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电子显微镜技术发展综述
摘要：本文论述了电子显微镜的发展现状及历史，介绍了目前较为先进的数种电子显微镜的结构、原理以及其在生物学领域的应用情况，并对其在组织学研究中的应用进行探讨。关键词：电子显微镜；组织学研究引言：显微技术是一门对于物质微小区域进行化学成分分析、显微形貌观察、微观结构测定的一门专门的显微分析技术。20世纪30年代，透射电子显微镜（TEM）的发明标志着电子显微技术的诞生，人们可以进一步地研究物质的超微结构。电子显微技术在普通光学显微技术基础上进一步拓宽了人们的观测视野，在各个领域发挥了重要的作用，被广泛应用于科学领域。在生物学研究领域，电子显微技术推进了组织学，细胞生物学，分子生物学等学科的发展，因而具有不可替代的崇高地位。
一、电子显微镜技术
1.1电子显微镜的定义与组成电子显微镜，简称电镜，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器[1]电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。镜筒主要有电子源、电子透镜、样品架、荧光屏和探测器等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。①电子透镜：用来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中最重要的部件。一般使用的是磁透镜，有时也有使用静电透镜的。它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦，其作用与光学显微镜中的光学透镜（凸透镜）使光束聚焦的作用是一样的，所以称为电子透镜。光学透镜的焦点是固定的，而电子透镜的焦点可以被调节，因此电子显微镜不象光学显微镜那样有可以移动的透镜系统。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。②电子源：是一个释放自由电子的阴极，栅极，一个环状加速电子的阳极构成的。阴极和阳极之间的电压差必须非常高，一般在数千伏到3百万伏之间。它能发射并形成速度均匀的电子束，所以加速电压的稳定度要求不低于万分之一。③样品架：样品可以稳定地放在样品架上。此外往往还有可以用来改变样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。④探测器：用来收集电子的信号或次级信号。
1.2基本原理不同类型的电子显微镜成像原理各有差异，但均是利用电磁场来偏转、聚焦电子束，再依据电子与物质作用的原理来研究物质的构造。其中透射式电子显微镜产生的电子束经聚光镜会聚后均匀照射到试样上的待观察区域，入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应。投射出试样的电子经三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上，荧光屏将电子强度分布转化为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上显出与试样形貌、组织、结构相应的图像。扫描电子显微镜（SEM）是聚焦电子束在线圈驱动下对试样表面逐点栅网式扫描成像，成像信号为二次电子、背散射电子或吸收电子。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经处理后得到反应试样表面形貌的二次电子像。背散射电子成像反映样品的元素分布，及不同相成分区域的轮廓。此外由于电子的德布罗意波长较短，分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数从几万到百万倍。
1.3技术发展史世界上第一台电子显微镜（透射式电子显微镜（TEM））由德国科学家Ruska和Knoll于1931年研制成功。二战后，Ruska继续对TEM进行研究改进，并制造出了放大倍数在10万倍以上的显微镜，并因此获得了诺贝尔物理学奖。在TEM的基础上，英国工程师Charles于1952年发明了世界上第一台扫描电子显微镜（SEM）。扫描电镜主要是针对具有高低差较大、粗糙不平的厚块试样进行观察，因而在设计上突出了景深效果，一般用来分析断口以及未经人工处理的自然表面；而透射电镜则突出的是高分辨率，使用透射电镜观察样品能获得高分辨率的超微结构图像，在材料科学和生物学上应用较多，同时也是病理学上的诊断工具，该技术的关键是超薄切片的制备。