- 导语
光学显微镜是人类迈向微观世界的第一步,它价格便宜,操作简单,但由于可见光波长的限制,不可分辨尺度小于200纳米的物体;传统大型电子显微镜使用电子束作为光源,分辨率显著提高,可观测到几个纳米的尺度,从而大大促进了人们对微观领域的探索。但是,其投资巨大,而且需要经过严格培训的操作人员。
为了解决这一矛盾,一些传统的大型电子显微镜厂商相继推出了台式扫描电镜。不同于传统大型扫描电镜,台式扫描电镜是一种全新的设计,它保留了大型扫描电镜较高的放大倍数和大景深,同时一改已往电镜体积大、安装环境苛刻、操作复杂等缺点,体积小巧,可以在普通试验台上安装使用;操作简便,而且能实现数码相机一样的自动操作,使得没有电镜知识和使用经验的人员也可以获得满意的电镜图像;另外还可以安装能谱仪,实现元素分析;并且它的价格仅为传统电镜的几分之一,逼近高端光学显微镜的价格。
- 台式电镜的主要供应商
台式电镜主要由真空系统、电子枪、电磁透镜和探测器等组成。真空系统一般采用机械泵与分子泵联动,电子枪一般为钨灯丝、CeB6(六硼化铈),也有采用场发射枪的台式电镜。其中钨灯丝的价格便宜但使用寿命较短,CeB6灯丝寿命长、亮度高,但价格也随之而升。探测器主要为背散射电子探测器或二次电子探测器。目前市场上的台式电镜主要为台式扫描电镜。
由于台式电镜很好的弥补了光学显微镜和大型台式电镜之间的市场空白。近年来,涌现出了众多的台式扫描电镜供应商,其中既有本身从事电镜生产的企业,也有初入行者。目前,国内市场上主要的台式电镜供应商有Phenom-World(飞纳世界)、日立高新技术(Hitach High Technologies)、日本电子(JEOL)、美国是德科技(原安捷伦电子测量业务)、美国Delong、美国Evex、韩国 COXEM 、韩国SEC、日本Hirox。在本专题制作过程中,本网编辑曾就台式电镜的技术、应用与市场情况向以上厂商发出了约稿邀请,截至到目前为止只有Phenom-World和日立高新技术两家公司做出了积极回应。
FEI 公司在收购飞利浦电镜部后,于2006年10月发布了台式扫描电镜Phenom G1(飞纳第一代),并于2009年成立 Phenom-World(飞纳世界)公司,以“让扫描电子显微镜个人化(personal SEM)”为发展理念,专业研发并生产Phenom(飞纳)系列台式扫描电镜。Phenom系列台式扫描电镜均采用CeB6灯丝,具有光学导航及低倍电子导航界面,弥补了电镜进行低倍放大的不足,还有采用了自动马达样品台,方便用户定位样品观察位置。
2011年Phenom-World公司发布第二代台式扫描电镜Phenom G2。Phenom G2系列产品包括G2 Pure 和G2 Pro。Pure系列是具有基本功能的入门级系统;Pro系列具有高度灵活性,面向高端市场。2012年3月,Phenom proX发布,首创了电镜能谱一体化的台式扫描电镜。该台式扫描电镜结合了表面成像功能和元素分析能谱EDS功能,可以准确的进行样品表面元素的定性和定量分析。
2013年Phenom-World公司推出Phenom(飞纳)第三代台式扫描电镜,具有100,000×放大倍数,10秒快速抽真空,不用喷金测量不导电样品等优势。
2014年10月,Phenom-World公司推出了世界首款车载可移动的台式扫描电镜,突破了传统电镜安置在固定场所、怕震动的局限性。
目前,Phenom-World公司在全球销售的台式电镜数量已突破2600台。
日立高新则在2005年推出了台式扫描电子显微镜TM-1000,放大倍数可达10000倍,到2010年停产,在近5年的销售时间内,销量突破1000台。日立高新相关负责人介绍说,其实日立高新于1976年就推出了世界上第一台场发射台式电镜S-310,并仅在1976年至1977年间销售台数达74台。
2010年,日立高新又发布了TM-1000的升级版本TM3000,TM3000在性能上有了显著的改善:放大倍数提高至30000x,分辨率也得到了改善,整个机体还节省了20%的空间,同时选用了节能设计。此外,TM3000的扩展能力强,用户可根据需求选配能谱仪、冷台等配置。到2012年8月,TM3000的销量超过了1000台。
2013年,日立高新推出再次改进后的TM3030。TM3030改善了电子光学系统,增加了抑制荷电模式,尤其适用于5kV操作模式。此时,TM系列电镜已连续销售达2300台以上。
