透射電鏡&冷凍電鏡

1、透射電鏡1

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）是利用高能電子束充當照明光源而進行放大成像的大型顯微分析設備。1933年，德國科學家盧斯卡（Ruska）和克諾爾（Knoll）研制出了世界上第一臺透射電鏡，并在1939年由西門子公司以這臺電鏡為樣機，量產了第一批商品透射電鏡，分辨能力比光學顯微鏡提高了20倍。從此，人類對微觀世界的科學研究有了更強有力的武器。到今天，透射電鏡已經誕生了70多年，由電鏡應用而形成的交叉性學科——電子顯微學已經日趨完善，電鏡的分辨能力也比最初時提高了超過100倍，達到了亞埃級，并且在自然科學研究中起到日益重要的作用，其結構如下圖所示。

圖. 透射電鏡基本構造示意圖

（1）成像原理：TEM的成像原理與光學顯微鏡類似，但使用電子束代替光束，并通過磁透鏡進行聚焦成像。

（2）分辨率：傳統透射電鏡的分辨率極高，可以達到0.1至0.2納米，使其能夠觀察到小于0.2微米的超微結構，又稱為“亞顯微結構”。

（3）樣品制備：樣品需要被制備成非常薄的切片，通常厚度為50至100納米，以便電子束能夠透過樣品。

（4）操作流程：

樣品制備：包括固定、脫水、包埋、超薄切片和染色等步驟。

裝載樣品：將制備好的樣品裝載到TEM的樣品桿上，并插入到樣品室內。

抽真空：開啟真空系統，確保樣品室內達到高真空狀態，以避免電子束與氣體分子的碰撞。

加高壓：啟動高壓電源，為電子槍提供加速電壓，一般生物樣品觀察使用60KV或80KV。

觀察與成像：通過調整物鏡、中間鏡和投影鏡等，觀察樣品并獲取圖像。

（5）應用領域：TEM廣泛應用于材料科學、生物學、醫學和納米技術等領域，用于觀察細胞結構、納米顆粒、晶體缺陷等。

2、透射電鏡和冷凍電鏡之間的比較

冷凍電鏡（Cryo-EM）與傳統透射電鏡（TEM）在多個方面存在顯著差異，其比較如下表所示：

掃描電子顯微鏡&冷凍電鏡

1、掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）是一種新型的電子光學儀器，主要用于觀察樣品的表面形態和結構，它在上世紀 60 年代迅速發展起來，是位于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間得顯微鏡。

（1）成像原理

SEM的成像原理和光學顯微鏡、透射電子顯微鏡不同，它是以電子束作為照明源，把聚焦得很細的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，通過電子與試樣相互作用產生的二次電子、背散射電子等，然后加以收集和處理從而獲得微觀形貌放大像，如下圖所示。

圖. 掃描電子顯微鏡的成像原理圖2

（2）技術特點

具有高分辨率，現代掃描電鏡的二次電子成像分辨率可達3～4nm；

放大倍數范圍廣，可以從幾倍到200,000倍，且連續可調；

非接觸觀察，不會破壞樣品形狀和結構 ；

具有較大的景深和立體感，適合觀察表面起伏較大的樣品 。

（3）應用領域：

材料學：觀察材料微觀結構，分析成分和表面形貌，對新材料研發和材料性能改進具有重要意義；

生命科學：研究細胞和組織結構、微生物形態等；

納米技術：高分辨率和高靈敏度使其成為研究納米領域的重要工具；

能源領域：廣泛應用于太陽能電池、燃料電池等研究，幫助觀察微觀結構中的缺陷或不均勻性 ；

（4）樣品制備：與透射電鏡相比，掃描電鏡的樣品制備相對簡單，樣品可以是導電的也可以是不導電的，通常需要噴鍍一層導電膜，如金、鉑或碳，以提高信號質量和避免電荷積累 。

（5）成像模式：主要包括二次電子成像和背散射電子成像。二次電子成像對樣品表面形貌非常敏感，適合觀察表面細節；背散射電子成像則能夠顯示原子序數襯度，用于成分分析。

（6）附加功能：許多掃描電鏡配備有能譜儀（EDS）等附件，可以進行元素的定性和定量分析，提供材料的化學成分信息。

2、掃描電鏡和冷凍電鏡之間的比較

小結

上文中提到多種顯微鏡，下表分別用一句話幫助大家快速區分不同顯微鏡：

資料來源：

[1] 資料來源：濱州醫學院，醫藥研究中心發文，透射電子顯微鏡原理、結構及基本操作 (bzmc.edu.cn)

[2] 資料來源：中國科學院新疆生態與地理研究所《掃描電鏡工作原理》