在这以后场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪（AES）、光电子能谱（ESCA）等相继诞生，在各科学领域的研究中起重要作用。1981年G．Binnig和H．Rohrer成功研制了世界上第一台扫描隧道显微镜（STM），并因此获得诺贝尔物理奖．它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成就之一。扫描隧道显微镜(STM)是利用导体针尖与样品之间的隧道电流，并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品表面扫描，从而能以原子尺度记录样品表面形貌的新型仪器．其分辨率已达到1nm～2nm，用它可研究各种金属、半导体和生物样品的表面形貌，也可研究表面沉积、表面原子扩散、表面粒子的成核和生长，吸附和脱附等。在STM出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微镜（AFM）、横向力显微镜（LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。扫描探针显微镜是纳米测量学、纳米表征与测量方法中最重要最基本的手段。它能以原子级的探针和被测样品表面作为工作的主要元件，在X和y两个方向上完成探针与样品之间的扫描，同时在Z方向的升降来模拟样品表面的起伏。用探针与样品间的相互作用所产生的物理量的数值随样品表面起伏的变化来达到观察样品表面形貌的目的。这种仪器分辨率高，横向分辨率可达0．1nm，纵向分辨率可达0．01nm，可以直接观察测定样品的三维图像，可以在大气、真空甚至液体中，在高温或低温下进行观测。检测时可以不与样品接触，故不会损伤样品，也不需要电子束照射，因而不会对样品造成辐射损伤。
二、我国电子显微镜技术的发展1958年，我国成功地研制了第一台电子显微镜，1988年中国科学院白春礼和姚俊恩研制出了我国的第一台STM。[2]2000年，中国电子显微镜学会统计中国大陆保有量不到2000台，中国加入WTO后，经济大发展，科研教育以及产业构都在升级目前，我国电子显微镜市场每年以近百套的数量在增长，可以预期，在未来数年内中国电子显微镜市场容量将居世界首位。中国市场的电子显微镜，日本电子的市场占有率超过50%，排在首位。紧随其后的是FEI（原飞利浦电镜部）、日本日立（天美代理）、德国CarlZeiss（原德国LEO）和日本岛津。而在国产厂家方面，主要是中科科仪、南京江南光电和上海电子光学技术研究所，产品主要集中在低端的扫描电子显微镜市场。就市场总体情况而言，国产电镜国内市场占有率不足10%。由此可见我国国产电子显微镜还有较大幅度的提升空间。从种类上看扫描电镜占目前中国电子显微镜总保有量的63.61%，透射电镜则为36.39%，可见扫描电镜在我国有着更为广泛的用户基础。[3]
三、电子显微镜技术的未来发展趋势
3.1远程电子显微镜技术自上世纪九十年代以来，随着计算机技术和网络技术的发展，远程电子显微镜逐渐出现，它可以将实验室现场获得的实时信息展现给远端用户，使其可以通过互联网实时观看样品图像，并远程操作仪器来完成实验。[4]远程电子显微镜技术的关键在于图像的采集、压缩和传输。在图像采集方面，现在的电子显微镜已经有了长足的进步。老式的电子显微镜多采用数码相机和视频采集卡来采集图像，新式电子显微镜多采用VGA采集卡进行图像采集并已成为未来发展趋势。此外运用软件来采集图像的新方式也逐渐出现。早期，图像的压缩使用的是JPEG图像压缩法，即远端用户所见的是一系列独立的静态样品图像。现在，随着技术的发展，MPEG4和H.264等视频压缩算法被逐渐运用到了样品图像的压缩。现在，样品图像的传输主要通过TCP协议和UDP协议，但其占用带宽过大，传输效果并不理想。为了改善传输性能，专门的数据传输系统“金字塔”式网络传输模型以及专有传输网络正在研究之中，同时这也是现阶段远程电子显微镜的改进方向。1990年，CarlZmola等人实现了对SEM的样品图像网络传输，首次建立了远程电镜的样品图像实时传输系统。随后，美国各大学相继建立了各自的SEM远程系统。样品传输的效能也有了长足进步，最初，在800Mb的光纤网络中，样品图像的传输效能是每17秒传送1帧。到了2000年，在1~2Mb的网络中，样品图像的传输可以达到每秒传送5帧。在技术上尚有很大程度的提升空间。在中国，尽管各大院校及研究机构中有数千台电子显微镜，但仍不能满足日益增长的应用需求，因此远程电子显微镜技术的研究对于中国是很有应用价值的。
