结构分析-22-SEM-0658v讲义教材.ppt

2.2 扫描电子显微镜2.2.1 各种电子显微镜概述和分类2.2.2 扫描电子显微镜的基本原理 1) 电镜与光镜的对比 2) 扫描电镜的结构与成像原理 3) 优点和局限性2.2.3 SEM在生物领域的应用实例2.2.4 SEM在配合物研究中的应用2.2.5 SEM在泌尿系结石中的应用2.2.6 怎样拍摄较好的SEM照片根据电子束和样品之间作用方式的不同，可将电镜分为4大类:1) 1) 电镜的分类电镜的分类1) 物体透射电子： 透射电子显微镜(TEM),观察和分析样品的内部结构2) 物体发射电子：扫描电子显微镜(SEM),观察和分析样品的表面立体形貌;STEM: Scanning tansmission electron microscope 同时看表面和内部3) 物体反射电子4) 物体吸收电子 2.2.1 2.2.1 各种电子显微镜概述和分类各种电子显微镜概述和分类 原子的概念至少可以追溯到一千年前，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体因为，人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节 2) 2) 电子显微镜电子显微镜(SEM)(SEM)概述概述 光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7 m. 2.2.2 2.2.2 扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)(SEM)的基本原理的基本原理 SEM的成像过程是用聚焦电子束在试样表面按一定时间、空间顺序作光栅状扫描(试样为块状或粉末颗粒)，聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射(以及其它物理信号)，经相应的探测器收集、检测、转换、放大、调制后，最终在显示系统上形成一幅反映试样形貌和成分特征的扫描图像。

1) 1) 电镜与光镜的对比电镜与光镜的对比 扫描电镜扫描电镜透射电镜透射电镜 光光 镜镜 肉眼玻璃透镜(目镜)投影镜玻璃透镜(物镜)样品玻璃透镜(聚光镜)光源 (卤灯或汞灯) 高压电子枪样品电磁透镜束偏转器图像投到视屏上荧光屏光镜、透射电镜及扫描电镜的成像光路图解光镜、透射电镜及扫描电镜的成像光路图解 电子显微镜与光学显微镜的异同点电子显微镜与光学显微镜的异同点 1,000,0001,000放大倍数0.1 nm200100 nm分 辨 力电聚焦机械聚焦聚焦方式电磁透镜电磁透镜光学透镜光学透镜透透 镜镜真真 空空空空 气气介介 质质短：0.0030.008长：200750波长(nm)电子束电子束光光 束束照照 射射 光光电子显微镜光学显微镜2) 2) 扫描电镜的结构与成像原理扫描电镜的结构与成像原理 扫描电镜的基本结构扫描电镜的基本结构电子光学系统电子枪电磁透镜扫描线圈样品室信号的收集处理及显示系统真空系统供电保护系统等扫描电镜扫描电镜扫描电子显微镜(SEM)电子枪电磁透镜扫描线圈样品室信号的收集处理系统真空系统供电保护系统显示系统(显象管)(110KV)SEMSEMSEM原理电子枪灯丝电子枪灯丝电磁电磁透镜透镜探测器探测器电磁电磁透镜透镜扫描线圈的扫描线圈的束偏转器束偏转器样品托样品托样品样品显象管显象管次级电子次级电子扫描电镜成像原理的简单图示扫描电镜成像原理的简单图示扫描电镜的成像原理电子枪接 受、转变成光子放 大、转换成电压信号电子束电磁透镜样品表面扫描线圈扫描线圈次级电子信号探测器光电倍增管显象管/荧光屏样品表面上相应点样品表面上相应点所发出的次级电子数所发出的次级电子数荧光点的亮度荧光点的亮度抽真空的意义：抽真空的意义：=防止灯丝的氧化损伤； =确保电子束在运行过程中的运动轨迹不受空气分子干扰； =去除空气分子对样品的污染。

