电子显微镜：研究超微结构、成分与功能的重要工具

电子显微镜（electron microscope，EM）简称电镜，是研究物质超微结构、组成成分以及物质功能的一种重要工具。电子显微镜顾名思义，是与电子相关。根据电子光学原理，用电子束和电磁透镜代替光束和光学透镜，并通过荧光屏让肉眼不可见的电子束成像，能使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像。电镜可以获得纳米级甚至埃级（1Å＝0.1 nm）分辨率的图像，其分辨率远高于光学显微镜。

6.2.1　电子显微镜发展历史

众所周知，1924年德布罗意（L.V.D.de Broglie）提出了著名的假设：电子等实物粒子具有波动性。不久，这一假设便得到了实验证实。波粒二象性是指某种物质同时具备波和粒子的特性。这个概念最早由爱因斯坦（A.Einstein）于1905年提出，人们开始意识到光子同时具有波和粒子的双重性质。1926—1927年，C.J.Davission和L.H.Germer以及T.Reid使用电子衍射现象，验证了电子的波动性，发现其波长比X光更短。在理论上，电子显微镜可以突破光学显微镜的极限，将更多细微的构造呈现在人们眼前。1926年，德国物理学家H.Busch发现，一个旋转对称、不均匀的电场或磁场，可以作为一个“透镜”，将高速运行的电子射线聚集起来，其原理类似于玻璃透镜将光束聚集起来。这些发现为电子显微镜的问世奠定了理论基础，许多学者马不停蹄地开始了相关的试验。

在7年以后的1933年底至1934年初，德国物理学家E.Ruska等人，当使用一个聚光镜，并且用短焦距的板靴式磁透镜代替空心线圈之后，制作出了世界上第一台透射电子显微镜，并获得放大12 200倍的铝箔与纤维的像，分辨率达到50 nm，比光学显微镜的极限分辨率提高了4～5倍。1939年Ruska等人在德国西门子公司研制并生产出了第一批商品电镜，其分辨率为10 nm，共生产了40台。Ruska因为在透射电子显微镜的发明中所作出的重要贡献，而获得1986年的诺贝尔物理学奖。

自从第一台商品电镜问世以后，人们对透射电镜的主要研究，集中在改善仪器的结构和性能，以及寻求最简单的样品制备技术等方面。随着科学技术的发展，电镜的分辨率和放大倍率也随之提高，人们又研制出不仅包含会聚透镜，还利用2个透镜作连续2次成像的短焦距磁场透镜。这种显微镜能在光学显微镜的基础上，再放大100倍。特别是进入20世纪70年代，电镜设计与电镜制样技术有了突飞猛进的发展，一些国家已能生产出点分辨率优于0.3 nm、晶格分辨率可达0.1～0.2 nm的高分辨透射电镜。早期视野中模模糊糊的结构，在人类眼中变得清晰起来。人们直接观察生物大分子结构和重金属原子图像的愿望，得到了实现。20世纪80年代，随着高空间分辨的分析电子显微学技术的发展，人们可以采用高分辨技术、微衍射、电子能量损失谱、电子能谱仪等，对很小区域（约1 nm）进行电子成像、晶体结构、电子结构、化学成分的研究，使电镜分析技术在材料学领域得到广泛的应用。20世纪90年代，由于纳米科技的飞速发展，对电子显微分析技术的要求越来越高，进一步推动了电子显微学的发展。目前，透射电镜已发展到球差校正透射电镜的阶段[1]。

