电子显微镜的发展及其应用

摘要：

本文主要阐述了电子显微镜的发展过程，包括电子显微镜的诞生，现状及其展望。还有电子显微镜在各领域的应用状况，它被广泛应用于农业方面，出土纺织品检测方面，物证鉴定，栅光刻工艺等多方面，都起着不可缺少的作用。

关键词：

电子显微镜； 发展； 应用

Abstract：

The article mainly elaborate the develop period of the electron micro scope. It include the birth of electron microscope, the status in quo and the development. It also talk about the application status of electron microscope in many different areas. It widely be used in agriculture, ancient textile material, identifying judicial evidence, lithography and so on. It is very important.

Key words：

electron microscope; development; application

正文：　

1、电子显微镜的发展

近年来, 电子显微镜又有了较快的发展, 半个多世纪以来电子显微学的奋斗目标主要是力求观察更小的物体结构、更细小的实体、甚至单个原子、并获得有关试样方面的更多信息，下面将详细介绍电子显微镜的发展。

1.1电子显微镜的诞生

Ruska在三十年代研制出第一台电子显微镜,二战后又在极端困难条件下发展出带有电子衍射功能的高分辨电镜Elmiskop I。Ruska 毕生从事电子显微镜的研制和生产工作,不但在实验室中研制成功第一台分辨率超过光学显微镜的电镜,并且亲自参加商品电镜的设计及制造工作。但是,从专利优先权角度看,他不是电镜的发明人。直到半个世纪后,有关的争议人都已过世,他才在1986 年获得这个迟到的但却是当之无愧的诺贝尔物理奖^[2]

1.2电子显微镜的现状

目前世界上能够生产电镜的国家很多, 其中西德、日本、美国和荷兰等国走在前列。我国的电镜研制工作从20 世纪50年代开始, 至今已成功地研制出一系列各种形式的电镜。目前, 电子显微镜的应用与物理学、化学、生物化学、计算机等学科发生了紧密的联系, 在材料、冶金、轻工、纺织、医药以及国防尖端科学等领域, 得到了越来越广泛的应用。 电子显微镜观察也已从形态学分析逐步提高到定性、定量分析水平, 从而更加扩大了电子显微镜的应用范围。 随着科学技术的不断进步, 极大地促进了电子显微镜技术的发展, 近几年来, 大量新型、高功能的电子显微镜投入使用, 为科技研究工作提供了强有力的支持,促进了科学技术的发展与进步。

1.3电子显微镜的展望

随着技术的不断发展, 电子显微镜将显示其越来越大的作用。使用电子显微镜进行观测和鉴定也越来越普遍,在各方面的研究工作中, 电子显微镜的应用也将进一步增多。当然, 电子显微镜技术还会不断发展, 功能和适应性都将不断加强, 无疑会具有更广阔的应用前景。

2、电子显微镜的应用

随着现代科学技术的不断深入发展, 电子显微镜的应用技术也日趋广泛, 作为观察微观世界的“科学之眼 ”——电子显微镜所具有的高分辨、直观性的特点是任何其他科学仪器无法代替的。电子显微镜对医学、生物学、物理学、化学、冶金学以及材料学学科的发展起了卓越的作用, 电子显微镜在许多学科的研究工作中已成为不可缺少的常规仪器。

2.1电子显微镜在农业上的应用

2.1.1扫描电镜在农业上的应用

扫描电子显微镜具有景深大、图像立体感强、分辨率高、图像范围大以及样品制备过程比较简单等优点，已引起农业科研人员的高度重视和青睐。扫描电镜在农业科研中主要是研究动植物、微生物、昆虫等不同组织和微小器官的表面形态及部结构, 从而加深理解它们在生理机能上的应用, 探索有机体的生活规律。如: 在昆虫方便主要是提高对其微小器官的辨别能力、提高分类水平, 同时进一步弄清器官的作用, 对昆虫的外部形态进行特征描述和比较, 研究其形状变化及其规律和结构的特征以便有更深的了解。在植物方面, 研究农作物的花粉、果皮、种皮表面花纹及种子内部结构等特征, 这在分类学上具有重要意义。在微生物方面, 对研究真菌、放线菌、细菌的分类、辨别科属、判断病源等起较大的作用, 尤其是对病菌的活动、孢子发芽侵入寄主等, 用扫描电镜观察均能获得满意的效果。扫描电镜在农业上应用范围日趋广泛, 揭示解决的问题也日趋深刻, 对指导农业生产和科研的作用也越来越明显^[1]。

