常用顯微鏡的分析方式匯總，分析測試的伙伴都收藏了

鑠思百檢測可提供SEM+TEM+AFM檢測服務(wù)，以下是三個(gè)不同設(shè)備的相關(guān)介紹：

01 SEM

SEM是scanning electron microscope的縮寫，中文即掃描電子顯微鏡。 目前掃描電鏡的分辨力為6~10nm，人眼能夠區(qū)別熒光屏上兩個(gè)相距0.2 mm的光點(diǎn)，則掃描電鏡的最大有效放大倍率為0.2mm/10nm=20000X。

掃描電鏡原理

從電子槍陰極發(fā)出的直徑20 cm～30 cm的電子束，受到陰陽極之間加速電壓的作用，射向鏡筒，經(jīng)過聚光鏡及物鏡的會(huì)聚作用，縮小成直徑約幾毫微米的電子探針。在物鏡上部的掃描線圈的作用下，電子探針在樣品表面作光柵狀掃描并且激發(fā)出多種電子信號(hào)。這些電子信號(hào)被相應(yīng)的檢測器檢測，經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換，變成電壓信號(hào)，最后被送到顯像管的柵極上并且調(diào)制顯像管的亮度。顯像管中的電子束在熒光屏上也作光柵狀掃描，并且這種掃描運(yùn)動(dòng)與樣品表面的電子束的掃描運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格同步，這樣即獲得襯度與所接收信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的掃描電子像，這種圖象反映了樣品表面的形貌特征。

掃描電鏡樣品制備的主要要求是：盡可能使樣品的表面結(jié)構(gòu)保存好，沒有變形和污染，樣品干燥并且有良好導(dǎo)電性能。

另外，掃描電鏡生物樣品制備技術(shù)大多數(shù)生物樣品都含有水分，而且比較柔軟，因此，在進(jìn)行掃描電鏡觀察前，要對(duì)樣品作相應(yīng)的處理。

掃描電鏡應(yīng)用

原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。

02 TEM

TEM透射電子顯微鏡（Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍，用于觀察微結(jié)構(gòu)，即小于光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微結(jié)構(gòu)”。

透射電鏡的工作原理

透射電子顯微鏡的成像原理可分為三種情況：

1. 吸收像：當(dāng)電子射到質(zhì)量、密度大的樣品時(shí)，主要的成相作用是散射作用。樣品上質(zhì)量厚度大的地方對(duì)電子的散射角大，通過的電子較少，像的亮度較暗。早期的透射電子顯微鏡都是基于這種原理 。

2. 衍射像：電子束被樣品衍射后，樣品不同位置的衍射波振幅分布對(duì)應(yīng)于樣品中晶體各部分不同的衍射能力，當(dāng)出現(xiàn)晶體缺陷時(shí)，缺陷部分的衍射能力與完整區(qū)域不同，從而使衍射缽的振幅分布不均勻，反映出晶體缺陷的分布。

3. 相位像：當(dāng)樣品薄至100A以下時(shí)，電子可以穿過樣品，波的振幅變化可以忽略，成像來自于相位的變化。

透射電鏡的應(yīng)用

透射電子顯微鏡在材料科學(xué)、生物學(xué)上應(yīng)用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會(huì)影響到最后的成像質(zhì)量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50～100nm。所以用透射電子顯微鏡觀察時(shí)的樣品需要處理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷凍超薄切片法、冷凍蝕刻法、冷凍斷裂法等。對(duì)于液體樣品，通常是掛預(yù)處理過的銅網(wǎng)上進(jìn)行觀察。

03 AFM

AFM全稱Atomic Force Microscope，即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之后發(fā)明的一種具有原子級(jí)高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對(duì)各種材料和樣品進(jìn)行納米區(qū)域的物理性質(zhì)包括形貌進(jìn)行探測，或者直接進(jìn)行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關(guān)學(xué)科的研究實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中，成為納米科學(xué)研究的基本工具。

原子力顯微鏡的原理

它是用微小探針“摸索”樣品表面來獲得信息．如圖下所示，當(dāng)針尖接近樣品時(shí)，針尖受到力的作用使懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)或振幅改變．懸臂的這種變化經(jīng)檢測系統(tǒng)檢測后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳遞給反饋系統(tǒng)和成像系統(tǒng)，記錄掃描過程中一系列探針變化就可以獲得樣品表面信息圖像。

原子力顯微鏡有四種基本成像模式，它們分別是接觸式(Contact mode)、非接觸式(non-contact mode)、敲擊式(tapping mode)和升降式(lift mode)．

1. 接觸成像模式

在接觸式AFM中，探針與樣品表面進(jìn)行“軟接觸”．當(dāng)探針逐漸靠近樣品表面時(shí)，探針表面原子與樣品表面原子首先相互吸引，一直到原子間電子云開始相互靜電排斥。

這種靜電排斥隨探針與樣品表面原子進(jìn)一步靠近，逐漸抵消原子間的吸引力．當(dāng)原子間距離小于1nm，約為化學(xué)鍵長時(shí)，范德華力為0．當(dāng)合力為正值(排斥)時(shí)，原子相互接觸．由于在接觸區(qū)域范德華力曲線斜率很高，范德華斥力幾乎抵消了使探針進(jìn)一步靠近樣品表面原子的推力．當(dāng)探針彈性系數(shù)很小時(shí)，懸臂發(fā)生彎曲．通過檢測這種彎曲就可以進(jìn)行樣品形貌觀察。假如設(shè)計(jì)很大彈性系數(shù)的硬探針給樣品表面施加很大的作用力，探針就會(huì)使樣品表面產(chǎn)生形變或破壞樣品表面．這時(shí)就可以得到樣品力學(xué)信息或?qū)悠繁砻孢M(jìn)行修飾。

