从光子到电子：光学和电子显微镜-北京国信中业科学技术院

从光子到电子：光学和电子显微镜

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显微镜是一种技术，它使我们能够以人眼无法看到的长度尺度观察物质。两种最常见的显微镜技术是光学显微镜 (OM) 和电子显微镜 (EM)。每种方法都基于不同的原理，具有不同的功能，可用于广泛的科学学科，例如生物学、材料科学、工程学、制造、药物研发、法医学和食品科学。

光学显微镜和电子显微镜的主要区别在于显微镜中使用的基本粒子类型及其对应的波长：OM 使用可见光光子 (400 – 700 nm)，而 EM 使用波长小数千倍 (pm) 的聚焦电子束。与光学显微镜相比，电子显微镜的分辨率和放大倍数更高，可以显示样本中的更多细节。本博客探讨了 OM 和 EM 的理论和实践方面，同时展示了这两种技术如何相互补充并扩展我们可视化和分析周围世界的能力。

光学显微镜

光学显微镜利用可见光和一系列透镜来生成物体的放大图像。样品被可见光照射，然后由显微镜的物镜收集并通过一系列附加透镜放大，以创建可通过目镜观察或可通过相机记录的图像（图 1）。光学显微镜是一种多功能工具，可用于各种科学学科和行业。光学显微镜广泛应用于生物学、材料科学、法医学和质量控制，是观察较大结构、活体样本和荧光标记材料的理想选择。

图 1. 光学显微镜和扫描电子显微镜的示意图。

光学显微镜的优点

光学显微镜随处可见，价格相对便宜，因此从教室里的学生到实验室里的研究人员，各种各样的用户都可以使用。与电子显微镜相比，光学显微镜的样品制备通常更简单，劳动强度更低。光学显微镜可以配置为实时成像，让研究人员能够实时观察动态过程，例如细胞分裂或微生物运动。

光学显微镜的局限性

在光学显微镜中，入射光波通过衍射过程在成像物体周围弯曲。随着光波的扩散，它们会形成干涉图案，其中有特征性的亮区和暗区，这是物镜形成图像的基础。根据瑞利标准，光学显微镜的衍射极限分辨率约为用于成像的光波长的一半。对于可见光（波长范围约为 400 至 700 纳米），衍射极限分辨率通常约为 200 至 350 纳米。

此外，光学显微镜的景深相对较窄，景深决定了可以同时清晰聚焦的垂直范围（即沿光轴），在检查大型样本或具有复杂三维结构的样本时可能会造成阻碍。此外，在光学显微镜中实现高对比度可能很困难，尤其是对于透明或低对比度的样本。

电子显微镜超越光学极限

电子显微镜使用电子束探测样品并获取有关其结构和成分的信息。电子束要么在其表面扫描，以称为扫描电子显微镜 (SEM) 的方式仅探测顶层，要么以称为透射电子显微镜 (TEM) 的方式透射穿过样品。SEM 和 TEM 的区别不仅在于电子束如何与样品相互作用，还在于产生的不同信号和图像形成方式。由于从光子到电子的转变，出色的分辨率和放大倍数揭示了光学显微镜无法实现的表面形貌的复杂细节。电子显微镜对于研究纳米材料、病毒、细胞超微结构和单分子至关重要。EM 能够对亚细胞器、纳米材料表征和表面形貌分析进行详细成像。

电子显微镜的优点

由于电子的波长较短，电子显微镜可以实现比光学显微镜高得多的分辨率。SEM 可以实现从 <1 纳米到 20 纳米的空间分辨率。SEM 的空间分辨率受多种因素影响，包括电子束的光斑大小和与样品的相互作用量。加速电压决定了入射电子的动能和波长，从而影响束斑大小和电子束在样品内的穿透深度。相互作用量还取决于样品的密度以及被分析的信号类型。与 OM 相比，SEM 的景深更大，可以通过非凡的深度感知可视化样本的拓扑结构（图 2）。