0.1nm, Z: 0.01nm 显微镜的分辨率显微镜的分辨率 Zhengmin LiZhengmin Li1313 詹森制造了第一台复合式光学显微镜 使用两个凸透镜，一个凸透镜把另外一个所成的像进一步放 大，这就是复合式显微镜的基本原理。如果两个凸透镜一个能放大 10倍，另一个能放大20倍，那么整个镜片组合的的放大倍数就是 10*20=200倍。 1.1.光学显微镜光学显微镜 Zhengmin LiZhengmin Li1414 当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令 人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了 英国皇家学会，引起了一阵轰动。 当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令 人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了 英国皇家学会，引起了一阵轰动。 Zhengmin LiZhengmin Li1515 偏偏偏偏 光光光光 显显显显 微微微微 镜镜镜镜 Zhengmin LiZhengmin Li1616 laser scanning confocal microscope（ LSCM ） 1971年美国Davidovits和Egger发明了以激光为光源的透镜扫描系统， 1978年Sheppard等推出了载物台扫描装置。1979年有了样品扫描装 置，1980年Koestert等介绍了镜扫描系统，1983到1986年，Aslund和 Carlsson等介绍了双镜扫描系统和共轭聚焦成象系统。 1984年第一台LSCM实用产品问世，十多年来LSCM的应用有了飞速 发展。我国在1990年引进五台LSCM，到了1997年已有了三十多台设 备。 2.2.激光扫描共焦显微镜激光扫描共焦显微镜 Zhengmin LiZhengmin Li1717 Confocal 利用放置在光源后的利用放置在光源后的照明针孔照明针孔和放置在检测器前 的 和放置在检测器前 的探测针孔探测针孔实现实现点照明点照明和和点探测点探测，来自光源的光通过照明针孔发 射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像 在探测针孔上，该点以外的任何发射光均被探测针孔阻挡。 ，来自光源的光通过照明针孔发 射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像 在探测针孔上，该点以外的任何发射光均被探测针孔阻挡。照明 针孔 照明 针孔与与探测针孔探测针孔对对被照射点被照射点或或被探测点被探测点来说是来说是共轭共轭的，因此被探 测点即共焦点，被探测点所在的平面即共焦平面。计算机以像点 的方式将被探测点显示在计算机屏幕上，为了产生一幅完整的图 像，由光路中的扫描系统在样品焦平面上扫描，从而产生一幅完 整的 的，因此被探 测点即共焦点，被探测点所在的平面即共焦平面。计算机以像点 的方式将被探测点显示在计算机屏幕上，为了产生一幅完整的图 像，由光路中的扫描系统在样品焦平面上扫描，从而产生一幅完 整的共焦图像。共焦图像。只要载物台沿着只要载物台沿着Z轴上下移动，将样品新的一个层 面移动到共焦平面上，样品的新层面又成像在显示器上，随着 轴上下移动，将样品新的一个层 面移动到共焦平面上，样品的新层面又成像在显示器上，随着Z轴 的不断移动，就可得到样品不同层面连续的光切图像 。 轴 的不断移动，就可得到样品不同层面连续的光切图像 。 LSCM原理原理 Zhengmin LiZhengmin Li1818 激光扫描共焦显微镜激光扫描共焦显微镜激光扫描共焦显微镜激光扫描共焦显微镜 Zhengmin LiZhengmin Li1919 激光扫描共聚焦显微镜激光扫描共聚焦显微镜 Zhengmin LiZhengmin Li2020 共焦显微镜与传统显微镜的共焦显微镜与传统显微镜的共焦显微镜与传统显微镜的共焦显微镜与传统显微镜的区别区别区别区别 1.抑制图像的模 糊，获得清晰的 图像 抑制图像的模 糊，获得清晰的 图像 Zhengmin LiZhengmin Li2121 2. 具有更高的轴向分辨率，并可获取连续光 学切片 具有更高的轴向分辨率，并可获取连续光 学切片 conventional confocal Zhengmin LiZhengmin Li2222 3. 增加侧向分辨率增加侧向分辨率 d 2 alconvention confocal d d= Zhengmin LiZhengmin Li2323 4. 由于点对点扫描去除了杂散光的影响由于点对点扫描去除了杂散光的影响 Zhengmin LiZhengmin Li2424 激光扫描共焦显微镜的设计特点激光扫描共焦显微镜的设计特点: 1.点照明点照明 2.具有照明具有照明pinhole和探测和探测pinhole 3.照明照明pinhole和探测和探测pinhole共轭共轭(共焦共焦), 共焦点 即被探测点，被探测点所在的平面为共焦平面 共焦点 即被探测点，被探测点所在的平面为共焦平面 4.具有扫描系统具有扫描系统 逐点扫描成像逐点扫描成像 5.