2014年8月,日立高新又推出了TM3030的姊妹版TM3030Plus。TM3030Plus除高灵敏度背散射电子探头外,配备了高灵敏度低真空二次电子探头,可在低真空状态下观察二次电子图像,使得样品的可观察范围更广。至此,TM系列电镜累计销量达2700台。
日本电子(JEOL)是在2008年3月在Pittcon展会上,与尼康Nikon首次联手向市场推出台式扫描电镜NeoScope。 放大倍数为10x~20,000x。Neoscope由尼康公司作为全球总代理在全世界销售。
到2012年9月,日本电子又推出了JCM-6000 NeoScopeTM。JCM6000是当时市面上唯一即包含有二次电子探头,又包含有背散射电子探头的台式扫描电子显微镜,弥补了台式扫描电子显微镜只有背散射电子探头,只能观察成分像,不能观察二次电子像的不足。放大倍率可达6万倍(二次电子),也是桌上型SEM中最高的,并且同时具备高低真空。JCM-6000也可以结合日本电子制造的EDS进行元素分析。
是德科技(KEYSIGHT TECHNOLOGIES)的台式电镜产品技术源于2010年1月被安捷伦收购的Novelx公司,该公司被收购后成为了安捷伦电子测量业务的一部分,随着安捷伦在2014年11月1日完成是德科技的分拆,该产品线也归属于是德科技。目前是德科技主要提供的台式扫描电镜为U9320A 8500。U9320A 8500采用场发射电子枪,整体仅有激光打印机大小,是目前市场上唯一采用场发射枪的台式扫描电镜。
美国Delong公司拥有世界上唯一的台式透射电子显微镜LVEM5。2006年Delong公司就在霍华德大学的NanoExpress移动实验室安装了LVEM5。LVEM5采用特殊设计的倒置肖特基(Schottky)场发射电子枪,使用寿命可达2000小时以上,并采用5kV低电压设计。同时拥有TEM-STEM-ED-SEM 四种成像模式。LVEM5在全球范围已拥有麻省理工、加州大学、乔治亚理工、慕尼黑大学、曼彻斯特大学等50多个用户。
美国Evex分析仪器公司成立于1993年,位于新泽西州普林斯顿。其创始人Claudio Tarquinio是X射线纳米分析技术领域的先驱。基于在能量色散光谱领域的技术积累,Evex开发了Mini-SEM台式扫描电镜,整合了X射线能谱仪,放大倍数在5x-30000x。
韩国COXEM有限公司2007年成立,2011年推出EM-20台式扫描电镜。之后推出的EM-30是在EM-20基础上进行系统升级与拓展,EM-30AX则是能谱一体化的台式电镜。其在中国的推广一直由北京酷塞目科学仪器营销中心负责,直到2014年9月,酷塞目因代理关系等问题与其停止合作,目前由上海欧波同纳米技术有限公司负责其产品销售。
韩国SEC公司成立于1991年,主要从事X射线检测设备和扫描电子显微镜的生产。2102年SEC推出新一代全系列MINI SEM台式扫描电镜,目前有三款型号:SNE-3000MB,SNE-3200M和SNE-4500M,具有不同的配置供客户选择。
HIROX株式会社成立于1978年,浩视中国有限公司于2001年在香港成立,同时在中国上海成立了上海浩视仪器科技有限公司为总部,主要产品为三维视频显微镜/测量系统。2012年初,Hirox推出三款新型台式扫描电镜:SH-3500MB、SH-4000M、SH-5000M。
- 台式电镜的市场情况
光学显微镜一直以来是显微镜市场中份额最大的部分,在2007年相对于只有三亿四千万美金的扫描电镜市场,先进光学显微镜的市场则超过九亿美金。根据MarketsandMarkets的最新市场报告,到2014年,全球显微镜市场达到40.658亿美元。这无疑为大量的台式电镜制造商提供了可以开垦的肥沃的市场土壤。
从目前的市场销售情况来看,在不到10年的时间里,仅Phenom-World公司和日立高新的台式电镜在全球的销量就已超过5000台。这一方面与台式电镜的技术发展及其相较于传统电镜的简单易用性紧密相关,同时也因为其明显的价格优势,与传统扫描电镜动辄数百万元甚至上千万元的价格相比,目前台式扫描电镜的价格一般在100万元以内。
在中国,据Phenom-World公司相关负责人介绍,每年台式电镜的市场容量在150台左右。Phenom-World在中国安装并使用Phenom电镜的用户已经超过300位。随着台式电镜的普及,每年的销售量会逐步增加。除了在科研以及工业领域的应用外,中小学、博物馆、科技馆等也将是有待开发的重要市场。