2.1.2透射电镜在农业上的应用

在农业生物样品观察中, 随着电子显微镜分辨率的不断提高, 电子显微镜图像的清晰度已将不完全取决于电子显微镜的分辨率, 而很大程度上取决于样品的制作技术。透射电镜农业生物样品常用的制备技术有: 超薄切片技术、免疫电镜技术、负染色技术、生物大分子电镜技术等。人类自1939年由德国科学家Kausche、Pfankuch和Ruska应用最新研究的电子显微镜第1 次看到烟草花叶病毒， 从此开创研究病毒的新纪元。植物病毒作为一类侵蚀被子植物、裸子植物和蕨类植物的重要病源物,在全世界范围内引起农作物、果树、花卉、牧草、药用植物的病害, 造成产量和品质的下降, 严重影响人类的生产生活。应用电子显微镜技术在确定病毒的形态结构、基因组织结构及功能、病毒复制过程、病毒与寄主之间相互关系的深入了解, 观察细胞超微观结构病变方面具有其他方法不可替代的作用, 为逐步揭示病毒的本质, 最终解决病毒、病害问题奠定基础。透射电镜诊断学技术已成为一门新学科, 电镜诊断技术具有直观、快速、可靠的特点, 在动、植物病虫害的防治中具有非常重要的作用^[1]。

2.2电子显微镜在出土纺织品检测上的应用

电子显微镜具有极高的分辨率和快速准确的观测等优点, 使得它广泛地应用于纺织品检测, 从最新型纺织材料的研制到最终纺织产品的生产, 从古老的出土纺织文物到最新上市的流行服装,都可以使用电子显微镜进行检测与鉴定.

2.2.1用于纺织材料的检测与鉴定

随着纺织科技的不断发展, 新型纺织材料层出不穷, 在新型纺织材料的研制过程中, 需要对新材料进行观察、检测和鉴定。为达到纺织品对材料的各种要求, 在研制过程中就需要了解材料的内部结构、物质成分和各种理化性能. 通过电子显微镜的观察, 不仅可以知道纺织材料的表面特征, 也可以知道材料的内部结构和化学组成, 进而可以判定其许多理化性能指标, 指导进一步的材料研制工作。对于出土纺织品, 首先就需要确定其所使用的纺织材料的种类、特点、结构和性能, 通过电镜观测, 基本可以准确鉴定^[4]。

2.2.2用于织物结构的观察研究

织物的结构与纺织品的性能、外观形态和纺织工艺有着密切的关系, 对它们之间关系的深入了解, 有助于提高纺织品的设计、制造水平, 对改进纺织工艺也有着十分重要的作用. 特别是对于出土纺织品的织物结构的研究, 还可以用来判定出土文物的年代、使用的纺织工具以及织造工艺。由于中国古代的纺织品许多是丝绸织物, 结构细密、工艺复杂, 使用电子显微镜能够进行准确快速的观测, 织物结构和微观形态清楚明显, 对于古代纺织品的研究和鉴定有着不可替代的作用。

2.2.3用于纤维与纱线结构的观察与检测

使用电子显微镜对纤维和纱线的性能、结构以及组成进行研究, 有助于深入了解纺织材料的基本特征, 加快新型纺织材料的设计与制造, 可以指导纺织产品的设计和开发。在出土纺织材料的研究方面, 纤维和纱线的电镜观测是经常使用的一种方法, 它能快速准确地鉴定古代纺织品的年代以及所使用的材料、工艺和技术。对于纺织品经过不同处理之后的变化,也可以通过电镜观察相应的纤维形态进行研究,进而对处理工艺的效果和影响有一个直观准确的认识, 可以指导改进处理工艺。

2.2.4用于对染整工艺的观察与鉴定

染整是纺织品的后处理工艺, 它对纺织品的外观形态、色泽、性能以及穿着舒适性有着重要的作用, 染整之后的纺织品的各项特性都在微观上具有一定的体现。通过电子显微镜对纺织品的染整工艺进行微观观察, 有助于了解染整对纺织品的作用情况, 进而指导改进染整工艺。对于出土纺织品, 对其进行染整工艺的电子显微镜观察, 可以用来鉴定古代的各项染整工艺和措施, 鉴定出土纺织品所使用的染整材料等^[4]。

