第七章-透射電子顯微鏡

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,電子顯微鏡,電子顯微鏡概述,宏觀,微觀,年份,科學家,國籍,獎項,貢獻,1929,路易,德布羅意,法國,物理,發(fā)現(xiàn)電子的,波動性,1936,彼得,德拜,荷蘭,化學,電子的衍射的研究來了解分子結(jié)構(gòu),1937,克林頓,約瑟夫,戴維孫、,喬治,佩吉特,湯姆森,美國、,法國,物理,發(fā)現(xiàn)關(guān)電子被晶體衍射的現(xiàn)象的實驗發(fā)現(xiàn),1982,阿龍,克盧格,英國,化學,發(fā)展了晶體電子顯微術(shù)，核酸,-,蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu),1986,恩斯特,魯斯卡,德國,物理,設(shè)計了第一臺電子顯微鏡,1986,格爾德,賓寧、海因里希,羅雷爾,德國、,瑞士,物理,

2、研制,掃描隧道顯微鏡,2017,雅克,杜波切特、阿姆,弗蘭克、理查德,亨德森,瑞士、德國、英國,化學,冷凍電子顯微鏡用于生物分子的高分辨率結(jié)構(gòu)測定,與電子顯微鏡相關(guān)的諾貝爾獎項,電子顯微鏡概述,分辨率,放大,電子顯微鏡概述,分辨率,分離相鄰兩個物體的能力,電子顯微鏡概述,光學顯微鏡,200 nm,透射電子顯微鏡,1 nm,r=,/2,光學顯微鏡，可見光,400-800 nm,則分辨率為,200 nm,那有什么辦法可以提高分辨率？,電子顯微鏡概述,為何是電子？,h,:,普朗克常數(shù),V,:,加速電壓,加速電壓越大，波長越小,如加速電壓為,100 kV,時波長為,0.0037,那么,電子與物質(zhì)相互作

3、用,主要：,散射（,scattering,）、衍射,（,diffraction,）,散射,是被投射波照射的物體表面曲率較大甚至不光滑時，其二次輻射波在角域上按一定的規(guī)律作擴散分布的,現(xiàn)象,衍射,是,指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。,彈性散射電子、非彈性散射電子,在碰撞中，如兩粒子間只有動能的交換，粒子的類型及其內(nèi)部運動狀態(tài)并無改變,，稱,為彈性散射,；,如,除有動能交換外，粒子內(nèi)部狀態(tài)在碰撞過程中有所改變或轉(zhuǎn)化為其他粒子，則稱為,非彈性散射,電子與物質(zhì)相互作用,彈性散射電子,非彈性散射電子,電子束,背散射電子,是,被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子。其中包括彈性背散射電子

4、和非彈性背散射電子,。,電子與物質(zhì)相互作用,彈性背散射電子,非彈性背散射電子,電子束,非彈性散射存在能量的損失,電子與物質(zhì)相互作用,被,散射電子的波長,改變，,損失的能量導(dǎo)致物體內(nèi)部的某些激發(fā)效應(yīng)，其表現(xiàn)形式可以是,背散射電子、二次電子、俄歇電子、標識和連續(xù),X,射線,、熱輻射、紫外線和可見光區(qū)域的光子,等。,電子與物質(zhì)相互作用的綜合圖，這是電子顯微鏡多種表征技術(shù)的基礎(chǔ)。,電子與物質(zhì)相互作用,透射,電子顯微鏡,是以波長極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有,高分辨率（,0.2 nm,）、高放大倍數(shù)（百萬倍）,的電子光學儀器,透射電子顯微鏡概述,透射電子顯微鏡的概述,透過,樣品后的

5、電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，樣品內(nèi)致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量,多,電子束,透過的電子,樣品,透射電子顯微鏡的概述,某細胞,某病毒,某多糖,某細菌,某細菌,某材料,熱陰極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速穿過陽極孔，然后被聚光鏡匯聚成具有一定直徑的束斑照到薄的樣品上。,具有一定能量的電子與樣品發(fā)生作用，產(chǎn)生放映樣品多種物理信息。,透射電子顯微鏡工作原理,電子光學系統(tǒng),：電子槍、聚光鏡、偏轉(zhuǎn)線圈,成像系統(tǒng),：物鏡、中間鏡、投影鏡,信號檢測系統(tǒng),：電子檢測器,觀察記錄系統(tǒng),：熒光屏、照相室,真空系統(tǒng),：真空泵,樣品臺,透射電子顯微鏡的組成,高壓裝置,透射電子顯微鏡的組成,電子