不过在目前的大好形势下,台式电镜也面临着一些传统电镜厂商推出的低端落地式扫描电镜的挑战,需要在分辨率、稳定性以及仪器维护等方面进一步提升来巩固自己的市场地位。
- 台式电镜的应用
台式电镜的出现填补了光学显微镜与传统大型扫描电子显微镜之间的市场,起初,大多数台式电镜都是低真空仪器,因为许多材料都是非导电、真空敏感和电子束敏感的。此外,早期的台式电镜加速电压有限,一定程度限制了分辨能力。
目前,随着技术的进步,台式电镜可以提供不同的加速电压,5kV、10Kv、15kV,最高可达30kV,并可在一定的区间内连续可调;分辨率一般可达到10-20nm左右;最大放大倍数也从最初的1万倍增长到12万倍;同时可具备低真空和高真空模式,可实现无需喷金直接观测绝缘体,装入样品后30秒内得到高质量图像;可以检测二次电子和背散射电子;可整合或选配X射线能谱仪进行元素分析;甚至可以实现车载,用户不用将样品带回实验室,直接在采样现场进行观察。
早期的台式电镜仅仅可以分析直径不超过25mm的样品,但是新型台式电镜能够容纳直径达70mm、厚度达50mm的样品。能够容纳的样品越来越大,并允许操作人员控制样品台的移动。这些特征使得用户可以使用台式电镜分析范围更广的样品,并获取高分辨率的图像,可广泛应用于材料科学、纳米颗粒、制药、生物医学、食品药品、纺织纤维、地质科学等诸多领域。
在材料领域的应用
在材料科学,及其相关行业如汽车、钢铁、橡胶等领域,台式扫描电镜可用于材料断裂与失效分析、杂质分析以及其他质量控制应用。利用台式电镜当中的不同对比度选项能够观察材料中的不同相。同时台式电镜配置的能谱仪(EDS),可以在材料观察的同时测量其化学成分。
在制药工业的应用
在制药工业,生产固体制剂通常需要将活性药物成分形成0.1-10微米的颗粒。药物活性成分的大小、形状和形态以及颗粒是影响药物溶解性最重要的性质之一。
台式电镜可以用在制药工业产品生命周期的各个阶段,如开发、配方和制造阶段。台式电镜可以在不到几分钟的时间里观察颗粒破碎、结块、粉化,以及微米到毫米大小的异物,能够获取比光学显微镜高出许多倍的分辨率。还有其他的应用,如药品包装和生物医药,台式电镜都有其用武之地。
在食品及化学工业的应用
对于所有的食品,任何在形态上的微小变化,都会影响产品的流变性和效用。目前台式电镜性能的提升使质量控制实验室能够快速准确的在各种环境条件下进行样品成像,因而科学家能够立即进行质量评估,节省时间和成本。在分析监测中收集的数据可以马上用来改进制造工艺,防止今后发生类似的问题。
在食品分析领域,食品包装分析依然是一个十分重要的组成部分,并且显微镜是分析食品包装材料的常用工具,并经常结合其他技术来检测缺陷,包括分析包装罐的腐蚀、泄露,或分析多层膜材料。台式电镜配置的EDS是鉴定食品当中无机元素的有力工具,并在检测物理污染物方面颇具优势。
化工、食品及制药工业都会有从微米到纳米级的颗粒物。台式电镜可以进行颗粒物大小的测量及形貌观察,同时配置的自动图像分析软件能够给出颗粒物的平均粒径。
在法医学中的应用
法医行业需要检查各种类型的材料,分析速度和准确度对于法医取证十分重要。台式电镜要比传统的扫描电镜方便许多,它易于操作,能快速获取准确的结果,需要非常少的样品制备,因而在法医行业能够发挥重要作用。
除了以上这些行业,台式电镜还可以被用来分析半导体及电子产品中的各种成分,并可以进行生命科学样品各种特征的研究;还可以用在科学馆,中小学校教育机构等领域。台式电镜的应用领域逐渐变得越来越多。
- 台式电镜在生命科学领域的应用
细菌和无脊椎动物共生有助于生物多样性,以及提高水生和陆生环境的生产率。甲壳类和软体类生物宿主的依附位点和细菌覆盖范围是不同的。虽然虾类的寄生细菌主要在其附属肢和腮腔的刚毛上,而螃蟹和藤壶的刚毛则被大量的丝状细菌群所覆盖。
图B为扫描电镜下霍夫蟹刚毛远端的众多丝状细菌。样品采用六甲基二硅胺烷干燥、金属钯镀膜处理。标尺为25mm。
图C为附着在霍夫蟹刚毛上的丝状和棒状细菌的扫描电镜特写镜头。标尺10mm。
所用仪器:FEI Phenom
图片来源:Indigenous ectosymbiotic bacteria associated with diverse hydrothermal vent invertebrates(Environmental Microbiology Reports (2010) 2(4), 479–488)
