突破 “光的壁壘”：電子顯微鏡如何揭開微觀世界的神秘面紗

談?wù)擄@微鏡時，人們常聚焦 “放大倍率”，但真正決定觀測能力的核心是分辨率—— 即區(qū)分兩個相鄰點的最小距離。就像在夜色中辨認(rèn)汽車，最初只能看到一團光暈，直到距離足夠近，才能分清兩個獨立的車燈，這個 “分清” 的臨界點，便是分辨率的體現(xiàn)。

圖 光譜示意圖

1873 年，物理學(xué)家恩斯特?阿貝提出，光學(xué)顯微鏡的分辨率受限于光的波長和物鏡數(shù)值孔徑。這意味著，成像 “工具” 的波長越短，能觀測的結(jié)構(gòu)就越精細(xì)。而可見光 400-700 納米的波長，讓光學(xué)顯微鏡的分辨率難以突破 200 納米，面對病毒（約 10-300 納米）、納米顆粒等微觀物體時，只能 “霧里看花”。

電子的出現(xiàn)，打破了這一局限。根據(jù)德布羅意物質(zhì)波理論，運動的電子具有波的特性，其波長與加速電壓密切相關(guān) —— 在 100kV 的加速電壓下，電子波長僅為 0.0037 納米，比可見光短約十萬倍。這相當(dāng)于把 “粗尺” 換成了 “納米級游標(biāo)卡尺”，讓電子顯微鏡能輕松觀測納米甚至亞納米級結(jié)構(gòu)，直接 “看見” 原子的排列成為可能。

圖 不同的顯微鏡觀測的波長范圍

無論何種類型的電子顯微鏡，其能穩(wěn)定觀測微觀世界，都依賴三大核心系統(tǒng)的協(xié)同工作，它們?nèi)缤@微鏡的 “心臟”“眼睛” 和 “呼吸通道”，共同構(gòu)建起觀測納米世界的平臺。

1. 電子槍：電子束的 “發(fā)源地”

電子槍是產(chǎn)生高能量、高亮度電子束的核心部件，相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡的 “光源”，主要由燈絲（陰極）、韋氏筒和陽極組成。根據(jù)燈絲材料和工作原理，電子槍分為三類，適配不同的觀測需求：

鎢燈絲：成本低、維護方便，是普及型掃描電鏡的。例如澤攸科技 ZEM10、ZEM18 系列臺式掃描電鏡，采用預(yù)對中鎢燈絲設(shè)計，大幅簡化了操作流程，讓新手也能輕松維護。

單晶燈絲：以 LaB?（六硼化鑭）為代表，亮度更高、壽命更長，能提供更優(yōu)的信噪比和分辨率，適合對性能有更高要求的場景。如澤攸科技 ZEM20 Pro，憑借單晶 LaB?燈絲，分辨率可達 3 納米。

場發(fā)射電子槍：亮度最高、電子束能量最集中，是實現(xiàn)原子級分辨率的關(guān)鍵。澤攸科技 ZEM Ultra 系列場發(fā)射掃描電鏡，采用肖特基場發(fā)射電子源，分辨率優(yōu)于 2.5 納米，能捕捉到原子級別的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

2. 電磁透鏡：電子束的 “導(dǎo)航儀”

與光學(xué)顯微鏡用玻璃透鏡折射光線不同，電子顯微鏡依靠電磁透鏡控制電子束 —— 通過精確調(diào)節(jié)線圈中的電流，改變磁場強度，實現(xiàn)電子束的聚焦、縮放和引導(dǎo)。如果說電子槍產(chǎn)生了 “觀測光束”，電磁透鏡就是 “調(diào)整鏡頭焦距” 的核心，確保電子束能精準(zhǔn)聚焦在樣品上，或把攜帶樣品信息的電子束傳遞到探測器。

圖 不同透射強度會聚點也不同

3. 真空系統(tǒng)：電子束的 “保護罩”

