電子顯微鏡的新技術和發展趨勢分析

按照中心布置，在校圖書館電子文獻庫檢索（電子顯微鏡的*新技術和發展）檢索到相關文獻，其中全國分析測試學會微觀結構專業評議組新一代電子顯微鏡的發展趨勢及應用特點和中科院電子顯微鏡實驗室姚駿恩院士電子顯微鏡現狀與展望；國家生物醫學分析中心張德添教授為“2009中國科學儀器發展年會”介紹了電鏡的*新技術；主要電鏡公司的產品簡介整理如下：

 一、高性能場發射***電子顯微鏡日趨普及和應用。
場發射***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材料的原子排列和種類進行綜合分析。九十年代中期，全世界只有幾十臺；現在已猛增至上千臺。我國目前也有上百臺以上場發射***透射電子顯微鏡。常規的熱鎢燈絲（電子）***掃描電子顯微鏡，分辨率*高只能達到 3.0nm；新一代的場發射***掃描電子顯微鏡，分辨率可以優于1.0nm；*高分辨率的掃描電鏡，其分辨率高達0.5nm-0.4nm。其中環境描電子顯微鏡可以做到：真正的“環境”條件，樣品可在100%的濕度條件下觀察；生物樣品和非導電樣品不要鍍膜，可以直接上機進行動態的觀察和分析；可以“一機三用”。高真空、低真空和“環境”三種工作模式。

二、努力發展新一代單色器、球差校正器，以進一步提高電子顯微鏡的分辨率
球差系數:常規的透射電鏡的球差系數 Cs約為mm級；現在的透射電鏡的球差系數已降低到 Cs<0.05mm.色差系數:常規的透射電鏡的色差系數約為 0.7；現在的透射電鏡的色差系數已減小到0.1。
場發射透射電鏡、STEM技術、能量過濾電鏡已經成為材料科學研究,甚至生物醫學必不可少的分析手段和工具.
物鏡球差校正器把場發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0.08nm.
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的十分之一左右.因此利用單色器的同時,也要同時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,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，色差大約增大了30%左右. 因此,校正球差的同時,也要同時考慮校正色差.

三、電子顯微鏡分析工作邁向計算機化和網絡化。
在儀器設備方面，目前掃描電鏡的操作系統已經使用了**的操作界面。用戶只須按動鼠標，就可以實現電鏡鏡筒和電氣部分的控制以及各類參數的自動記憶和調節。不同地區之間,可以通過網絡系統，演示如樣品的移動，成像模式的改變, 電鏡參數的調整等。以實現對電鏡的遙控作用.

四、電子顯微鏡在納米材料研究中的重要應用。
由于電子顯微鏡的分析精度逼近原子尺度，所以利用場發射***透射電鏡，用直徑為0.13nm的電子束，不僅可以采集到單個原子的Z-襯度像，而且還可采集到單個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獲得材料的原子和電子結構信息。觀察樣品中的單個原子像，始終是科學界長期追求的目標。一個原子的直徑約為1千萬分之 2-3mm。所以，要分辯出每個原子的位置，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。人們預測，當材料的尺度減少到納米尺度時，其材料的光、電等物理性質和力學性質可能具有**性。因此，納米顆粒、納米管、納米絲等納米材料的制備，以 及其結構與性能之間關系的研究成為人們十分關注的研究熱點。
利用電子顯微鏡，一般要在200KV 以上*高真空場發射***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，在電鏡上觀察到內徑為0.4nm 的納米碳管、Si-C-N 納米棒、以及Li 摻雜Si 的半導體納米線等。
在生物醫學領域，納米膠體金技術、納米硒保健膠囊、納米級水平的細胞器結構，以及納米機器人可以小如細菌，在血管中監測血液濃度，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工具分不開。總之：
掃描電鏡、透射電鏡在材料科學特別納米科學技術上的地位日益重要。穩定性、操作性的改善使得電鏡不再是少數專家使用的高級儀器，而變成普及性的工具；更高分辨率依舊是電鏡發展的*主要方向；掃描電鏡和透射電鏡的應用已經從表征和分析發展到原位實驗和納米可視加工；聚焦離子束(FIB)在納米材料科學研究中得到越來越多的應用；FIB/SEM雙束電鏡是目前集納米表征、納米分析、納米加工、納米原型設計的***工具；矯正型STEM (Titan)的目標：2008年實現0.5?分辨率下的3D結構表征。

