突破 “光的壁垒”：电子显微镜如何揭开微观世界的神秘面纱

谈论显微镜时，人们常聚焦 “放大倍率"，但真正决定观测能力的核心是分辨率—— 即区分两个相邻点的最小距离。就像在夜色中辨认汽车，最初只能看到一团光晕，直到距离足够近，才能分清两个独立的车灯，这个 “分清" 的临界点，便是分辨率的体现。

图 光谱示意图

1873 年，物理学家恩斯特・阿贝提出，光学显微镜的分辨率受限于光的波长和物镜数值孔径。这意味着，成像 “工具" 的波长越短，能观测的结构就越精细。而可见光 400-700 纳米的波长，让光学显微镜的分辨率难以突破 200 纳米，面对病毒（约 10-300 纳米）、纳米颗粒等微观物体时，只能 “雾里看花"。

电子的出现，打破了这一局限。根据德布罗意物质波理论，运动的电子具有波的特性，其波长与加速电压密切相关 —— 在 100kV 的加速电压下，电子波长仅为 0.0037 纳米，比可见光短约十万倍。这相当于把 “粗尺" 换成了 “纳米级游标卡尺"，让电子显微镜能轻松观测纳米甚至亚纳米级结构，直接 “看见" 原子的排列成为可能。

图 不同的显微镜观测的波长范围

无论何种类型的电子显微镜，其能稳定观测微观世界，都依赖三大核心系统的协同工作，它们如同显微镜的 “心脏"“眼睛" 和 “呼吸通道"，共同构建起观测纳米世界的平台。

1. 电子枪：电子束的 “发源地"

电子枪是产生高能量、高亮度电子束的核心部件，相当于光学显微镜的 “光源"，主要由灯丝（阴极）、韦氏筒和阳极组成。根据灯丝材料和工作原理，电子枪分为三类，适配不同的观测需求：

钨灯丝：成本低、维护方便，是普及型扫描电镜的。例如泽攸科技 ZEM10、ZEM18 系列台式扫描电镜，采用预对中钨灯丝设计，大幅简化了操作流程，让新手也能轻松维护。

单晶灯丝：以 LaB₆（六硼化镧）为代表，亮度更高、寿命更长，能提供更优的信噪比和分辨率，适合对性能有更高要求的场景。如泽攸科技 ZEM20 Pro，凭借单晶 LaB₆灯丝，分辨率可达 3 纳米。

场发射电子枪：亮度最高、电子束能量最集中，是实现原子级分辨率的关键。泽攸科技 ZEM Ultra 系列场发射扫描电镜，采用肖特基场发射电子源，分辨率优于 2.5 纳米，能捕捉到原子级别的细微结构。

2. 电磁透镜：电子束的 “导航仪"

与光学显微镜用玻璃透镜折射光线不同，电子显微镜依靠电磁透镜控制电子束 —— 通过精确调节线圈中的电流，改变磁场强度，实现电子束的聚焦、缩放和引导。如果说电子枪产生了 “观测光束"，电磁透镜就是 “调整镜头焦距" 的核心，确保电子束能精准聚焦在样品上，或把携带样品信息的电子束传递到探测器。

图 不同透射强度会聚点也不同

3. 真空系统：电子束的 “保护罩"

电子在空气中会与气体分子碰撞散射，导致电子束发散、成像模糊。因此，电子显微镜的整个光路（从电子枪到探测器）必须处于高真空环境中，这也是电子显微镜无法直接观测活体、含水样品的重要原因 —— 真空环境会让样品中的水分快速蒸发，破坏其原始结构。

图 TEM与SEM原理

电子显微镜主要分为透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）两类，它们的工作原理、样品要求和观测重点截然不同，却共同覆盖了从 “内部结构" 到 “表面形貌" 的微观观测需求。

1. TEM：穿透样品，看清 “内部构造"

TEM 是最早发明的电子显微镜，工作原理类似传统光学幻灯机：高能电子束穿透极薄的样品，由于样品不同区域的密度、厚度存在差异，对电子的散射能力也不同 —— 致密区域（如原子核、晶界）会强烈散射电子，导致穿过的电子减少；疏松区域则散射较弱，穿过的电子更多。这些携带样品内部信息的电子束，经多级电磁透镜放大后，在荧光屏或探测器上形成二维明暗衬度像（即 “明场像"），暗区对应致密结构，亮区对应疏松结构。

核心优势：分辨率，能直接观察材料的晶体结构、原子排布、位错等内部精细特征，比如看清病毒的内部核酸分布、纳米颗粒的原子构型。核心挑战：样品制备严苛。生物样品需经过固定、脱水、包埋、切片等复杂流程，最终切成 50-100 纳米的超薄切片；材料样品则需通过减薄或聚焦离子束（FIB）技术，制成电子束可穿透的薄膜。