真真空空系系统统一般电镜超高压电镜真空系统 1.310-12Pa离子泵离子泵真空涡流泵真空涡流泵机械泵：机械泵：油扩散泵：油扩散泵： 冷阱：冷阱：真空管道、阀门、储气罐等真空管道、阀门、储气罐等1 Pa 1.310-510-6Pa;1.310-6Pa 1.310-7 10-9Pa1.310-9Pa 1.310-10Pa真空系统的组成部件：真空系统的组成部件：真真空空系系统统优点：1)只需一次扫描. (AFM多次扫描) 由于发射电子的强度随着样品表面的形貌和成分的不同而变化, 因此, 只需一次扫描就能对样品的表面形貌、成分和结构进行综合分析 2) 图像富有立体感、真实感、易于识别和解释3) 图像的放大倍率在很大范围内连续可变(101105)；都可以得到清晰的图片4) 分辨率高，一般为2-6 nm，最高可达0.5 nm3) 优点和局限性局限性5) 可同时进行多种功能分析，如与X-射线能谱仪配合使用，可在观察形貌的同时进行元素的定性、定量分析6) 扫描电镜所用样品的制备方法简便(固定、干燥和喷金)，不需经过超薄切片；(1) 分辨率还不够高(110 nm)；(2) 只能显示样品的表面形貌，无法显示内部详细结构。

3) 表面要导电. 近年来发展的环境扫描电镜可以直接观察含水样品和非导体,不需进行表面镀金,对样品表面结构不会造成破坏 ,为研究溶液中小晶体的生长过程提供了可能性扫描电镜的局限性：扫描电镜的局限性：2.2.3 SEM2.2.3 SEM在生物领域的应用实例在生物领域的应用实例人耳听毛细胞的扫描电镜照片人耳听毛细胞的扫描电镜照片扫扫描描电电镜镜照照片片演演示示人人RBCRBC的扫描电镜照片的扫描电镜照片有被小泡的扫描电镜照片有被小泡的扫描电镜照片转转化化细细胞胞扫扫描描电电镜镜照照片片演演示示细胞褶皱的扫描电镜照片细胞褶皱的扫描电镜照片分裂沟的扫描电镜照片分裂沟的扫描电镜照片扫扫描描电电镜镜照照片片演演示示v可观察到样品的内部结构；v可观察到富有立体感的图像；v提高了分辨率 冰冻蚀刻技术冰冻蚀刻技术(freeze etching)(freeze etching)：利用“复膜(replica)”在透射电镜下观察：冰冻蚀刻电镜照片演示冰冻蚀刻电镜照片演示细胞质膜的冰冻蚀刻电镜照片细胞质膜的冰冻蚀刻电镜照片冰冰冻冻蚀蚀刻刻电电镜镜照照片片演演示示核膜核膜紧密连结的冰冻蚀刻电镜照片紧密连结的冰冻蚀刻电镜照片微绒毛的冰冻蚀刻电镜照片微绒毛的冰冻蚀刻电镜照片连结子连结子基膜基膜冰冰冻冻蚀蚀刻刻电电镜镜照照片片演演示示2.2.4 SEM2.2.4 SEM在在配合物研究中的应用应用1) 对配合物晶体的形貌结构观察 Schiff碱及其某些配合物具有杀菌、抗癌等生物活性，其生理活性与配合物分子的几何形状、自旋状态等有关。

利用SEM可以直接对其晶体的形貌进行观察 如水杨醛缩邻氨基苯酚(L)的配合物，不同配合物的形貌明显不同 LCr颗粒较大，几何形状不甚规则； L2Cr颗粒较小，平均粒径约0.5 m LCo及L2Co都为长条状，但L2Co宽度明显较小 (a) LCr ; (b) L2Cr ; (c) LCo ; (d) L2Co . 图11 水杨醛缩邻氨基苯酚(L)与Cr、Co配合物的SEM图17图12中所示的为一种新型聚电解质膜壳聚糖/羧甲基壳聚糖配合物多孔膜表面和截面的SEM照片可以看出，多孔膜具有良好的多孔结构，孔洞之间彼此贯穿，平均孔径约20 m，完全符合作为膜色谱基质材料的要求 18杨前荣, 陈新, 邵正中. 化学学报, 2005, 63: 259-262. 图12 多孔壳聚糖/羧甲基壳聚糖配合物膜的表面(a)和截面(b)的SEM照片. The bar: 100 m 181 由于一维纳米材料具有优异的物理、化学、机械等性能，在光学、磁学、微电子学等领域得到了广泛的应用，引起了许多科学家的注意和研究 2) 对纳米晶体结构的观察 采用溶液化学反应法，利用7,7,8,8-四氰基对苯醌二甲烷(TCNQ)制备金属有机配合物Ag(TCNQ)微米结构的SEM(图15). 晶体为单根准一维微米结构，形状有管状(图15a)、线状(图15b)及螺旋状(图15c)。

