1. 原理和发展历程
电子显微镜是根据光学原理，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，电子显微镜的分辨率远远高于光学电子显微镜。
经过几十年的发展，电子显微镜的放大倍数由几万倍提高到几百万倍，已经能观测物体纳米尺度的形貌、物质成分和晶体结构信息。
电子显微镜的主要发展历程
2. 五种常用电子显微镜
(1)扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM），放大倍数介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析，扫描电子显微镜在岩土、石墨、陶瓷、纳米材料、半导体、医学、生物等领域有广泛应用，在科学研究领域具有重大作用。
扫描电子显微镜（SEM）工作原理图
SEM具有如下优点：①不用制作超薄切片，样品制备便捷（固定、干燥和喷金）；②图像景深较大、分辨率高成像直观、立体感强，放大倍数区间大（从几倍到几十万倍），且连续可调，二次电子像分辨率可达1nm。待测样品可在三维空间内调整，包括倾斜（0～90°）、转动（360°）；③无损扫描，配备X射线能谱仪，可同时形貌、结构、成分和晶体结构等信息；④可进行动态观测，如样品室能有控温、形变和刻蚀等附件，可以通过电视装置，观测物体的相变、断裂等动态变化过程。
1938由Albert von Ardenne开发的第一部扫描电子显微镜
SEM也具有一定的局限性，首先，被观测样品必须洁净干燥，含水样品不能在自然状态下被观察；其次，高能电子束打到物体表面时，对于导电的物体，电荷可经样品流入大地，如果样品不导电，电荷的积累会形成附加干扰电场，使成像信号变化，引起图像失真。
艾滋病毒SEM图
花粉SEM图
（2）环境扫描电子显微镜（ESEM）
环境扫描电子显微镜（ environmental scanning electron microscope, ESEM），是扫描电子显微镜的一个重要分支，可以在高真空条件下检测导电导热的干燥固体样品，还可以在低真空条件下检测非导电导热样品。
ESEM具有以下特点：①对于生物样品、含水含油样品，无须脱水和喷金处理，可在自然状态下直接观测二次电子图像、分析元素成分；②可以对各种固体和液体样品进行形貌观测及元素定量分析；③样品室内气压可大于水在常温下的饱和蒸气压，可以在-20℃～20℃观察物质的溶解、凝固、结晶等相变过程。
ESEM同样可以和X射线能谱仪配合，进行元素分析。
柠檬草叶中的真菌孢子
结晶聚苯乙烯乳胶ESEM图像
兰花花粉ESEM图像
（3）场发射扫描电子显微镜（FESEM）
场发射扫描电子显微镜（field emission electron microscope, FESEM），是一种用于捕获材料微观结构图像的先进技术。FESEM通常在高真空中进行，因为气体分子往往会干扰电子束以及用于成像的发射的二次电子和背散射电子。
分辨率与电子波长成反比关系，因此使用具有较短波长的电子可以获得更高的分辨率。典型的场发射电子显微镜使用的电子波长为几个皮米（10^-12m）量级，远小于可见光的波长（几百纳米量级），因此具有极高的分辨率。利用二次成像原理，可在镀膜或不镀膜的基础上，在低电压下直接观测生物样品，与高性能X射线能谱仪配合，可以对样品进行元素进行定性、定量分析。
FESEM 的显著特点之一是绝缘材料无需涂覆导电材料。
FESEM表面形貌成像分辨率约1nm～10nm。这使得可以观察到样品表面的微观形貌特征，如纳米结构、表面粗糙度等。
场发射扫描电子显微镜(FESEM)示意图
混合工艺纳米晶在不同放大倍数的场发射扫描电子显微镜(FESEM)显微照片
（4）透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM），把经加速的电子束透射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞改变方向从而产生立体角散射，散射角大小与样品密度、厚度相关，可以呈现明暗不同的影像，进而在成像元器件上显示出来。
TEM的分辨能力可达0.1～0.2nm，放大几万至几百万倍。TEM分辨率较高，可用于研究纳米材料的结晶过程、观察纳米粒子的形貌，是研究材料微观结构的重要手段。
用TEM观测样品时，需要对样品进行超薄切片处理，样本通常是厚度小于100 nm 的超薄切片或网格上的悬浮液，常用的切片手段有超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。
通过使用单色仪来克服球面像差，以在 5mm极片间隙下实现0.05nm的分辨率。
脊髓灰质炎病毒簇的TEM 图像，病毒直径为30nm
副痘病毒的三维TEM 图像
（5）扫描透射电子显微镜（STEM）
既有透射电子显微镜功能，又有扫描电子显微镜的功能。STEM用电子束在样品的表面扫描，通过电子穿透样品成像。STEM技术要求较高，要非常高的真空度，并且电子学系统比TEM和SEM都要复杂。
STEM加速电压低，对样品的电子损伤小，可显著提高图像的衬度，适合有机高分子、生物等软材料的透射分析。
透射电镜需要对样品染色才能获得结构信息，而STEM观察生物样品时，样品无须染色。
STEM可对样品同时进行二次电子扫描和透射像扫描，既可得到样品表面成像又可获得内部结构信息。
到 20 世纪 80 年代末和 90 年代初，STEM 技术的改进使得样品的成像分辨率优于 2 Å，这意味着可以对某些材料中的原子结构进行成像。
STEM主要部件和工作原理
Fe60Al40的STEM成像
（a, b）Cu/FDU-15-350在暗场和明场下的成像 ;（c, d）Cu/FDU-15-500在暗场和明场下的成像
总之，在选择电镜时，务必根据待测样品的材质属性和成像需求，充分调研电镜的功能，选择合适的电镜。
电子显微镜的主要性能指标
电镜产品更新较快，功能也日益强大，文中信息如果有谬误或者不当之处，欢迎大家批评指正。
参考资料：
[1]https://www.nanoscience.com/techniques/scanning-electron-microscopy/
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_transmission_electron_microscopy
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Environmental_scanning_electron_microscope
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
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[7]Tham, Allister, Gandhi Mathi,PraveenaJayaraman, JayaramaVenugopal, SeeramRamakrishna, and Dinesh Kumar Srinivasan. 2016. 'Minocycline Loaded Hybrid Composites Nanoparticles for Mesenchymal Stem Cells Differentiation into Osteogenesis', International Journal of Molecular Sciences, 17: 1222.
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