进入21世纪以后，人类基因组计划的成功，让我们看到了破解人类健康与疾病奥秘的希望。蛋白质承载生命，在后基因组时代，我们迫切需要了解蛋白质所具有的功能；而结构决定功能，解析大分子蛋白质的结构，是生命科学领域之重点突破方向。随着快速冷冻和低温冷却技术的发展，人类迎来了冷冻电镜时代。冷冻电镜技术（cryo-electron microscopy）是20世纪70年代在英国剑桥医学研究理事会（Medical Research Council，MRC）分子生物学实验室诞生的。A.Klug因其在晶体电子显微领域里的杰出贡献，获得了1982年的诺贝尔化学奖。在20世纪80年代，J.Dubochet等人报道了一种将单粒子电子显微镜技术引向高分辨率成像之路的革命性成果。相关的研究对象非常广泛，包括病毒、膜蛋白、肌丝、蛋白质-核苷酸复合物、亚细胞器等。一方面，冷冻电子显微镜技术所研究的生物样品，既可以是具有二维晶体结构的样品，也可以是非晶体的样品，而且对于样品的分子量没有限制，这样就大大突破了X射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量（＜100 kDa）样品的限制。另一方面，生物样品通过快速冷冻的方法进行固定，避免了常规的样品处理过程中，化学固定、染色、脱水、金属镀膜等操作给样品构象带来的一些假象，更加接近样品的生理状态。

直接检测照相机（direct detector device，DDD）能够直接检测电子信息和记录图像，因此图像的信噪比得到了极大的提升，显著提高了电镜的分辨率。高分辨率图像处理算法的改进，不仅使电镜图像的质量有了质的飞跃，也大幅度提高了图像记录和设备读出的速度（readout rate）。DDD相机就好像是一台摄像机，可以在短时间内拍摄多帧图像，记录整个拍摄过程，而不再像以前的电荷耦合装置（CCD）探测器或者其他的记录手段，记录图像时必须经过复杂的处理过程，只能够拍摄到一张张固定的图像。图像的质量得到了大幅度提高，又可以借助计算机，计算因电子束照射而引起的粒子移动，对产生了位移的图像进行校正，从而获得高质量的低温冷冻电镜二维图像，为高分辨率的三维结构解析提供重要的条件[2]。

6.2.2　电子显微镜的基础理论

光学显微镜的问世，对生物学、医学等学科的发展，起到了巨大的推动作用。但是，光学显微镜的最大放大倍率为1 000倍，继续放大并不能给出更多的结构信息，这种多余的放大被称为“空放大”。显微镜的有效放大倍率与显微镜的分辨率，是密切相关的。

6.2.2.1 分辨率

分辨率又称为分辨力或分辨本领，它表示仪器能够对邻近两点清晰地加以区分辨认的能力，用可以分辨出2个质点圆心的最小距离来表示。人的眼睛对明视场中相距25 cm的位置，能够清晰分辨的最小距离为0.1～0.2 mm。如果想观察更微小的细节，必须利用显微镜将细节放大。光学显微镜的分辨率，可以根据阿贝（E.C.Abbe）公式求出：，其中d为分辨率，λ为入射光的波长，n为透镜和物质间介质的折射系数，α为物体与物镜间所成的夹角（孔径角）的1／2，0.612为常数。普通光镜α的最大值为90°，其中sinα＝1，镜头的n＝1.4～1.6，光源为可见光波长500 nm。由上述公式计算出，光学显微镜的分辨率大约等于入射光源的半波长。当光学显微镜的极限分辨率为250 nm时，比人眼的分辨率提高了1 000倍。

运动的电子具有波粒二象性，与可见光相似。德布罗意提出的“物质波”假说认为，“一切物质”和光一样具有波粒二象性。根据此假说，电子也会有干涉和衍射等波动现象，这被后来的戴维森（C.J.Davisson）-革末（L.Germer）实验所证实。根据德布罗意公式和电子能量的计算公式，其中m＝9.109×10-31 kg为电子质量，eV为电子能量，h＝6.626×10-34 J·s。h为普朗克常数，θ为电子运动速度，应该得到的公式为。随着加速电压的增加，电子射线的波长进一步变短，电镜的分辨率进一步提高，加速电压与波长之间的关系如表6-1所示。

