第二章TEM原理与结构new.ppt

单击此处编辑母版标题样式,生物电子显微技术,第二章透射电镜的结构与成像原理,第一节 透射电镜的结构,一、电子光学系统,二、真空系统,三、供电系统,(,电子学系统,),电子光学系统,真空系统,供电系统,三大部分,TEM,的基本构造,电镜的组成,(,一）,电镜的组成（二）,高压电缆,电子枪室,第一、二聚光镜,光阑,样品臂,物镜,中间镜,投影镜,观察窗,荧光板,底片盒,TEM,剖面图,观察室,（一）、电子枪,1,、电子枪结构,1),自给偏压式三极电子枪,阴极：尖端发射电子,栅极：控制电子束形状和发射强度,阳极：加速电子、调节电子波长,一、电子光学系统,电子枪典型结构的主要部件图,电子束形成示意图,灯丝加热温度和发射电流之间的关系,T,I,1,、电子枪结构,2),场发射电子枪,阴极：,钨丝针尖阴极，其曲率半径,1000,2000,。,第一阳极,：相对于阴极有一正压，引发阴极场发射并控制发射电流强度。,第二阳极,：加速电子、调节电子波长,场发射式电子枪,名词,：,场发射,：在金属表面加上极强的电场之后，金属表面势垒降低,在隧道效应的作用下，金属内部的自由电子穿过势垒从金属表面发射出来，向真空飞去，这种物理现象称为场发射,场发射电子枪特点,：,亮度高；交叉光斑小，直径,1,m,，最小,30,100,；能量分散小,；寿命长，,给定寿命,2000,小时（实际可用,3,年左右,）；分辨率高，高分辨率的,TEM,和,SEM,都采用。,1).,钨丝阴极：热电子发射,最小交叉斑直径,1050,m,寿命,20,25h,最长约,200h,2).LaB6,阴极：低温,热电子发射亮度高,寿命约,1000h,2,、电子枪从材料可以分为,：,1,、磁透镜的汇聚作用,2,、汇聚作用结论：,磁透镜总是汇聚透镜,磁场稍有变化，焦距,f,则有较大变化,磁场强度越强焦距越短透镜的放大倍数越高。（焦度,1/fHz,2,),，且,电子加速电压越高，电子速度越快，电子越不被易折射，焦距,f,就越长,(,二,),、磁电子透镜,Hr,：磁场强度的径向分量,Hz,：轴向分量,1-3,r,Fzr,几何光学作图法,1).,聚光镜,：汇聚电子束，控制束斑的大小,控制孔径角,第一级聚光镜,C1,：,短焦距强磁透镜,第二级聚光镜,C2,：,长焦距弱磁透镜,2).,物镜,作用：形成样品第一级放大的像,;,改变其焦距,f,，,对象进行精确聚焦,.,类型：短焦距强磁透镜,3,、,TEM,的,磁透镜,3).,与物镜相关的装置,A.,物镜极靴,保证磁场的轴对称，防止磁饱和,减少磁场能量的浪费,B.,物镜可动光阑,30,，,50,，,70,m,控制物镜孔径角、减小球差、增强像的反差,C.,物镜消像散器,消除像散，提高物镜分辨率,D.,物镜的散热装置,维持物镜低恒温，减少物镜热漂移,30,，,50,，,70,m,电子束,极靴,电磁线圈,电磁线圈,物镜极靴纵面图,带极靴的磁透镜,4).,中间镜和投影镜,中间镜,类型：长焦距弱透镜 倍率可变,M20,，,可设二级,作用：第二次放大图象、控制总放大倍数,投影镜,类型：短焦距强透镜，可设二级,作用：第三次放大图象,总放大倍数：,M,总,=M,O,M,I,M,P,其中：,M,O,：,物镜放大倍数,M,I,：,中间镜放大倍数,M,P,：,投影镜放大倍数,物 镜：,Objective Lens (OL),中间镜：,Intermediate Lens(IL),投影镜：,Projector Lens(PL),物镜,100X,样品,第一级实像,中间镜,20X,第二级实像,最终像,投影镜,100X,1,）位置：,聚光镜和物镜之间,2,）作用：,更换样品，承载样品，移动样品,3,）组成：,样品载体，样品架，样品台，样品移动机构，空气闭锁装置，防污染装置,4,）结构分类：,顶落式,：,样品台在物镜激励线圈上方，样品架由上而下落入物镜中，稳定度高，可以获得高分辨率图像。