6、槍,真空系統(tǒng),操作控制系統(tǒng),透射電子顯微鏡的組成,觀察系統(tǒng),電子光學系統(tǒng),熱發(fā)射,場發(fā)射,電子槍,通電加熱或電場，表面產(chǎn)生大量的,熱電子，在,陽極和陰極之間的高壓電場作用下，熱電子加速向陽極方向高速,移動。,發(fā)射,表面較大，發(fā)射電流難以控制,通過外加電場將電子從槍噴出，縮小了發(fā)射表面，,可調(diào)節(jié)外加電壓控制發(fā)射電流,產(chǎn)生、加速及會聚高能量密度電子束流的裝置,鎢燈絲,LaB,6,單晶,電子光學系統(tǒng),聚光鏡：,是,將電子槍發(fā)射出來的電子束流會聚成亮度均勻且照射范圍可調(diào)的光斑，投射在下面的樣品,上。,上,方為,強磁場透鏡,，,下方,為,弱磁場,透鏡，電磁透鏡的工作,原理是通過改變聚光透鏡線圈中的電流，

7、來達到改變透鏡所形成的磁場強度的變化，,磁場強度的變化（亦即折射率發(fā)生變化）能使電子束的會聚點上下移動，在樣品表面上電子束斑會聚得越小，能量越集中，亮度也越大,成像系統(tǒng),物鏡,：為放大率很高的短距透鏡，作用是放大電子像,。是,決定透射電子顯微鏡,分辨能力,和成像質(zhì)量的關(guān)鍵,。,中間鏡,：為可變倍的弱透鏡，作用是,對電子像進行二次放大,。通過調(diào)節(jié)中間鏡的電流，可選擇物體的像或電子衍射圖來進行放大,。,投影鏡,：為高倍的強透鏡，用來,放大中間像,后在熒光屏上成像,。,透射電子顯微鏡工作原理,總放大倍數(shù),=,物鏡,中間鏡,投影鏡,物鏡,50-100,倍,中間鏡,0-20,倍,投影鏡,100-150,

8、倍,總放大倍數(shù)在,1000-200,萬倍,上一透鏡的像平面就是下一透鏡的物平面，這樣就能保證經(jīng)過連續(xù)放大的最終像是一個清晰的像。,成像系統(tǒng),早期采用感光板,現(xiàn)代采用,CCD,成像系統(tǒng)，可以將圖像輸入到計算機的顯示器觀察,兩,個獨立的電源，即電子加速的小電流高電壓，和聚焦與成像系統(tǒng)的大電流低電壓。,要求電源有足夠的穩(wěn)定性，無論高電壓或高電流的任何波動都會引起像的移動和像面的變化，降低分辨本領(lǐng)。,電源系統(tǒng),真空系統(tǒng),避免高速運動電子與空氣分子作用發(fā)生電離,整個電子通道從電子槍至照相地板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi),電鏡鏡筒內(nèi)的電子束通道對真空度要求很高，電鏡工作必須保持在,10,-3,-10 Pa,以

9、上的,真空度，,因為鏡筒中的殘留氣體分子,如果與高速電子碰撞，就會產(chǎn)生電離放電和散射電子，從而引起電子束不穩(wěn)定，增加像差，污染樣品,，并且殘留氣體將加速高熱燈絲的氧化，縮短燈絲壽命,。,獲得,高真空是由各種真空泵來共同配合抽取的。,樣品臺,樣品小而薄，通常采用,3 mm,樣品銅網(wǎng)支撐，網(wǎng)孔、方孔、圓孔，約為,0.0075 mm,樣品室的上下電子束通道各設(shè)了一個真空閥，用以在更換樣品時切斷電子束通道，只破壞樣品室內(nèi)的真空，而不影響整個鏡筒內(nèi)的,真空,樣品制備方法,超薄切片法,生物組織、軟的無機材料,支持,膜法,粉末狀,樣品的形貌觀察、顆粒粒度測定、結(jié)構(gòu)與成分分析,復(fù)型法,金相組織、斷口形貌、第二

10、相形態(tài),晶體薄膜法,樣品,內(nèi)部的組織、結(jié)構(gòu)、成分,樣品制備方法,1),支持膜法,粉末狀樣品，載在支持膜上，用銅網(wǎng)承載,常用的支持膜材料有醋酸纖維素膜、碳、火棉膠，具有相當好的機械強度，耐高能電子轟擊，且不顯示自身的組織,樣品制備方法,1,）支持膜法,制備步驟：,粉末樣品加入溶劑，在超聲振蕩使之均勻混合,樣品溶液滴在支持膜上,在真空鍍膜機中鍍膜（噴金、,Cr,、碳等）,關(guān)鍵：樣品粉末在支持膜上均勻分布，,注意：制備過程無帶入污染物,樣品制備方法,2),復(fù)型法,原理：用對電子束透明的薄膜（塑料、氧化物薄膜）,把材料表面或斷口的形貌復(fù)制下來的一種間接樣品制備方法,適用范圍：在電鏡中易起變化的樣品,分