表6-1　电子加速电压与电子波长的关系

例如，当加速电压为100 kV时，电子的波长为0.003 7 nm，比光波长小10万倍，理论分辨率应该约为0.002 nm。

6.2.2.2　电镜的电子光学元件

电镜的电子光学元件分为3类，即透镜、偏转线圈和像散校正器。

（1）电镜的透镜是电磁透镜，是电子光学元件中最重要的部分。其结构主要是成组的线圈包含在有磁性、带有极靴的合金壳中（图6-2）。电流通过线圈时，在有磁性的合金壳中形成磁场。磁场在真空的镜筒中形成透镜区域，用于聚焦电子束。透镜的质量取决于极靴^[1]的形状。通过改变线圈中的电流大小，可以改变磁场强度，也即透镜的汇聚强度。由于线圈中的电流会产生热量，需要使用循环水保持极靴中的温度。虽然电磁透镜和光学透镜的结构完全不同，但是电磁透镜可以用基本的光学透镜原理来描述。聚光镜能够将电子束汇聚在样品上，而物镜透镜成像。中间镜和投影镜将来自物镜的初级像再次逐级放大，最终成像于荧光屏上。由物镜、中间镜与投影镜所组成的成像放大系统，不仅可以改变电镜的放大倍率，而且可以在图像模式和衍射模式之间进行切换。

图6-2　电磁透镜结构示意图

图片引自FEI公司操作手册。

（2）偏转线圈贯穿在电镜的电子通路上，可以移动和倾转电子束。线圈分为上下2组，每组之间相互垂直（x和y方向）。通过x和y线圈之间的相互作用，电子束可以偏转到任何方向。偏转线圈有2个以上的集合（所谓的双偏转线圈）（图6-3）。在多数情况下，偏转线圈只用于电镜的光路校正。使用偏转线圈有时也可达到特定的效果。例如，在暗场情况下倾转电子束，或者在STEM模式下移动电子束（图6-4）。

图6-3　偏转线圈示意图

图片引自FEI公司操作手册。

图6-4　电子束的移动和倾转

图片引自FEI公司操作手册。

（3）从理论上说，磁透镜具有圆形并且非常对称的分布，然而实际上，尽管在确保制造出高质量的磁透镜方面花费了巨大的努力，却没有一个100%完美的磁透镜显微镜。小的不均匀性、制造时的缺陷以及后期使用过程中的一些外来因素，比如粉尘黏附或者试样带电以及本身的磁性等因素，都会影响磁透镜的对称性，导致电磁透镜在纵向和横向上的磁场强度发生变化，造成磁场不对称，纵向与横向的像平面不在同一平面，两者共同形成一个最小模糊像。像散校正器正是用于校正电磁透镜的这种缺陷，从而改善图像的质量，提高电子显微镜的分辨率。

6.2.2.3　电镜的球差校正

近年来，透射电子显微镜技术有了显著的进步，最为突出的是球差校正技术的出现。在电子显微镜中使用磁场透镜，在原理上是因为只能采用凸透镜制作，并不能像光学显微镜一样通过组合凹透镜来改善像差（如图6-5所示）。因此，透镜的各种像差，尤其是3层球面像差（球差系数，coeficient of spherical aberration，C s）的影响，会限制透镜的分辨率。最近几年来，利用多极子校正装置来调节和控制电磁透镜的聚焦中心，从而实现对球差的校正，最终实现了亚埃级的分辨率（如图6-6所示）。

图6-5　球差校正光路示意图

（a）没有球差校正器；（b）有球差校正器。（图片引自FEI公司操作手册）

图6-6　3种多极子校正装置的示意图

图片引自FEI公司操作手册。

6.2.3　电子显微镜的基本类型及其应用

电子显微镜的诞生和应用，改变了20世纪的科学进程。1938年西门子公司生产的世界第一台商品型双透镜电子显微镜投放市场。此后，世界各国广泛开展了对电镜的研制与改进。目前电镜可大致分为以下几大类。