,侧插式,：,样品台在物镜激励线圈下方，样品架由上侧面进入物镜中，结构复杂可以获得最短物镜焦距，常采用,（三）、样品室,防污染装置,冷阱,铜块（,-100-150,C,）,样品,入射电子,空心圆孔,观察装置,荧光板 （,5070nm),散射反差为主,小结构,:,（,t50nm),位相反差为主,特小结构,:,（,d1nm,t10nm),唯一的反差：,位相反差,4,、提高反差的方法,操作电镜,缩小孔径角,降低加速电压,暗场观察,离焦反差,其中：（由卢瑟福散射定律推出）,DN/N,：,被光阑挡掉的电子的机率,Z,：,原子序数,e,：,电子电量,：孔径角,V,：,电子加速电压,M,：,样品原子量,N,0,：,阿伏伽德罗常数,d,N,/N=C*,t,即,t,dN,/N,从比较大的,t,值与很小的,t,值间,t,越大,结论,:,dN,/N,越大,像的反差越强,dN,/N=10,dN,/N=5,dN,/N=1,反差大,反差小,同理可得,:,越小，,C,越大，,t,稍有变化，,dN,/N,就有很大变化，即,dN,/N,越大、,像的反差增大,V,越小，像的反差增大,暗场观察,b,c,暗场照明,离焦反差,费涅耳环（条纹）：,当光照射到一个障碍物边缘时，在该边缘会产生一个次级波，,它与入射波发生干涉作用，在障碍物的边缘处产生明暗相间,的干涉条纹。,费涅耳环：欠焦时 亮线,过焦时 暗线,正焦时 消失,故正焦时 图象的反差最小,提高样品本身的质量厚度差别,电子染色,正染色，负染色,超薄切片染色原则,:,生物样品不同区域不同组份对重金属离子的结合力不同,t,越大,结合重金属离子越多,;,金属投影,增加厚度（,f1,时：,AB,面正焦，,CD,欠：,CD,正，,AB,欠,分类,：残余像散（用消像散器消除），,二次像散（清洗）,消像散器,的工作原理：在透镜磁场中，用消散 仪产生一个弱的柱面磁场，并调节它，使之与要校正的像散大小相等、方向相反，从而抵消残余像散。,畸变,：由于透镜边缘部分比中心部分的聚焦能力强，,致使物体上各点像的放大倍数，随着物点离轴,的径向距离的不同而变化,畸变程度：,(Rd)=,Cd,R,0,3,分类：,桶形畸变：,Cd,0,离轴越远，物点放大倍数,旋转畸变：由于球差的存在使电子束角度随着,离轴距离而变化,扭曲畸变,：（,桶或枕）旋转,注：畸变只是像的比例失调，图像是清楚,的,色差,：,（波长差）,定义,：,由于电镜加速电压波动导致电子束波长发,生变化，使得入射电子速度不一致，与速度,相应的电子波长也有一定的分散度，从而引,起的一种像差。,原理,：,V,，,，,，电子越不易折射，焦距,f,大,V,，,，,电子越易折射，焦距,f,小,同理：（光镜）,红光偏折最小，红光焦长,紫光偏折最大，紫光焦短,分类,：,中心色差，放大色差，旋转色差，,放大旋转色差,形成色差的原因：,f=Cc(V/V-2I/I),式中,:f:,焦差；,Cc,：,色差系数,V/V,：,加速电压相对起伏,I/I,：,透镜激励电流相对起伏,加速电压的变化,透镜激励电流变化,电子与样品的交互作用,减小色差的方法：,稳定加速电压和透镜激励电流,10,6,min,，减小光阑直径（即孔径角）,样品做薄，提高加速电压，使电子穿过样品的速度变化小。,采用电子速度过滤器，减少参与成像电子速度分布,C.TEM,最佳分辨率,电镜的分辨率主要取决于物镜的分辨率,物镜的分辨率取决于：,衍射差：,d,0.61/nsin=0.61 /,球差,:,s,Cs,3,色差、像散：可以忽略,只考虑衍射差和球差的综合效应,最佳,1.1(,/,Cs),1/4,opt,=0.65(Cs,3,),最佳,=0.2nm,实际,(,s,2,+,d,2,+,a,2,+,c,2,),1/2,一般,TEM,0.5,1nm,（二）有效放大倍数：,植物细胞直径,100,m,动物,细胞,10,20,m,细菌的直径,1 m,病毒直径,10,100nm,生物大分子,1,10nm,小分子,0.11nm,原子直径,0.1nm,M,有效,肉眼,仪器,二 透射电镜的其它性能指标,1.,场深：,也称,景深,，指在保持像清晰度的条件下，物面允,许移动的距离。