電子在空氣中會與氣體分子碰撞散射，導(dǎo)致電子束發(fā)散、成像模糊。因此，電子顯微鏡的整個光路（從電子槍到探測器）必須處于高真空環(huán)境中，這也是電子顯微鏡無法直接觀測活體、含水樣品的重要原因 —— 真空環(huán)境會讓樣品中的水分快速蒸發(fā)，破壞其原始結(jié)構(gòu)。

圖 TEM與SEM原理

電子顯微鏡主要分為透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）兩類，它們的工作原理、樣品要求和觀測重點截然不同，卻共同覆蓋了從 “內(nèi)部結(jié)構(gòu)” 到 “表面形貌” 的微觀觀測需求。

1. TEM：穿透樣品，看清 “內(nèi)部構(gòu)造”

TEM 是最早發(fā)明的電子顯微鏡，工作原理類似傳統(tǒng)光學(xué)幻燈機：高能電子束穿透極薄的樣品，由于樣品不同區(qū)域的密度、厚度存在差異，對電子的散射能力也不同 —— 致密區(qū)域（如原子核、晶界）會強烈散射電子，導(dǎo)致穿過的電子減少；疏松區(qū)域則散射較弱，穿過的電子更多。這些攜帶樣品內(nèi)部信息的電子束，經(jīng)多級電磁透鏡放大后，在熒光屏或探測器上形成二維明暗襯度像（即 “明場像”），暗區(qū)對應(yīng)致密結(jié)構(gòu)，亮區(qū)對應(yīng)疏松結(jié)構(gòu)。

核心優(yōu)勢：分辨率，能直接觀察材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子排布、位錯等內(nèi)部精細(xì)特征，比如看清病毒的內(nèi)部核酸分布、納米顆粒的原子構(gòu)型。核心挑戰(zhàn)：樣品制備嚴(yán)苛。生物樣品需經(jīng)過固定、脫水、包埋、切片等復(fù)雜流程，最終切成 50-100 納米的超薄切片；材料樣品則需通過減薄或聚焦離子束（FIB）技術(shù)，制成電子束可穿透的薄膜。

2. SEM：掃描表面，捕捉 “微觀形貌”

與 TEM 讓電子束 “穿過” 樣品不同，SEM 的核心是 “掃描”—— 一束極細(xì)的聚焦電子束在樣品表面逐點、逐行進行光柵式掃描，當(dāng)高能入射電子與樣品表面原子相互作用時，會激發(fā)出二次電子、背散射電子、特征 X 射線等多種信號，SEM 通過探測這些信號，實現(xiàn)成像與分析。

二次電子（SE）：入射電子 “敲出” 樣品原子核外層電子形成，能量低（通常 < 50eV），僅來自樣品表層幾納米到十幾納米深度，對表面形貌極為敏感。我們常見的、具有強烈立體感的微觀圖像（如昆蟲復(fù)眼的六邊形結(jié)構(gòu)、金屬表面的細(xì)微劃痕），大多由二次電子信號構(gòu)成。

背散射電子（BSE）：入射電子與樣品原子性碰撞后 “反彈” 形成，能量高，其信號強度與樣品表面原子序數(shù)（Z）正相關(guān) —— 原子序數(shù)越大（如金、鉑），BSE 信號越強，圖像中對應(yīng)區(qū)域越亮。這種 “成分襯度” 能直觀反映樣品表面的化學(xué)成分分布，比如區(qū)分樣品中的金屬雜質(zhì)與基體材料。像澤攸科技 ZEM 系列掃描電鏡，標(biāo)配四分割背散射電子探測器，還能通過組合不同象限信號獲取形貌信息，與 SE 信號混合成像，讓圖像信息更豐富。