6.2.3.1　透射电子显微镜

透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）占电镜总量的80%～90%，其主要特点是可以观察样品内部的结构像。透射电镜有着广泛的应用。早期由于技术发展水平的限制，大家主要对透射电镜的常规功能进行研究与推广，常规电镜在材料科学、生命科学、医学诊断等新兴学科中以及临床诊断中，发挥了巨大作用。随着科学技术的发展，透射电镜的样品制备技术也日趋完善。尤其从20世纪70年代起，提出了冷冻电子显微镜技术，这项技术在80年代趋于成熟。电镜的应用得到了推广，扩大了生物样品的范围，不仅包括病毒、膜蛋白、肌丝、蛋白质-核苷酸复合物、亚细胞器等非晶体的样品，也包括具有二维晶体结构的样品，大大突破了X射线晶体学和核磁共振波谱学的研究对象限制。

但是，由于生物样品接收的电子剂量受到限制，通过冷冻透射电镜所拍摄的生物样品，普遍存在图像衬度低、样品特征难以辨识的缺点。最近发展迅猛的相位板技术，把相位板置于冷冻透射电镜的后聚焦面。该技术的引入，能够为透射束和折射束的电子波函数增加相位差，从而极大地增强电镜图像的衬度，特别适用于衬度低的冷冻生物样品。该技术能够极大地提高成像水平和信噪比，进而提高电镜二维图像处理及三维重构的精确度，对进一步提高超大分子复合物的解析水平和扩大解析范围，起到了至关重要的作用。

目前最新开发的直接电子探测相机，已被证明能够进行样品漂移校正，进而增强冷冻电镜的解析与分辨能力；通过自动图像采集系统，收集大量的二维投影数据；利用各种计算机软件程序包，由电镜的二维图像重构样品的三维结构，即进行三维重构。现在，直接电子探测器相机和相位板，已开始成为国际一流电镜实验室的必备配件，极大地增强了图像对比度，特别适用于易被电子辐照损伤的生物样品。图6-7为本设施配备的冷冻电镜。

图6-7　上海设施的Tecnai G2 F20冷冻透射电镜（a）和高压为300 kV并带有球差校正器和相位板的Titan Krios冷冻透射电镜（b）

6.2.3.2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）主要是一束细细的电子束，一次只能扫描样品的一小块表面。为得到整个样品的图像，作为照明源的电子束必须不停地移动，一次只能看清一小块样品，最后形成完整的电镜图像。这种成像方式叫做“扫描电子”。扫描电镜可以观察表面凹凸不平的立体结构，主要利用样品表面散射回来的二次电子进行放大成像。其最大优点是景深大，图像层次丰富，立体感强。应用扫描电镜可以观察样品的表面形态，进而获得样品的三维空间图像，在材料科学和生命科学等领域有着广泛的应用（图6-8）。

图6-8　扫描电子显微镜

图片转引自http://www.fd1718.com／fd1718＿Product＿9777217.html。

6.2.3.3　分析电子显微镜

分析电子显微镜（analytic electron microscope，AEM）可以对检测样品的化学成分进行定性或者定量的分析。目前，它主要由透射电镜配置扫描配件、能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）或者波谱仪（wavelength dispersive spectrometer，WDS）组成。这类电镜除了具备透射电镜和扫描电镜的功能之外，还可以对几微米范围内的元素进行定性与定量的综合分析，在化学定量分析的科学实验中具有很大应用价值。

6.2.3.4　扫描透射电子显微镜

扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscope，STEM）是配置有扫描附件的透射电镜，既可以观察透射电子像，又可以观察扫描像。它综合了透射电子显微镜和扫描电子显微镜的原理。像SEM一样，STEM用电子束在样品的表面扫描，又像TEM，通过电子穿透样品而成像。STEM能够获得TEM所不能获得的一些关于样品的特殊信息。STEM技术要求较高，并且电子光学系统比TEM和SEM都复杂。目前在ThermoFisher公司Talos和Titan两个产品系列中的冷冻透射电镜，都具有STEM的功能。