,Dfi=,/,特点：,场深大,可达,1,m,容易聚焦，物面位置允许有,Dfi,长度的误差,对于厚度小于场深的样品，都能获得高分辨率,图像，尤其适合复型样品；但同时也导致图像,上下叠加背底昏暗,2.,焦深,：,在保持像清晰度的条件下,像面许移动的距离,Dfo,=M,2,*Dfi,特点：焦深大,M=500,时，,500,m,，,最大可达,10000m,照相时非常方便,三 适用于透射电镜的样品,1.,从样品类别上分：,超薄切片,冷冻蚀刻的复型膜,悬浮样品的滴片,直接培养的单层细胞,2.,从研究内容上分,免疫电子显微技术,电镜放射自显影技术,电镜细胞化学技术,X,ray,微区分析,免疫电子显微镜技术的定义：,(,I,mmune,E,lectron,M,icroscopy:IEM),又叫免疫电镜细胞化学技术，就是将免疫化学技术与电镜技术有机地结合起来，研究抗原抗体相互作用的一种方法。抗原抗体之间的相互作用具有较高的特异性，相互作用后，可直接形成或通过某种标记物形成大分子复合物或聚合物。该生成物具有电子致密性，在电镜下可以观察到，又不影响免疫反应的特异性。那么，就可以在细胞超微结构水平上或分子水平上研究免疫作用。这种在很高分辨本领电镜下非常精确地显示抗原所在位置的方法称为,免疫电子显微镜技术的,原理：,用化学方法将不同大小的金粒与特异性抗体球蛋白在不影响特异性蛋白质免疫特性的前提下结合起来，制备成金标抗体,(GA),。当,GA,与相应的抗原,(,直接法,),或抗原,抗体复合物,(,间接法,),相遇时，即结合形成免疫金复合物，可用透射电镜观察反应结果：有金粒的地方，即为抗原或抗原,抗复合物存在的地方。,不同抗原肽以不同种动物供体来的相应标记抗体顺序反应，可在同一组织切片中标记两种抗原肽。抗体以小金粒标记，另一抗体以大金粒标记，在透射电镜下很容易将两者区分开来。两种抗原肽分别与来自不同种动物供体的抗体发生反应，兔初抗用小粒金标记的猪抗兔,IgG,检测；而豚鼠初抗,IgG,用大粒金标记的兔抗豚鼠,IgG,检测。,举例：,验证植物的胞间连丝组分中，是否有,actin,（肌动蛋白）和,myosin,（肌球蛋白）的存在。,VAP(6-nm gold particles)and MP(18-nm gold particles),A coiled-coil interaction mediates cauliflower mosaic virus cell-to-cell movement,Livia,Stavolone,Maria Elena,Villani,Denis,Leclerc,and Thomas,Hohn,PNAS,April 26,2005,vol.102 no.17,6219,6224,作业,1.,名词解释：分辨率 振幅差 场深 焦深,透射电镜主要由哪三大系统组成,?,其中每个,系统主要包括哪些部分,?,3.,透射电镜工作时为什么要求真空,?,4.,电子束与样品相互作用后产生哪些信息,?,其中又有哪些信息与透射电镜的成像有关？,5.,生物样品的反差有什么特点,?,怎样提高生物样品的反差,6.,简述透射电镜的基本成像过程。,7.,透射电镜有哪些主要性能。,透射电镜有哪些主要性能：,TEM,是以电子束作为照明光源的；装有聚光镜、物镜、中间镜、投影镜一系列电磁透镜；其分辨率可达,0.10.2nm;,有效放大倍数可达,100,万左右；散射反差和位相反差在其成像反差起主导作用；在放大,500,倍时其焦深为,500,m,，场深可达,1 m,；图象用荧光板显示，且无色彩；适于,100nm,的超薄切片、复型膜等；要求样品在真空条件下成像。,