具有多个（四个） 荧光通道，可同时探测多个 被标记物 具有多个（四个） 荧光通道，可同时探测多个 被标记物 Zhengmin LiZhengmin Li2525 Macrophages cultured on a polymer surface that have fused to form a foreign-body giant cell following treatment with interleukin-4. Cells were fixed with 3.7% formaldehyde, treated with RNase A and stained with rhodaminephalloidinto visualize F-actin, and with YO-PRO-1 iodide to visualize cell nuclei. Cells were imaged with a Bio- RadMRC600 confocal laser scanning microscope. The image is a composite of optical sections taken through the Z-axis of the cell. F-actin (red) is restricted to the periphery of the multinucleated cell and surrounds a cluster of nuclei (green). Zhengmin LiZhengmin Li2626 A mixture of live and heat-killed Bacillus cereus cells. Bacteria with intact cell membranes stain fluorescent red, whereas bacteria with damaged membranes stain fluorescent green. This maximum-projection image was generated from a series of 10 images taken at 0.2 µm increments through the specimen with a Leica confocal laser scanning microscope. Zhengmin LiZhengmin Li2727 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 如果仅仅在纸上画图，你自然能够“制造”出任 意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉 你完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷， 任何光学仪器仍然无法完美的成像。人们花了 很长时间才发现，光在通过显微镜的时候要发 生衍射简单的说，物体上的一个点在成像 的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如 果两个衍射光斑靠得太近，你就没法把它们分 辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事 了。 对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨 率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都 没法识别出来。 Zhengmin LiZhengmin Li2828 提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减 小光的波长，或者，用电子束来代替光。 根据德布罗意的物质波理论，运动的电子 具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就 越短。如果能把电子的速度加到足够高， 并且汇聚它，就有可能用来放大物体。 Zhengmin LiZhengmin Li2929 3×1010 3×108 3×106 3×104 3×102 3×100 3×10-2 3×10-4 波数， cm-1 1021 1019 1017 1015 1013 1011 109 107 频率，Hz 10-4 10-2 100 102 104 106 108 109 波长， nm X 射线 可见 微波 射线 紫外 红外 无线电 电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱 如何观察小于0.2微米的结构？ Zhengmin LiZhengmin Li3030 Zhengmin LiZhengmin Li3131 -20世纪最重要的发明之一 1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微 镜（TEM）。 1952年，英国工程师Charles Oatley制造出 了第一台扫描电子显微镜（SEM）。 3.3.电子显微镜电子显微镜 Zhengmin LiZhengmin Li3232 世界上 第一台 透射电 子显微 镜 世界上 第一台 透射电 子显微 镜 Zhengmin LiZhengmin Li3333 Zhengmin LiZhengmin Li3434 超高压超高压 电子显电子显 微镜微镜 JEMJEM- - 1000 1000 Zhengmin LiZhengmin Li3535 3 MV Ultrahigh voltage electron microscope Zhengmin LiZhengmin Li3636 . . SEM in my labSEM in my lab