3.2低温电子显微镜技术低温电子显微镜技术是应用冷冻(物理)方法制备生物样品并进行观察的技术，因而在生物学组织学中的应用较为广泛。与常规电镜技术(化学方法)相比较，其可最大程度地维持样品在生活时的生理状态，可运用于生物大分子的动态过程研究以及细胞核组织的三维结构分析。
1.在扫描电镜（SEM）的图像中，标尺（bar）用于显示长度，例如，一个50微米的标尺表示图像中相应长度的距离。
2.扫描电镜的放大倍数范围在20到20万倍之间，可以连续调节。这种显微镜提供了较大的景深和立体感的成像效果，适用于观察表面具有凹凸不平结构的试样，且样品制备相对简单。
3.现代扫描电镜通常配备有X射线能谱仪（EDS），允许同时进行试样的显微组织观察和微区成分分析，使其成为科学研究中非常有用的工具。
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扫描电镜是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器，它可以利用聚焦很窄的高能电子束来扫描样品来观察物质微观形貌表征，是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。扫描电子显微镜类型多样，不同类型的扫描电子显微镜存在性能上的差异。根据电子枪种类可分为三种:场发射电子枪扫描电镜、钨丝枪扫描电镜和六硼化镧扫描电镜。其中，场发射扫描电子显微镜根据光源性能可分为冷场发射扫描电子显微镜和热场发射扫描电子显微镜，数据显示，我国扫描电镜行业市场规模约15.11亿元，较2022年增长13.5%。
扫描式电子显微镜行业上游主要包括电子元器件、光学仪器产品及其他配件。扫描式电子显微镜主要应用于主要用于纺织、化工、印染、仪器仪表、材料分析、教学科研等许多领域。随着近年来我国消费电子、汽车电子、工业电子等多个行业的高速发展以及新能源汽车、物联网、新能源等新兴领域的兴起，我国电子元器件的需求不断增加，带动行业迅速发展。同时，随着国内电子信息行业不断转型升级，其对电子元器件要求也将不断提高，我国电子元器件行业将逐渐从低成本优势向高端产品优势转变。核心技术水平高、创新能力强的电子元器件企业将在未来市场竞争中占据优势地位，进一步提高行业集中度，推动我国由生产大国向制造强国转变。据资料显示，2022年我国电子元器件行业市场规模约为22954亿元，同比增长3.9%。
长期以来，全球电镜研发一直是美国、日本和德国三足鼎立，其中以日本日立公司、日本电子公司、美国FEI公司以及德国蔡司公司表现最为突出。而我国扫描电镜主要依靠进口。近年来我国的SEM技术得以不断进步，与国际先进技术水平的差距有所缩小，但并没有得到大规模的突破。我国SEM行业规模体量较小，生产企业仅有少数几家。总体而言，我国的扫描电子显微镜行业的国际竞争力较弱。扫描电镜生产商主要有赛默飞世尔、中科科仪、普瑞赛司、拘束科技、柯岷国际贸易、国仪量子、纳克检测、赛可检测、卡尔蔡司、泰思肯、捷欧路等企业。
赛默飞世尔从事提供分析仪器、设备、试剂和消耗品、软件和服务，用于研究、分析、发现和诊断，全球桌面型扫描电子显微镜的领导者。中科科仪业务领域覆盖扫描电子显微镜、氦质谱检漏仪等科学仪器设备和分子泵、真空应用设备等核心零部件及产业设备，产品广泛应用于科学研究、航空航天、半导体、汽车工业、新能源、新材料、节能环保等。国仪量子是专业的国产电镜、钨灯丝扫描电镜供应商，主营产品有国产电镜，钨灯丝扫描电镜等。
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数据说明：
1：本报告核心数据更新至2023年12月（报告中非上市企业受企业信批影响，相关财务指标或存在一定的滞后性），报告预测区间为2024-2030年。
2：除一手调研信息和数据外，国家统计局、中国海关、行业协会、上市公司公开报告（招股说明书、转让说明书、年报、问询报告等）等权威数据源亦共同构成本报告的数据来源。一手资料来源于研究团队对行业内重点企业访谈获取的一手信息数据，主要采访对象有企业高管、行业专家、技术负责人、下游客户、分销商、代理商、经销商以及上游原料供应商等；二手资料来源主要包括全球范围相关行业新闻、公司年报、非盈利性组织、行业协会、政府机构及第三方数据库等。
3：报告核心数据基于智研团队严格的数据采集、筛选、加工、分析体系以及自主测算模型，确保统计数据的准确可靠。
4：本报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于智研团队的专业理解，清晰准确地反映了分析师的研究观点。
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