环境扫描电子显微镜中有关其成像特点的检测方案(扫描电镜)

环境扫描电子显微镜的成像特点 郑春明，周巧琴，蔡传荣 (福州大学中心实验室，福建福州350002) 摘 要 环境扫描电子显微镜(ESEM)中所指的环境并非真正意义上的大气环境(760Torr)， 与传统扫描电子显微镜(SEM)样品室高真空库相比， ESEM 样品室的真空度可以很低(约达20 Torr)。ESEM 是在传统的SEM 样品室中多一个 GSED 探头，因此，它在传统的 SEM 基础上增添了新的功能。其主要的特点是，可以观察合适量水分的样品和非导体材料样品，比如植物的叶片、动物中的昆虫、作物的籽粒、含结晶水的固体材料等。 关键词 环境扫描电镜； 气体二次电子探头 Characteristic of imaging in environmental scanningelecrron microscope Zheng Chunming， Zhou Qiaoqin ， Cai Chuanrong (Cencse Ltioratorp，Fuzhou University， Fuzhou. Fujian ，350002) Abstract： The environment of environmental scanning electron microscope does not really meanthe atmosphere. Compared with conventional scanning electron microscope， the vacuum in ESEMchamber is rather low (about 20 Torr). There is a gaseous secondary electron detector (GSED) inthe che chamber in ESEM‘ which offers new functions .Therefor ，it can be used to observe themoisture bearing specimens and the insulation specimens .such as leaves ， insects grains andmoisture-beating solids . Key words： Environmental soanning electron microscope ； Gaseous secondary eletron detector 传统扫描电子显微镜(SEM)配有接收二次电子的探头(ET)，它的工作原理： ET探头通过接收样品的二次电子，经光电倍增管放大后，信号再输到前置放大器放大。最后去调制显象管或其它成象系统(见图1)；但它 图 只能在高真空下工作，因此只光电倍增管图1能观察不含水分的固体导电样品相通过脱水、喷金属化等处理垢的生物样品。对于含有适量水分的新鲜生物等样品，传统扫描电镜就无法满足要求。因此，人们渴望既能在高真空下又能在低真空下甚至能在大气环境下工作的扫描电子显微镜。二十世纪八十年代，随着真空系统中多重限压狭缝技术开发成功(即将样品室与与形导管之间的真空隔开)和气体二次电子探头的研究成功。美国Electro Scan 公司 于1990年推出第一台商用环境电子显微镜(ESEM)。环境扫描电子显微镜的诞生，把人们引入了一个全新的形态观察的领域。 2环境扫描电镜的工作原理和特点 2.1工作原理 环境扫描电镜有二个探头 (ET 和 GSED)， 分别在高真空和低真空下工作。因此，它除了保持传统扫描电镜功能外。由于增加了 GSED 探头，就增加了新的功能。 GSED 可以工作在低真空(约达20Torr)下，它安装在物镜极靴底部，探头上施以数百伏的正电压以吸引由样品激发出的二次电子，二次电子在探头电场中被加速并碰撞气体分子使其电离，部分气体电离成正离子和电子(这些电子被称为气体二次电子)，这种加速一电离过程的不断重复，使初始二次电子信号呈连续比例级数放大， GSED 探头接收这些信号并将其直接传到电子放大器放大成电信号去调制显象管或其其成像系统(见图2) 图2 2.2工作特点 (1) GSED 探头不含高压元件，可以在低真空的多气体环境中工作，故可以观察含有适量水分的生物样品；(2)信号的初始放大靠电离气体分子进行，不再需要光电倍增管， GSED探头对光、对热不再敏感，故可以观察发光材料和使用热台；(3)当绝缘样品表面沉积电荷时，形成的电场会吸引被电离的气体中的正离子而被中和。