2.3电子显微镜在物证鉴定中的应用

对成分一致但比较常见的金属分离物, 特别是被广泛使用的各种铁(钢)、铜、铝制品, 也很难作出是否同一的明确结论。根据金属材料的组织结构及性能与其本身的化学成分及夹杂物等有关外, 还受其热处理工艺的影响, 即使金属材料的化学成分固定不变, 但只要改变其生产工艺, 它们的显微组织和性能也会随之发生改变, 根据这一原理, 可以利用扫描电镜比较它们的显微组织来判定其同一性。案例: 这是一典型的破门入室盗窃案, 有两个犯罪嫌疑人, 从两人住所中均搜出一件可疑作案工具,其上有金属残留物, 因此将金属残留物与被撬窗户铁护栏作同一性鉴定。分别对铁护栏和两可疑作案工具上的金属残留物取样, 用X 射线能谱仪进行成分分析, 结果, 铁护栏只含铁元素 , 两可疑作案工具上的金属残留物也为铁质金属残留物。由于两可疑作案工具的作案对象都为铁质材料, 仅根据以上X 射线能谱仪的分析结果, 无法作出是否同一的结论, 需要进一步比较它们的显微组织。从各分离物的显微组织, 从中可以明确地得出被盗房屋窗户铁护栏与1号嫌疑工具金属残留物为同一种材料的结论, 排除了2号工具为作案工具的可能性。该鉴定结论为案件的迅速侦破提供了可靠的依据^[3]。

2.4电子显微镜在栅光刻工艺中的应用

根据电镜的原理, 在监视器上所得的图像由亮度不同的点组成, 所能区分的是该点的亮度, 而对纵向的高度没有体现, 因此电镜图片都是没有立体感的黑白图片。是使用普通工作条件所观察的三层胶电镜图片, 看不出立体结构, 而要达到严格控制栅光刻工艺的目的,必须能够在线观察栅光刻的三层胶结构。在解决荷电问题的实验过程中, 作者发现背散射电子信号所占的比例越大, 图片的立体感就越强。通过改变工作距离, 采用低位探测器背散射电子的出射角度比较大 , 使背散射电子的信号达到最大。最终发现, 采用合适的工作距离和偏转角度, 并将样品倾斜一定的角度, 背散射电子的信号最强, 得到的图片也最有立体感。拍摄的是同样的三层胶结构, 但图立体感很强, 三层胶结构也很明显。此项技术的应用, 使三层胶栅形貌能够实现在线观察和测量^[6]。

结论:

使用电子显微镜进行观测和鉴定也越来越普遍,在各方面的研究工作中, 电子显微镜的应用也将进一步增多。1959年在中国科学院长春光学精密机械研究所制成我国第1台电镜至今, 全国已有各种类型的电镜3 000多台,但国产化电镜为中、低档产品, 高档产品乃为进口产品, 我国电镜制造业亟待发展。生物、医学以及农业、药物和食品工业等领域往往要求把电镜技术和其他技术得到的信息联系起来。随着技术的不断发展, 电子显微镜将显示其越来越大的作用。当然, 电子显微镜技术还会不断发展, 功能和适应性都将不断加强, 无疑会具有更广阔的应用前景。

参考文献：

【1】       王建林, 陆翠珍, 陈玎玎等.电子显微镜在农业上的应用及进展[J]. 农技服务, 2010, 27( 12) : 1659- 1660

【2】       郭可信.电子显微镜在材料科学中的应用[J]. 材料科学与工程,2002,20(1)

【3】       雷平.扫描电子显微镜及X射线能谱仪在物证鉴定中的应用[J].理化检验—物理分册 ,2000,36(11)

【4】       王永礼, 屠恒贤.电子显微镜的发展以及在出土纺织品检测上的应用[J].2005,15（3）

【5】       黄伟其.电子显微镜的发展[J].贵阳医学院学报，1987,12（2）

【6】       李保第, 刘福庆, 付兴昌等.扫描电子显微镜在栅光刻工艺中的应用[J].显微、测量、微细加工技术与设备