研究已知癌细胞可能和正常细胞具有不同的机械性能,但对于这些差异的原因知之甚少。通过对宫颈上皮癌细胞和正常细胞的束丛状表层(brush layer)进行研究,来定量分析二者之间的不同。束丛状表层主要包括微绒毛、微嵴和纤毛,它们与环境的相互作用非常重要。研究发现,正常细胞的束丛拥有相同的长度,然而癌细胞有两种不同长度和密度的束丛。
上图为宫颈上皮癌细胞和正常细胞的侧视扫描电镜图像。图像中的细胞进行了增亮处理,其色彩是人为添加的。标尺为5μm。细胞样品进行了冻干处理,并采用了电子背散射成像模式。从扫描电镜图像来看,癌细胞表面的束丛尺寸具有高度变异性,和正常细胞相比癌细胞的束丛更长。正常细胞表面较长的束丛相当密集。
所用仪器:FEI Phenom SEM
图片来源:Atomic force microscopy detects differences in the surface brush of normal and cancerous cells (Nature nanotechnology letters PUBLISHED ONLINE: 12 APRIL 2009 | DOI: 10.1038/NNANO.2009.77)
- 台式电镜在材料科学领域的应用
静电纺丝纳米纤维膜(ENMs)是过滤领域的一种新兴材料。但由于机械性能差,使得这类材料的应用受到了限制。因此使用额外的支持表层来增加膜的厚度和抗力是十分必要的。静电纺丝纳米纤维膜较差的机械性能主要是由于高孔隙率,纤维交汇处黏结不牢固。因此我们使用两种常用的膜聚合物聚丙烯腈(PAN)和聚砜(PSu)来改善ENMs的机械性能。后处理方法包括采用将ENMs暴露于溶剂蒸汽中,利用溶剂诱导效应来促进纤维交汇处的融合,从而来提升ENMs的机械性能。经过处理的纤维膜的拉伸强度和杨氏模量显著增强,同时仍具备高孔隙率和高透水率。
图1为未处理、及用聚丙烯腈处理后暴露于二甲基甲酰胺溶剂蒸汽中6h、9h、18h后的静电纺丝纳米纤维薄膜扫描电镜图像,放大倍数1万倍。样品在观察前,进行了喷金处理。标尺为2.5μm。
图2为未处理、及用聚砜处理后暴露于二甲基甲酰胺溶剂蒸汽中1h、3h、6h后的静电纺丝纳米纤维薄膜扫描电镜图像,放大倍数3000倍。样品在观察前,进行了喷金处理。标尺为10μm。
所用仪器:FEI PHENOM台式扫描电镜
图片来源:Increasing strength of electrospun nanofiber membranes for water filtration using solvent vapor(Journal of Membrane Science 436 (2013) 213–220)
NaI/I2和活性炭加入到聚(氧化乙烯)(PEO)/铝酸锂(LiAlO2)电解质来制作复合电极。并用复合电极和Nafion 117膜作为分离膜来制作全固态超级电容器。利用循环伏安法、电化学交流阻抗光谱法、恒电流充/放电测量方法来评估超级电容器的电化学性能。
上图为复合电极(由PEO/LiAlO2, 33wt%的NaI/I2和活性炭制成)的台式扫描电镜显微结构,样品在观测前利用金属溅射仪进行了喷金处理。从扫描电镜图像可以看出该复合电镜为高度多孔结构。标尺为10μm。
所用仪器:Phenom台式扫描电镜
图片来源:Effect of NaI/I2 mediators on properties of PEO/LiAlO2 based all-solid-state supercapacitors(Journal of Power Sources 196 (2011) 5997–6002)
- 台式电镜在教育机构的应用
图A.为日立高新赞助的儿童科学电台节目,旨在培养小学生对于科学的兴趣。
图B.为日立高新在名古屋大学博物馆的台式电镜。日立高新通过出借台式电镜来支持自然科学和科学技术教育。
图C.为日立高新集团在茨城县那珂区(TM3000的生产地)为小学生提供台式电镜,开展科学课程,作为其区域推广活动的一部分。
图D.日立高新欧洲公司为由德国联邦教育研究院主办的“NANOTRACK”工程提供TM3000进行支援。所谓”NANOTRUCK”即用装有小型实验设备和科学报告书的卡车去德国各地的学校,大学和组织机构寻访,并且向普通市民介绍纳米技术同日常生活的联系,以加深其对先端科技的了解和关注。
图E.在非盈利组织Change The Equation(CTEq)在学校和科学馆等地举办的各种活动上,日立高新美国公司提供了TM3000并进行测样演示。