BRAIN Initiative

蔡司与 Science 联合展示:扫描电子显微镜

进入电子显微镜历史和技术的互动之旅

传统的光学显微镜无法分辨距离小于200nm的两个点。在生命科学里,超高分辨率显微镜和某些软件操作可以让我们突破这些限制,但无法清晰分辨亚细胞结构,材料、半导体和其它主要工业中的精细结构特征也是如此。相比之下,电子的波长比可见光短四到五个数量级,利用它们,电子显微镜可以获得样品的超微结构细节。

扫描电子显微镜的发展,很大程度上得益于von Ardenne在30年代的研究和Oatley从40年代到60年代的研究,扫描大块样品表面(跟用于透射电子显微镜的薄样品相反),通过扫描电子束在样品上面逐点扫描逐点记录反射信号和电子相互作用,得出表面图像。

 

抗菌剂包裹的银粒子背散射图像

抗菌剂包裹的银粒子背散射图像

 

Anton van Leeuwenhoek在17世纪中期制造了第一台光学显微镜,用自己研发的技术制造了高质量的镜头。大约200年后,Ernst Karl Abbe与德国工程师兼企业家Carl Zeiss,发表了影响力巨大的观察报告(1873年):显微镜分辨率可以定义为使用光的波长除以两倍数值孔径。虽然对Abbe是否为发现方程式的第一人持有争论,历史已经将其归功于Abbe。这个方程式意味着在光学显微镜下两对象中的一个点——阿贝衍射极限,不能被单独识别。它的波长大约是使用光的一半。因此,对于任何小于那个极限的研究对象来说,获取它们的细节还远不能实现。  

 

章鱼幼体触手的电子扫描图像

章鱼幼体触手的电子扫描图像

 

多年来,这个限制被视为不可突破,但研究人员一直在期待。直到1931,梦想成真了。在Siemens-Reiniger-Werke AG (现Siemens AG前身)工作的Ernst August Friedrich Ruska制造了第一台透射式电子显微镜。使用波长远远短于光的电子波长,利用电子解析单个对象,放大率可达到12000倍。到达这个里程碑并不容易,Ruska在研究显微镜时,无疑是站在了巨人的肩膀上,但他为电子显微镜的发展建立了基础。四年后,Max Knoll发现了一种方法,扫描样品表面的电子束,得到了早期的扫描电子显微镜(SEM)图像。

 

 

展示于Philip王子和 Charles Oatley爵士的第一台商用SEM。图像由英国,皇家显微镜协会提供

展示于Philip王子和 Charles Oatley爵士的第一台商用SEM。图像由英国,皇家显微镜协会提供

 

虽然这些发展进步巨大,但是30年后,直到1965年,科学家才用上商业SEM,高倍显微镜才开始彻底改变。随后的50年中,显微镜行业经历了循序渐进,也经历了重大突破。SEM发展过程中的许多重大里程碑以时间顺序,插图的形式,被排列在这张海报上。作为扫描电镜的入门书,这些插图和引子,解释了显微镜技术的基础,可检测信号的类型,以及这些技术如何应用在如今的研究中。

Sean Sanders博士。

编辑,定向出版,Science

为了纪念第一台商用扫描电子显微镜和突破性技术的50周年纪念日,蔡司与Science/AAAS合作创建了一个互动网站和实验室海报,详述扫描电子显微镜技术和历史。

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