特征 X 射線：入射電子擊出原子內(nèi)層電子后，外層電子躍遷填補空位時釋放的特定能量 X 射線，每種元素的特征 X 射線能量，如同 “元素指紋”。通過能譜儀（EDS）分析這些 X 射線，可對樣品表面微區(qū)進行元素定性和半定量分析。澤攸科技 ZEM 系列預(yù)留了牛津儀器、布魯克等主流 EDS 廠商的接口，實現(xiàn)了 “形貌觀察 + 成分分析” 一體化。

隨著技術(shù)發(fā)展，尤其是臺式掃描電鏡的興起，電子顯微鏡不再是少數(shù)頂尖實驗室的 “奢侈品”，而是通過三大革新，變得更易操作、適用范圍更廣。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡可同時采集SE及BSE圖像

1. 低真空 / 環(huán)境掃描模式：不導(dǎo)電樣品的 “福音”

傳統(tǒng) SEM 要求樣品導(dǎo)電，否則電子束轟擊會導(dǎo)致樣品表面電荷積累，引發(fā)圖像扭曲、漂移。對于生物組織、陶瓷、高分子等不導(dǎo)電樣品，通常需要 “噴金” 或 “噴碳” 處理，這不僅耗時，還可能破壞樣品原始形貌。低真空模式（如澤攸科技 ZEM20 可在 1-60Pa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）通過在樣品室引入少量特定氣體，氣體分子被電離后中和樣品表面多余電荷，實現(xiàn)了不導(dǎo)電樣品 “不噴涂直接觀測”，保全了樣品的原始狀態(tài) —— 比如觀察蛋糕表面的奶油結(jié)構(gòu)、陶瓷的孔隙分布時，無需擔(dān)心涂層掩蓋細(xì)節(jié)。

圖 低真空與高真空對比

2. 自動化與易用性：新手也能 “上手即會”

以往操作 SEM 需要經(jīng)驗豐富的工程師調(diào)節(jié)光路對中、優(yōu)化參數(shù)，門檻高。而現(xiàn)代臺式 SEM（如澤攸科技 ZEM 系列）配備全中文圖形化操作界面、光學(xué)相機導(dǎo)航，還支持一鍵式自動亮度 / 對比度 / 聚焦，即使是初次接觸的科研人員，也能在短時間內(nèi)獲得高質(zhì)量圖像。

3. 原位分析：從 “靜態(tài)觀察” 到 “動態(tài)實驗”

通過集成特殊樣品臺，SEM 已從單純的 “微觀觀測工具”，升級為 “動態(tài)實驗平臺”：配備 TEC 冷臺，可對含水樣品（如生物組織、食品）進行冷凍觀察，研究其在低溫下的真實結(jié)構(gòu)（如 - 20℃下香蕉的細(xì)胞形態(tài)）；配備原位拉伸臺，能在納米尺度下實時觀察材料受力時的裂紋萌生與擴展，助力研究金屬、復(fù)合材料的失效機理。

圖 澤攸科技TEC冷臺案例圖

選擇 TEM 還是 SEM，本質(zhì)是選擇觀測目標(biāo)：想看清病毒內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料晶格缺陷，TEM 是選；想觀察昆蟲復(fù)眼形貌、分析樣品表面污染物成分，SEM 則更合適。從揭示物質(zhì)的原子構(gòu)造，到推動半導(dǎo)體芯片工藝迭代，電子顯微鏡始終是人類探索微觀世界的 “火眼金睛”。

如今，隨著澤攸科技等企業(yè)對臺式電鏡的研發(fā)突破，電子顯微鏡正變得更智能、更易獲取 —— 它們不再是實驗室的 “稀缺資源”，而是逐漸成為科研人員、工程師手中的 “常規(guī)工具”。未來，隨著分辨率的進一步提升、原位分析功能的拓展，電子顯微鏡必將帶領(lǐng)我們揭開更多微觀世界的奧秘，為材料科學(xué)、生命科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)的創(chuàng)新注入源源不斷的動力。