2. 非接觸成像模式

非接觸式AFM中，探針以特定的頻率在樣品表面附近振動(dòng)．探針和樣品表面距離在幾納米到數(shù)十納米之間．這一距離范圍在范德華力曲線上位于非接觸區(qū)域．在非接觸區(qū)域，探針和樣品表面所受的總力很小，通常在10-12N左右。在非接觸式AFM中，探針以接近于其自身共振頻率 (一般為100kHz到400kHz)及幾納米到數(shù)十納米的振幅振動(dòng)．當(dāng)探針接近樣品表面時(shí)，探針共振頻率或振幅發(fā)生變化檢測器檢測到這種變化后，把信號(hào)傳遞給反饋系統(tǒng)，然后反饋控制回路通過移動(dòng)掃描器來保持探針共振頻率或振幅恒定，進(jìn)而使探針與樣品表面平均距離恒定，計(jì)算機(jī)通過記錄掃描器的移動(dòng)獲得樣品表面形貌圖。

3. 敲擊成像模式

敲擊式AFM與非接觸式AFM比較相似，但它比非接觸式AFM有更近的樣品與針尖距離．和非接觸式AFM一樣，在敲擊模式中，一種恒定的驅(qū)動(dòng)力使探針懸臂以一定的頻率振動(dòng)(一般為幾百千赫)．振動(dòng)的振幅可以通過檢測系統(tǒng)檢測．當(dāng)針尖剛接觸到樣品時(shí)，懸臂振幅會(huì)減少到某一數(shù)值．在掃描樣品的過程中，反饋回路維持懸臂振幅在這一數(shù)值恒定．當(dāng)針尖掃描到樣品突出區(qū)域時(shí)．懸臂共振受到阻礙變大，振幅隨之減?。喾?，當(dāng)針尖通過樣品凹陷區(qū)域時(shí)，懸臀振動(dòng)受到的阻力減小，振幅隨之增加。懸臂振幅的變化經(jīng)檢測器檢測并輸入控制器后，反饋回路調(diào)節(jié)針尖和樣品的距離，使懸臂振幅保持恒定．反饋調(diào)節(jié)是靠改變Z方向上壓電陶瓷管電壓完成的。當(dāng)針尖掃描樣品時(shí)，通過記錄壓電陶瓷管的移動(dòng)就得到樣品表面形貌圖。敲擊式AFM有效防止了樣品對(duì)針尖的粘滯現(xiàn)象和針尖對(duì)樣品的損壞。

原子力顯微鏡的應(yīng)用

1. 形貌觀察：AFM可以對(duì)樣品表面形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、鏈構(gòu)象等方面進(jìn)行研究。

2 . AFM在高分子科學(xué)方面的應(yīng)用

(1) 高分子表面形貌和納米結(jié)構(gòu)的研究

圖為所示為常規(guī)的AFM在高分子方面的應(yīng)用．高分子的形貌可以通過接觸式AFM、敲擊式AFM來研究。接觸式AFM研究形貌的分辨率與針尖和樣品接觸面積有關(guān)。一般來說，針尖與樣品的接觸尺寸為幾納米，接觸面積可以通過調(diào)節(jié)針尖與樣品接觸力來改變，接觸力越小，接觸面積就越小；同時(shí)也減少了針尖對(duì)樣品的破壞．為了獲得高分辨高分子圖像，人們用各種方法來對(duì)樣品進(jìn)行微力檢測。

(2) AFM對(duì)高分子材料納米機(jī)械性能的研究

掃描探針技術(shù)是研究高分子材料納米范圍機(jī)械性能的強(qiáng)有力工具。在接觸式AFM中．以不同的力掃描樣品可以得到樣品機(jī)械性能的信息．高分子材料彈性模量的變化范圍從幾MPa到幾GPa，這就需要根據(jù)樣品的不同性質(zhì)來選樣低力或高力對(duì)樣品成像．在水中拉伸PE條帶施加不同力時(shí)獲得的樣品變形圖像．在強(qiáng)力掃描樣品時(shí)，可以看到沿纖維走向有以25nm為周期的明暗變化。

(3) 高分子組分分布研究

許多高分子材料由不均一相組成，因此研究相的分布可以給出高分子材料許多重要的信息。如圖增韌塑料是由兩種不同高分子材料和橡膠顆粒共混而成的，其高度圖和相圖有明顯的不同相圖中不僅可以分辨出兩種不同高分子組分，而且可以見到約1nm尺寸的橡膠顆粒。

3. AFM在生物大分子中的應(yīng)用

AFM是研究生物大分子強(qiáng)有力的工具。生物大分子不同于一般高分子聚合物．它在生物體中多以單個(gè)分子存在，因此容易得到單個(gè)分子的形貌圖像，單個(gè)生物分子的三維形貌及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究對(duì)解釋生命現(xiàn)象有不可估量的作用．如今人們用AFM研究各種生物分子，如DNA、蛋白質(zhì)、抗原抗體分子及其他一些重要分子。

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