2. SEM：扫描表面，捕捉 “微观形貌"

与 TEM 让电子束 “穿过" 样品不同，SEM 的核心是 “扫描"—— 一束极细的聚焦电子束在样品表面逐点、逐行进行光栅式扫描，当高能入射电子与样品表面原子相互作用时，会激发出二次电子、背散射电子、特征 X 射线等多种信号，SEM 通过探测这些信号，实现成像与分析。

二次电子（SE）：入射电子 “敲出" 样品原子核外层电子形成，能量低（通常 < 50eV），仅来自样品表层几纳米到十几纳米深度，对表面形貌极为敏感。我们常见的、具有强烈立体感的微观图像（如昆虫复眼的六边形结构、金属表面的细微划痕），大多由二次电子信号构成。

背散射电子（BSE）：入射电子与样品原子性碰撞后 “反弹" 形成，能量高，其信号强度与样品表面原子序数（Z）正相关 —— 原子序数越大（如金、铂），BSE 信号越强，图像中对应区域越亮。这种 “成分衬度" 能直观反映样品表面的化学成分分布，比如区分样品中的金属杂质与基体材料。像泽攸科技 ZEM 系列扫描电镜，标配四分割背散射电子探测器，还能通过组合不同象限信号获取形貌信息，与 SE 信号混合成像，让图像信息更丰富。

特征 X 射线：入射电子击出原子内层电子后，外层电子跃迁填补空位时释放的特定能量 X 射线，每种元素的特征 X 射线能量，如同 “元素指纹"。通过能谱仪（EDS）分析这些 X 射线，可对样品表面微区进行元素定性和半定量分析。泽攸科技 ZEM 系列预留了牛津仪器、布鲁克等主流 EDS 厂商的接口，实现了 “形貌观察 + 成分分析" 一体化。

随着技术发展，尤其是台式扫描电镜的兴起，电子显微镜不再是少数顶尖实验室的 “奢侈品"，而是通过三大革新，变得更易操作、适用范围更广。

图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜可同时采集SE及BSE图像

1. 低真空 / 环境扫描模式：不导电样品的 “福音"

传统 SEM 要求样品导电，否则电子束轰击会导致样品表面电荷积累，引发图像扭曲、漂移。对于生物组织、陶瓷、高分子等不导电样品，通常需要 “喷金" 或 “喷碳" 处理，这不仅耗时，还可能破坏样品原始形貌。低真空模式（如泽攸科技 ZEM20 可在 1-60Pa 范围内调节）通过在样品室引入少量特定气体，气体分子被电离后中和样品表面多余电荷，实现了不导电样品 “不喷涂直接观测"，保全了样品的原始状态 —— 比如观察蛋糕表面的奶油结构、陶瓷的孔隙分布时，无需担心涂层掩盖细节。

图 低真空与高真空对比

2. 自动化与易用性：新手也能 “上手即会"

以往操作 SEM 需要经验丰富的工程师调节光路对中、优化参数，门槛高。而现代台式 SEM（如泽攸科技 ZEM 系列）配备全中文图形化操作界面、光学相机导航，还支持一键式自动亮度 / 对比度 / 聚焦，即使是初次接触的科研人员，也能在短时间内获得高质量图像。

3. 原位分析：从 “静态观察" 到 “动态实验"

通过集成特殊样品台，SEM 已从单纯的 “微观观测工具"，升级为 “动态实验平台"：配备 TEC 冷台，可对含水样品（如生物组织、食品）进行冷冻观察，研究其在低温下的真实结构（如 - 20℃下香蕉的细胞形态）；配备原位拉伸台，能在纳米尺度下实时观察材料受力时的裂纹萌生与扩展，助力研究金属、复合材料的失效机理。

图 泽攸科技TEC冷台案例图

选择 TEM 还是 SEM，本质是选择观测目标：想看清病毒内部结构、材料晶格缺陷，TEM 是选；想观察昆虫复眼形貌、分析样品表面污染物成分，SEM 则更合适。从揭示物质的原子构造，到推动半导体芯片工艺迭代，电子显微镜始终是人类探索微观世界的 “火眼金睛"。

如今，随着泽攸科技等企业对台式电镜的研发突破，电子显微镜正变得更智能、更易获取 —— 它们不再是实验室的 “稀缺资源"，而是逐渐成为科研人员、工程师手中的 “常规工具"。未来，随着分辨率的进一步提升、原位分析功能的拓展，电子显微镜必将带领我们揭开更多微观世界的奥秘，为材料科学、生命科学、半导体工业的创新注入源源不断的动力。