6.2.3.5　超高压电子显微镜

加速电压在1 000～5 000 kV的电镜，一般称为超高压电镜（high-voltage electron microscopy，HVEM）。提高加速电压使得电子束的能量加大，穿透样品的能力加强。这类电镜与普通电子显微镜相比较，更便于对厚样品和粗大析出物进行研究，标本厚度可达数微米，可大大简化制样技术。可以对样品的微观组织、结构、缺陷等进行定性和定量分析，也可以检测样品在加热、拉伸、电子辐照等条件下组织的动态变化。超高压电镜还可以拍摄一般透射电镜所不能够获得的立体图像，进一步提高分辨率，并减少标本的辐射损伤。但是，由于该镜结构复杂，体积又极为庞大（相当于两层楼房的建筑物），故价格昂贵，目前尚不能普及（图6-9）。(www.xing528.com)

6.2.3.6　电视电镜

这类电镜是结合了电镜和电视的功能而形成的电镜，特点是通过电视荧光屏可以直接观察图像。电视电镜由镜体、电子轰击电耙、低速电子扫描管以及电视机组成，可以很方便地聚焦和进行高速摄影。这类电镜在教学和科研中有着广泛的应用。

不同种类的电镜，具有不同的功能，可以满足科学研究的不同需求。电镜的种类和电镜技术亦随着科技的发展而不断增多。电镜领域的技术革新，给材料科学和生命科学以及医药化工等领域，带来了革命性的变化，极大地推动了这些学科的发展。

图6-9　JEOL JEM-ARM1300超高压电子显微镜

图片转引自中国分析测试协会网。

6.2.4　透射电子显微镜的结构

一台透射电子显微镜，总体可分为3个部分，分别是电子光学系统、真空系统、电子学部分。其中，电子光学系统是电子显微镜的核心部分，真空和电子学部分是辅助系统。

图6-10　电镜的光路示意图

6.2.4.1　电子光学系统

电子光学系统可分为照明系统、成像系统、观察和记录系统。电子从透射电子显微镜最上面的电子枪发射出来，镜筒内处于真空状态。发射出的电子在加速管中被加速，通过照明系统的电磁透镜，照射到试样上。透过试样的电子，被成像系统的电磁透镜放大、成像。可以在观察窗口观察样品像，或者通过相机记录下来。电镜的光路示意图如图6-10所示。

1.照明系统

照明系统由电子枪部分和聚光镜系统所组成。它们的功能是为成像系统提供一个亮度强、尺寸小的照明光斑。亮度由电子发射的强度决定，而光斑的大小主要由聚光镜系统的性能决定。电子枪的光源亮度至少是光学显微镜的光源亮度的105倍。

（1）电子枪

电子枪是产生电子的装置，位于透射电镜的最上部。电子枪的种类不同，电子束的会聚直径、能量的发散度也不同。这些参数决定了照射到样品上电子的性质。

电子枪可分为热电子发射型和场发射型两种。在过去的热电子发射型透射电镜中，使用的是发夹式钨灯丝（图6-11a）。近年来，广泛使用的是高亮度的六硼化镧（LaB6）单晶灯丝。与钨灯丝比较，LaB6灯丝对于镜筒中真空度的要求更高。LaB6灯丝由于具有亮度高、光源尺寸和能量发射小的特点，更适合分析型透射电镜。

图6-11　热电子发射型发夹式钨灯丝（a）和场发射型灯丝（b）

另一类电子枪称为场发射型电子枪（field emission gun，FEG）。场发射是指在金属表面加上一个强电场，金属表面的势垒变浅，由于隧道效应，金属内部的电子穿过势垒，从金属表面发射出来的现象。为了使阴极的电场集中，将尖端的曲率半径做成＜0.1μm的尖锐形状，这样的阴极称为发射极（图6-11b）。与LaB6单晶灯丝的热电子发射枪相比，FEG亮度是LaB6单晶灯丝的100倍，光源尺寸比较小，电子束的相干性很好。目前在ThermoFisher公司出产的透射电镜中，FEG有着广泛的应用，特别适于结构学的研究。

（2）高压发生器和加速管

将电子枪所产生的电子加速，这需要高电压。产生这种高电压的装置，称为高压发生器。利用高电压加速电子的装置，就是加速管。通常，将放置高压发生器的容器称为高压缸。高压发生器和透射电镜主体是通过高压电缆连接起来的。

