材料小博士:掃描電鏡有多強大?連口罩下的新冠病毒也無所遁形

2020-12-06 材料小博士

新冠肺炎是一種讓國民聞風喪膽的病毒,它不僅會損害患者的肺,還會破壞免疫系統,心臟、腎臟等其他器官也會受累。新冠肺炎逝者肺部切面會出現黏液性分泌物,有些患者的肺部甚至嚴重纖維化。這病毒使人聞風喪膽,我們的肉眼卻看不到它,但它可以暴露在掃描電鏡下。

上圖就是掃描電子顯微鏡下的冠狀病毒,在掃描電子顯微鏡下,這種極小的病毒就無處隱藏,只能赤裸裸地暴露在視野中。

那什麼是掃描電子顯微鏡?它的工作原理是什麼呢?

掃描電子顯微鏡是很先進的一種電子光學儀器,它採用細聚焦高壓電子束在材料樣品表面掃描時激發產生的某些物理信號來調製成像,類似於電視攝影的顯像方式,有很大的景深(指在攝影機鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前後距離範圍),視野大,成像富有立體感,可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構,放大倍數遠遠超過普通光學顯微鏡,可達到幾十萬倍甚至更高。

因此,掃描電鏡是當今十分重要的科學研究儀器之一。它大致上分成五個種類:分析掃描電鏡和X射線能譜儀、場發射槍掃描電鏡和低壓掃描電鏡、X射線波譜儀和電子探針儀、超大試樣室掃描電鏡和環境掃描電鏡。

它的工作原理是用一束極細的電子束來掃描樣品,在樣品表面激發出次級電子,次級電子的多少與電子束入射角有關,也就是說與樣品的表面結構有關,次級電子由探測體收集,並在那裡被閃爍器轉變為光信號,再經光電倍增管和放大器轉變為電信號來控制螢光屏上電子束的強度,顯示出與電子束同步的掃描圖像。

掃描電子顯微鏡除了能看清新冠病毒,還有哪些應用呢?

掃描電子顯微鏡不僅能幫助我們看清新冠病毒的樣子,還可用於各種樣品顯微結構的觀察與分析、納米尺寸的研究等,結合能譜儀(EDS)等,還可以用於元素的定性和定量分析,並可分析樣品微區的化學成分。因此,它在生物、醫學、材料、化學等領域上有著廣泛的應用。

在植物學上,可用於植物分類和植物育種~

植物分類:應用掃描電鏡對植物次生木質部微觀結構的觀察,可以發現紋孔上附物的有無以及附物的大小、形狀和分布等可作為植物系統演化的依據。附物紋孔被認為對界定高等級分類類群具有重要的意義。

植物育種:應用掃描電鏡觀察低能氮離子注入植物種子後表面細胞結構的變化,說明氮離子注入植物種子表面細胞的損傷情況,從而闡述氮離子注入的直接作用和揭示離子束誘變育種的機理。

動物學:應用掃描電鏡技術研究動物的超微形態結構,對其分類學、生理學、病理學等基礎學科以及資料利用、動植物蟲害防治等具有重要意義。

醫學:在醫學中掃描電鏡技術已經從基礎研究發展到疾病模型、培養細胞或組織鑑定、傷情診斷、藥理作用與效果觀察、疑難病症的電鏡診斷等。掃描電鏡技術在醫學形態學的研究中已成為不可缺少的科研工具與手段。

材料學:應用掃描電鏡對晶體材料進行結構分析。用 EBSD 做電子衍射花樣,由於電子衍射花樣是由晶體的結構和位相決定的,因此用它可以測定晶體的結構,進行單晶的定向以及研究外延層和基體的關係。在檢測領域,掃描電鏡常被用來檢查晶體的缺陷,如在表面機械加工中造成的損傷。

掃描電子顯微鏡與其他設備組合廣泛應用於設備失效分析,是開展失效分析的關鍵設備。

比如汽機檢修,可以利用掃描電鏡及能譜儀,對汽機葉片的斷口形貌和表面物質進行分析。結合斷口形貌和設備環境,可以分析到葉片應力腐蝕開裂的原因,從而改善措施,為企業挽回經濟損失。

此外,藉助掃描電鏡,我們還可以看到很多我們平時看不到的微觀世界。

掃描電鏡作為重要的科研和檢測設備,雖然功能強大,用途廣泛,但必須要由專業機構使用它來進行研究、檢測分析,這樣數據才能更精確。

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