螺旋状晶体的生成可以认为是晶核在一维生长过程中其径向受到某种力的干扰所致 图15 单根Ag(TCNQ)晶体的SEM图21 2) 对纳米晶体结构的观察 21曹冠英, 叶春暖, 徐华华. 物理化学学报, 2005, 21: 47-51. 2.2.5 2.2.5 在泌尿系在泌尿系结结结结石中的石中的应应应应用用 Escolar等5用SEM分析了胱氨酸结石的内部结构和混合在其中的其它组分SEM观察表明，结石内的胱氨酸晶体呈六边形棱柱状(图1a); 胱氨酸结石中常见到小球状的磷灰石(图1b)，甚至在几乎纯的胱氨酸结石中也能见到. 此外，在一些胱氨酸结石中还含有层状结构的透钙磷石，图1c为一例含有透钙磷石的胱氨酸结石的SEM；极少量的胱氨酸结石中还含有少量的尿酸盐(常为尿酸铵和尿酸钾)，图1d为与大块胱氨酸晶体共存的束状尿酸盐晶体的SEM胱氨酸结石中不同组分晶体的SEM 5c) 扇形的透磷酸钙晶体；(d) 与大块胱氨酸晶体同存在的束状尿酸盐混合物.(a) 六边形棱柱状的胱氨酸晶体；(b)胱氨酸结石中常见到小球状的磷灰石；5 Escolar E, Bellanato J. Biospectroscopy, 1999, 5(4): 237-242.SEM研究尿石的基质形貌 图 2 不同形式存在的基质的SEM(a)地毯状基质； (b)苔藓状基质； (c)弧状纤维基质尿石是由无机矿物和有机基质组成，基质在矿化中起着关键作用。

1)地毯状：基质多而厚，表面呈隆起状，系深层结石晶体突起所致(图2a)；2)苔藓状：基质少而薄，苔藓般物质附着在晶体表面，可见深层晶体(图2b);3)木耳状：结石基质较少，如木耳状卷曲潜藏于晶体间隙中 (图2c)溶解尿石基质后，暴露出深层的尿石晶体，有鲕状晶体(图3a)或粒状晶体(图3b)7 谭保斌, 等. 中华泌尿外科杂志, 1998, 19(8): 451-453.图3. 基质完全溶解后的尿石晶体形状的SEM 7SEM研究尿石晶体的形貌 (a)鲕状晶体； (b)粒状晶体 采用双扩散法在凝胶体系中研究了 1) 尿液中存在的小分子物质: 谷氨酸、镁，磷酸盐、焦磷酸盐、多磷酸盐和不同结构羧酸对CaOxa的调控作用， 2) 研究了过饱和度、结晶时间、温度和pH等因素对CaOxa晶体成核、取向和生长的影响 1) 凝胶体系中尿小分子对草酸钙生物矿化的影响1) The ability to inhibit the aggregation of CaOx follows the sequence: Na2edta Na3citNa2tart NaAc. 2) The ability to induce bipyramidal COD: Na2edta Na3cit Na2tart NaAc.(a) NaAc (b) Na2tart(c) Na3cit (d) Na2edta (e) no addition SEM images of CaOx crystals grown in gel in presence of sodium carboxylatesCODAggregated COM(27, the bar: 100 m) This was due to the complexation-dissociation balance between carboxylates and Ca2+ ions in the gel. The Ca2+ ions on the surface of CaOx and especially the Ca2+ ions at the tips and the edges of COM crystals are ceaselessly dissolved by the complexation of additives in gel. At the same time, the Ca2+ ions in the gel are unceasingly deposited on the surface of COM. S。