（3）聚光镜和偏转系统

将加速的电子会聚，并照射到试样上的一组磁透镜，称为照明透镜系统。其功能是把有效光源会聚到样品上，并且控制该处的照明孔径角、电流密度与光斑尺寸。现在的透射电镜普遍采用双聚光系统。第一聚光镜是短焦距的强透镜，称为C1；第二聚光镜是一个长焦距的弱透镜，称为C2。C1的作用是把电子束的最小交叉截面缩小，并成像在C2的共轭面上，而C2再把缩小后的光斑成像在样品上。C2控制照明孔径角和照射面积，并为样品室提供足够的空间。光斑的大小由改变C1的焦距来控制，C2只是在C1限定的最小光斑条件下，进一步改变样品上的照明面积。此外，一些高性能电镜（例如ThermoFisher公司的Titan Krios）还有第三聚光镜，称为C3。C3在C1和C2的基础上，进一步提高光路的相干性，也可进一步保障电镜的平行光系统。

聚光镜系统里还装有使电子偏转的偏转线圈，可用于实现合轴、电子束倾斜、电子束移动、电子束扫描等功能。通常，偏转线圈是由两极偏转的2组相对的线圈所组成，可以很方便地实现电子束倾转。

2.成像放大系统

成像系统是电镜获得高分辨率和高放大倍率的核心组件，一般由物镜、中间镜、投影镜、物镜光阑和选区衍射光阑组成。

（1）物镜

物镜的功能是形成样品的初级放大像以及衍射谱。由于物镜是成像系统的第一级透镜，由它所造成的像差都会被中间镜与投影镜放大，因此对物镜放大后的图像质量有很高的要求。可以说，透射电镜的像的质量，几乎取决于物镜的性能。

物镜由透镜线圈、磁电路和极靴构成，极靴的形状直接影响物镜的性能。上下极靴之间可以形成旋转对称的强磁场，试样在极靴的中央。试样下面是物镜光阑，可以限制电子束孔径角，以减少球面像差，并可以遮挡散射电子而增加图像的反差。为了消除像散^[2]，可以在下极靴的下面安装消像散器。

（2）中间镜和投影镜

中间镜位于物镜之下、投影镜之上。它是一个可变倍率的弱磁透镜。极靴内孔较大，焦距也较长，放大倍数在0～20之间。中间镜的主要功能是，把物镜形成的初级像或衍射谱透射到投影镜的物平面上，再由投影镜放大到终像平面。高分辨电镜一般有2个投影镜。投影镜是一个短焦距的强磁透镜，使用上下对称的小孔径极靴。投影镜的作用是把中间镜形成的二次中间像及衍射谱，放大到荧光屏上，形成最终放大的电子像和衍射谱。

由物镜、中间镜和第一、第二投影镜组成的四级成像放大系统，最高放大倍率可达百万倍。在超低倍观察时，须关闭物镜电源，利用中间镜作为长焦距物镜而获得几十倍、几百倍的广视野图像，但其分辨率仍然要比相同倍率的光镜图像高。

（3）观察记录系统

荧光屏是在铝板上涂上一层荧光粉而制得。荧光粉通常为硫化锌（ZnS），它能发出450 nm的绿光。荧光屏的分辨率取决于荧光屏上ZnS镀层的颗粒尺寸，通常ZnS颗粒的尺寸为50μm，对于高分辨率的屏来说，ZnS颗粒可达到10μm，所以荧光屏的分辨率为10～50μm。

电镜专用胶片曾经是最常用的成像记录方式。胶片有厚度为25μm的明胶层，明胶层含有均匀分散的10%的卤化银颗粒。胶片的分辨率为4～5μm，比荧光屏的分辨率高得多。胶片具有较高的像素（pixel），其分辨率与曝光时间、电子束强度、胶片种类、显影液种类以及显影条件等有关。

现代的电镜几乎都采用CCD相机进行成像记录。电子束照射到相机成像板上的荧光物质后，就形成电子和空穴对，电子被荧光体的缺陷部位所捕获。当激光束照射到这种荧光物质上时，被捕获的电子就被释放在导带中，与空位再结合发光。这种光被光电倍增管转变成电信号，再生成图像（图6-12）。CCD相机的最大好处，在于所得结果是数字图像，便于后期的数字处理。