五、低溫電鏡技術和三維重構技術是當前生物電子顯微學的研究熱點。
低溫電鏡技術和三維重構技術是當前生物電子顯微學的研究熱點.主要是研討利用低溫電子顯微鏡（其中還包括了液氦冷臺低溫電鏡的應用）和計算機三維像重構技術，測定生物大分子及其復合體三維結構。如利用冷凍電子顯微學測定病毒的三維結構和在單層脂膜上生長膜蛋白二維晶體及其電鏡觀察和分析。
當今結構生物學引起人們的高度重視，因為從系統的觀點看生物界，它有不同的層次結構:個體?器官?組織?細胞?生物大分子。雖然生物大分子處于*低位置,可它決定高層次系統間的差異。三維結構決定功能結構是應用的基礎:藥物設計,基因改造,疫苗研制開發,人工構建蛋白等，有人預言結構生物學的突破將會給生物學帶來***的變革。
電子顯微學是結構測定重要手段之一。低溫電子顯微術的優點是：樣品處于含水狀態，分子處于天然狀態；由于樣品在輻射下產生損傷，觀測時須采用低劑量技術（low dose technique)；觀測溫度低，增強了樣品耐受輻射能力；可將樣品凍結在不同狀態，觀測分子結構的變化，通過這些技術，使各種生物樣品的觀察分析結果更接近真實的狀態。

六、高性能CCD相機日漸普及應用于電子顯微鏡中
CCD的優點是靈敏度高，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，在實際應用中，攝像頭的像素越高，拍攝出來的圖像品質就越好，對于同一畫面，像素越高的產品它的解析圖像的能力也越強，但相對它記錄的數據量也會大得多，所以對存儲設備的要求也就高得多。
當今的TEM領域，新開發的產品完全使計算機控制的，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。數字技術的潮流正從各個方面推動TEM應用以至整個實驗室工作的徹底變革。尤其是在圖象處理軟件方面，許多過去認為不可能的事正在成為現實。
以下對在CCD相機領域主要廠商作一介紹
1、Gatan及科揚公司簡介：
Gatan公司是世界上*大電子顯微鏡附件產品的生產商，在其成立的40多年里，不斷努力研發適合研究者使用的電鏡附件產品，并且多種產品和技術已成為行業標準。Gatan進入中國市場已有二、三十年的歷史，CCD產品的市場占有率已經高達80%以上。科揚國際貿易（上海）有限公司為美國Gatan公司中國區域總代理，為研究者提供及時快速的售前、售后服務響應。
Gatan 公司針對不同的研究方向設計了多款CCD相機，而在2006年初推出一款新型CCD相機-型號832SC1000W，既適用于材料方面又適用于生物方面，尤其在材料研究方面，它是世界上*款也是*一款可以直接拍攝電子衍射的CCD相機。
2、SIS公司（Soft Imaging System）：
該公司能通過底部安裝和側面安裝兩種CCD攝像頭,采用了高靈敏度多晶磷閃爍體，它的電動快門可以在極寬的暴光時間范圍內進行自動調節，在無論什么
照明條件下均可保證采集到亮度*佳的圖象。支持多重圖象合并模式，能夠充分降低噪音，使圖象具有更高的信噪比。用于電子顯微鏡的數字攝像頭
下面對幾個主要電鏡公司的產品作一簡介：
1、FEI公司簡介：
FEI公司是一家在紐約NASDAQ上市的高科技公司, 是 “TOOLS FOR NANOTECH” 解決方案的創新者和*供應商, 主要面向半導體、數據存儲、結構生物學、材料和工業領域。
FEI公司由荷蘭飛利浦電子集團電子光學公司(PEO)和原美國FEI公司于1997年合并而成。荷蘭飛利浦電子集團是FEI公司的*大股東。