故非导体样品表面不再进行金属化喷涂处理，从而更好地观察样品表面的细节；也节省了处理样品的中间环节； (4)由于GSED 探头弥补丁 ET 探头的缺点，使得环境扫描电子显微镜的运用范围大大扩展。样品室内的适量气体对其工作性能不但没有影响，反而有益，气体越容易电离，所获得的放大增益越高，改变探头的偏置电压即可调节增益或适应于不同的气体。由于水蒸汽获取方便，没有毒性，容易电离，成像性能佳，因此成为员常用的气体。但 GSED 由于在物镜极靴下面，正对着样品，被放射电子由于能量大，能直接射向 GSED 探头，因此图像背景较深，对图像的对比度会有些影响。 3环境扫描电镜的应用 环境扫描电子显微镜除了具有传统扫描电子显微镜所有功能外，还具有在低真空下观察含有一定水份的样品和非导体样品。特别对生物样品的观察，省去了脱水、喷金属化等处理的中间制样环节，使得样品能保持原有的微观形貌，这对于观察研究生物微观形貌是非常重要的环节。在传统扫描电子显微镜中，动物、植物样品不通过脱水等处理是不能观察的。动、植物样品通过脱水等处理后，样品的微观形貌会产生变化，这是不可避免的，这会影响人们对生物微观形态的认识。但在环境扫描电镜中，动、植物样品可以不需要脱水等处理，使样品少变形或不变形，因而更真实地反映样品的微观形貌。环境扫描电镜在低真空下，员适用 于观察那些具有一定强度和含水量很低的样品。比如植物的叶子，动物中的昆虫，作物的籽粒，含有结晶水的固体材料等。随着环境扫描电子显微镜实验技术条件的不断探索和完善，它在生物医学、林学、材料、化工、石油地质、建材、食品、轻工等研究领域会得到越来越广泛的应用。 图3 图4 图3、图4所示是纤维非导体样品在低真空下的图象。在真空度5. 2Torr， 加速电压15kV，放大倍数1000倍和4000倍下，非导体材料纤维样品的图象清晰，样品表面没有放电现象；而在高真空下，图象放电非常严重，无法成象。 图5 图6 图5所示是头发在低真空下的图象。在真空度2. 5Torr，加速电压20kV， 放大倍数500倍下，样品不需任何处理，图象很清晰，头发的鱼鳞片的细节很清楚。 图6所示是有湿度的混凝土在低真空下的图象。在真空度0. 4Torr， 加速电压20kV， 放大倍数1480倍下，混凝土的颗粒清楚，没有产生放电。 对于新鲜含有适量水分的生物、动物样品的观察是环境扫描电子显微镜最大的特点。这方面的应用工作已在其他的实验室做了不少，相关的期刊发表了不少的这方面文章。 4实验过程一些问题的认识 虽然环境扫描电镜可以观察含水分的样品，但要出好每种样品的图象，难度还是比较大，必须花费一些时间来摸索，积累更多的经验，才能出好图象，特别在低真空下。在正确认识ESEM 工作原理的基础上，在具体运用 ESEM 观察新鲜生物样品和其含含水样品时，掌握一些操作技术要领是非常必要的。例如： (1)由于环境扫描电镜的低真空下并非真正的大气压力，样品的水分蒸发问题还是存在，观察时间若太久，势必造成样品因水分蒸发而使样品变形因此，观察和记录操作要尽可能地快。 (2)虽然 ESEM 的样品台一次可以同时装多个样品，但在观察含水分的生物样品或在真空下易变形的样品时，建议最好一次故人一个样品。 (3)在低真空下工作时，要接上 Peltier 冷台，该冷台的温度与样品室压力的设置很重要。要保持样品的新鲜度，保持样品的生活状态，温度和压力的设置必须使样品所含游离水处于临界状态，即水分不蒸发也不凝结，但针对不同生物样品的温度与压力条件是不相同的，这需要在实践中摸索并积累经验。 (4)在低真空下工作时，注意摸索样品最佳的工作距离。若工作距离远了，信号接收效果差；距离过近，气流也会影响信号接收效果。 (5)由于在低真空下观察时，样品一般高物镜极靴较近，所以要求样品表面高度差不能太大，特别是大样品，以免在移动样品过程中碰到物镜极靴。 ( 参 考 文 献E1]袁莉民，蒋蘑履.现代科学仪器.2001，2：53 ) ( 作者简介：郑春明(1960一)，男，实验师，从事电子显微镜工 ) 环境扫描电子显微镜(ESEM)中所指的环境并非真正意义上的大气环境(760Torr)，与传统扫描电子显微镜(SEM)样品室高真空库相比，ESEM 样品室的真空度可以很低(约达 20 Torr)。ESEM 是在传统的SEM 样品室中多一个 GSED 探头，因此，它在传统的 SEM 基础上增添了新的功能。其主要的特点是，可以观察合适量水分的样品和非导体材料样品，比如植物的叶片、动物中的昆虫、作物的籽粒、含结晶水的固体材料等。