图6-12　CCD相机示意图（彩图见图版第20页）

图片引自[13]。

6.2.4.2　真空系统

在电子显微镜中，凡是电子运行的区域，都要求处在尽可能高的真空状态。如果电镜镜筒内的真空度较低，高速运行的电子与气体分子会相互作用，产生随机电子散射，削弱图像的衬度；残余气体会腐蚀炙热的灯丝，缩短灯丝的使用寿命。这样，特别在拍摄高分辨率图像时，图像的效果会受到影响。

根据功能需要，真空系统可以使用不同的真空泵。最基本的是机械泵，它可以使真空值达到10-3 Torr，优点是很可靠而且较便宜，缺点是噪声大和易于污染镜筒。机械泵的工作原理为，在使用油润滑并保持机械密封的容器内，转子旋转和吸入气体，压缩后排出气体。机械泵可以从大气压开始工作，用于TEM的初始真空排气，以及作为油扩散泵和涡轮分子泵的前级泵。

扩散泵可以使镜筒内的真空值达到10-3～10-11 Torr。扩散泵的工作原理为，将油加热到高温，使油蒸汽从喷管高速喷出。喷射流带着气体分子，将气体分子送到排气口。扩散泵可以从比较低的真空度开始工作，抽气速率很大，所以可用于透射电子显微镜（TEM）中排气量大、放出气体多的照相室的真空抽气。

涡轮分子泵可将真空控制在10-9～10-11 Torr，工作原理是使用高速旋转的金属翼来排出气体分子，主要用于TEM的镜筒排气。为降低机械振动，常使用磁悬浮旋转翼的涡轮分子泵。

离子溅射泵可以使真空值达到10-9～10-11 Torr。工作原理是，让磁控管放电产生的离子溅射在钛（Ti）表面，后者放出活性分子吸附气体，使之附着在泵壁上。由于这一点，离子溅射泵不适于放出气体多的真空系统，但可用于保持高真空的系统，例如TEM的电子枪和镜筒排气。

真空系统中还装有各种电磁阀、气动阀，把抽气装置与镜筒联为一体。同时还配有一个空气压缩机，以保持气阀正常工作。以上装置是利用真空规作为传感器，经过一系列电子开关电路控制真空阀门，使阀门按照一定程序启动的全自动控制系统。

6.2.4.3　电子学部分

电子显微镜需要2个独立的电源：一个是使电子加速的小电流高压电源，另一个是电子束聚集和成像的大电流低压磁透镜电源。电源必须保持较高的电流与电压稳定性，减少电流和电压波动对分辨率的影响。电子学部分可分为安全系统、总调压变压器、透射电源系统、高压电源系统、辅助电源系统、真空电源系统。另外，为减少电镜振动对电镜拍摄图像的影响，通常在高分辨率电镜中还会增加一个减振系统。由于电镜是一个电子光学系统，电磁场的干扰会影响电流的正常使用，故解决的方法是在透射电镜外面增加一个电磁屏蔽系统，以减少外来磁场对于电镜的干扰。

近年来，在生物学领域中应用得比较广泛的冷冻电镜，增加了一个低温控制系统，该系统主要通过2个杜瓦瓶保持电镜镜筒和自动上样系统中的温度在液氮温度，目前在ThermoFisher公司出产电镜的Titan和Talos系列中广泛使用，对于生物样品结构的检测发挥了重要作用。

配备自动上样系统的Titan Krios和Talos Arctica两个系列的冷冻电镜，可以一次性转移12个样品到电镜系统中。自动上样系统中的样品，被保存在真空的低温环境下，以减少冰污染。2个机械臂——cassette（垂直方向）机械臂和cartridge（水平方向）机械臂，是自动上样系统的核心组成成分（图6-13）。

图6-13　自动上样系统示意图（彩图见图版第21页）

图片引自FEI公司操作手册。