11、類：塑料一級復(fù)型、碳一級復(fù)型、萃取復(fù)型,樣品制備方法,2),復(fù)型法,碳一級復(fù)型,樣品放入真空鍍膜裝置中，在垂直方向上向樣品表面鍍一層厚度為數(shù),10 nm,的碳膜（,2,）。,把樣品放入配好的分離也中進行分離（,3,）。,樣品制備方法,3,),超薄切片法,生物組織樣品,注意：在低溫下、最短時間內(nèi)取樣，投入固定液，樣品體積不超過,1mm,3,，所取部位具有代表性。,成像與分析,電子與晶體物質(zhì)作用可以發(fā)生衍射，對晶體樣品的成像過程，起決定作用的是樣品對電子的衍射。由樣品各處衍射束強度的差異形成的襯度稱為,衍射襯度,。,透射電鏡的成像可分為：,明場,成像 （觀察材料形貌）,暗場成像 （觀察材料形貌）,

12、選區(qū)電子衍射 （觀察晶體結(jié)構(gòu)）,高分辨率成像 （材料形貌與結(jié)構(gòu)）,成像與分析,成像與分析,成像與分析,成像與分析,衍射襯度,晶體薄膜樣品明暗場像的襯度,(,即不同區(qū)域的亮暗差別,),，是由于樣品相應(yīng)的不同部位結(jié)構(gòu)或取向的差別導(dǎo)致衍射強度的差異而形成,的,暗場成像,（中心暗場）,將入射束方向傾斜,2,角度，只允許,某支,衍射束通過物鏡光欄成像,明場,成像,只,允許透射束通過物鏡光欄成像,成像與分析,成像與分析,暗場成像,明場,成像,有該,物質(zhì)（暗區(qū)域）,沒有,該,物質(zhì)（亮區(qū)域）,有該,物質(zhì)（亮區(qū)域）,沒有,該,物質(zhì)（暗區(qū)域）,成像與分析,成像與分析,成像與分析,襯度理論,成像與分析,襯度理論,運

13、動學理論的兩個近似,選區(qū)電子衍射,將選區(qū)光欄套住物鏡像平面中一特定區(qū)域獲得的電子衍射；利于多晶體樣品中選取單個晶粒進行分析,成像與分析,高分辨率成像,觀察一維和二維晶格條紋像,晶體結(jié)構(gòu)中原子或分子配置情況,成像與分析,復(fù)習,分辨率與放大,電子與物質(zhì)相互作用,襯度理論,衍射襯度、質(zhì)厚襯度,透射束、衍射束,透射電鏡的結(jié)構(gòu),與電子顯微鏡相關(guān)的諾貝爾獎項,年份,科學家,國籍,獎項,貢獻,1929,路易,德布羅意,法國,物理,發(fā)現(xiàn)電子的,波動性,1936,彼得,德拜,荷蘭,化學,電子的衍射的研究來了解分子結(jié)構(gòu),1937,克林頓,約瑟夫,戴維孫、,喬治,佩吉特,湯姆森,美國、,法國,物理,發(fā)現(xiàn)關(guān)電子被晶體

14、衍射的現(xiàn)象的實驗發(fā)現(xiàn),1982,阿龍,克盧格,英國,化學,發(fā)展了晶體電子顯微術(shù)，核酸,-,蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu),1986,恩斯特,魯斯卡,德國,物理,設(shè)計了第一臺電子顯微鏡,1986,格爾德,賓寧、海因里希,羅雷爾,德國、,瑞士,物理,研制,掃描隧道顯微鏡,2017,雅克,杜波切特、阿姆,弗蘭克、理查德,亨德森,瑞士、德國、英國,化學,冷凍電子顯微鏡用于生物分子的高分辨率結(jié)構(gòu)測定,冷凍電子顯微鏡概述,冷凍電子顯微鏡概述,Structures,of the fully assembled Saccharomyces cerevisiae spliceosome before activation.

15、,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

16、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,冷凍電子顯微鏡概述,冷凍電子顯微鏡概述,冷凍電子顯微鏡概述,冷凍電子顯微鏡概述,電子顯微鏡獲得膜蛋白細菌,視紫紅質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)（圖,a,）,冷凍,電鏡技術(shù)獲得了第一張分辨率在原子級別的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像,（圖,b,）,2017,年冷凍,電鏡,技術(shù)，諾貝爾化學獎,冷凍電子顯微鏡概述,“晝夜節(jié)律”的蛋白質(zhì)復(fù)合物,（圖,a,）,與,聽覺相關(guān)的壓力變化傳感器,（圖,b,）,寨,卡病毒,（圖,c,）,冷凍電子顯微鏡概述,冷凍電鏡技術(shù),的突破席卷了生物學領(lǐng)域：,代替了傳統(tǒng),