透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，简称 TEM）作为现代材料科学、生命科学及纳米技术研究中最重要的分析工具之一，凭借其高分辨率成像能力，在结构表征与成分分析方面发挥着不可替代的作用。本文将系统介绍 TEM 的测试原理、样品制备方法以及测试过程中需要关注的注意事项，为科研人员及工程技术人员提供一个全面的参考。
一、TEM 测试原理
1. 基本成像原理
TEM 的工作原理是利用高能电子束（通常加速电压在 80–300 kV）穿透超薄样品，并通过与样品原子发生相互作用（包括弹性散射和非弹性散射）来获得图像或衍射信息。
-
弹性散射：电子与样品中原子核或内层电子发生库仑相互作用，能量损失极小。其结果是形成衍射斑点与晶体结构相关。
-
非弹性散射：电子与外层电子相互作用，能量发生转移。该过程为电子能谱分析（EELS）和能谱成像（EDS）提供信息。
TEM 通过物镜将透射的电子束聚焦在像平面上，经过中间镜和投影镜系统放大后，最终在荧光屏或 CCD 相机上形成高分辨率图像。根据成像模式的不同，TEM 主要分为以下几类：
-
明场像（BF）：利用直接透射电子形成图像，常用于观察样品的整体形貌和缺陷。
-
暗场像（DF）：利用衍射电子形成图像，可突出显示特定晶向或晶粒。
-
高分辨率（HRTEM）：能够直接观察原子排列。
-
扫描透射模式（STEM）：电子束以探针形式逐点扫描，结合探测器可实现原子级分辨率以及元素分布分析。
2. 衍射与谱学分析
除了成像功能，TEM 还可以通过选区电子衍射（SAED）获取晶体结构信息，通过能谱（EDS）分析元素组成，通过电子能量损失谱（EELS）获取化学键和价态信息。因此，TEM 是结构分析与成分分析相结合的重要工具。
晶格条纹和衍射
二、TEM 样品制备
TEM 的样品要求极高，这是因为电子束在样品中的穿透深度有限。通常要求样品厚度在 几十纳米到一百纳米 左右，否则电子难以透过，导致图像质量下降。
1. 固体材料样品制备
对于金属、陶瓷、半导体等固体材料，常用的制备方法包括：
-
机械研磨与离子减薄：先将材料切割、打磨至几十微米厚度，再通过 Ar 离子减薄至纳米级。
-
超薄切片法（Ultramicrotomy）：用于聚合物或生物样品，通过超薄切片机切出 50–100 nm 的切片。
-
FIB（聚焦离子束）制样：通过 Ga 离子束精确切割和减薄，适用于需要定点分析的区域（如界面、缺陷）。
2. 粉末与纳米材料
粉末或纳米颗粒的 TEM 制备相对简单，但为了保证分散性和成像质量，需要遵循一定步骤：
-
样品分散：取少量粉末样品，置于清洁烧杯或离心管中。
-
溶剂选择：常用无水乙醇、异丙醇或去离子水作为分散介质，具体选择取决于样品的化学性质和稳定性。
-
超声处理：将样品超声分散 10–30 分钟，使粉末均匀分散，避免团聚。
-
滴加样品：用微量移液器吸取分散液，滴加在镀有碳膜的铜网格上（TEM 网格）。
-
干燥过程：自然干燥或在真空干燥箱中低温干燥，避免溶剂残留对成像的干扰。
在此过程中应避免浓度过高，以免造成样品堆叠影响电子透射。
3. 生物样品制备
生物样品如蛋白质、病毒、细胞及组织，由于其柔软性和对电子束极度敏感的特性，对制样提出了更高的要求。其目标是尽可能保持原生结构和功能状态。
常见制样方法包括：
-
化学固定：使用戊二醛、四氧化锇等固定剂处理样品，以稳定细胞结构并增强电子对比度。
-
包埋与切片：将样品包埋在环氧树脂或其他适合的树脂中，通过超薄切片机切出厚度约 50–100 nm 的切片，并将其放置在铜网格上。
-
负染色法：适用于病毒颗粒、蛋白质复合物等小分子结构。通过磷钨酸、醋酸铀等重金属染色剂增加电子散射对比度，突出样品形态。
-
冷冻电镜（Cryo-TEM）：目前生物样品研究的主流方法。将样品快速冷冻至液氮温度（−196 ℃），使水分形成非晶态冰，从而避免冰晶对结构的破坏。Cryo-TEM 可以在接近原生状态下观察生物大分子三维结构，是结构生物学的关键技术。
-
冷冻切片法（Cryo-sectioning）：对于细胞或组织样品，可在低温下切片，结合冷冻电镜进行观察。
需要特别注意的是，生物样品极易受到电子束辐照损伤，因此在测试过程中必须控制剂量，采用低剂量成像策略，并配合先进的探测器与图像处理方法以保证数据质量。
细胞线粒体
三、TEM 测试注意事项
1. 样品方面
-
厚度控制：厚度过大会造成电子无法透过，导致图像对比度下降；过薄则样品易损伤，难以保持结构稳定。
-
清洁度：表面污染或残留溶剂会引起电子束污染，影响成像质量。
-
导电性：非导电样品容易积累电荷，需进行碳或金喷镀处理，或在低剂量条件下测试。
2. 操作条件
-
加速电压选择：常见为 200 kV 或 300 kV。高电压有利于穿透厚样品，但可能引起辐射损伤；低电压则更适合敏感材料。
-
电子束剂量控制：生物样品、聚合物等易受辐照损伤，需要低剂量成像技术。
-
成像模式选择：根据研究目标选择明场、暗场、高分辨或 STEM 模式，并结合 EDS/EELS 获取综合信息。
3. 数据分析
-
像差校正：现代 TEM 常配置像差校正器，可显著提升分辨率，但需熟练掌握对准与校正过程。
-
定量分析：EDS 和 EELS 需注意探测器灵敏度与采集条件，避免因统计不足或谱峰重叠造成误判。
-
图像处理：HRTEM 图像需经过傅里叶变换、反卷积等处理，方能提取准确信息。
四、TEM 在科研与应用中的价值
-
材料科学：用于研究晶界、位错、相变、纳米颗粒分布等。
-
半导体工业：分析芯片横截面、缺陷位置与界面结构。
-
新能源领域：研究电池电极材料的结构演化。
-
生物学：冷冻电镜在解析蛋白质三维结构方面已成为主流手段。
TEM图片及Mapping
五、总结
TEM 测试是一项技术要求极高的分析手段，其核心在于 样品的制备 与 测试条件的优化。研究人员在使用 TEM 时，需要根据样品性质与研究目的选择合适的制样方法、成像模式与分析手段，并严格控制测试过程中的各种条件。只有这样，才能充分发挥 TEM 的超高分辨率优势，获得可靠、精确的科学数据。
透射电子显微镜不仅是“看见原子”的利器，更是现代科学技术发展中不可或缺的重要工具。随着像差校正技术与冷冻电镜的发展，TEM 的应用范围正不断扩展，其在纳米科技、能源材料、生命科学等领域的作用将愈发重要。
本文源自微信公众号：迅迪实验室
原文标题：《透射电子显微镜（TEM）测试全解读：原理、样品制备与注意事项（含生物TEM）》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XddpJp_AAPyze3XlrVA7Og
本转载仅出于分享优质测试干货，旨在传递更多观点，并不代表赞同其全部观点或证实其内容的真实性。文章中所包含的图片、音频、视频等素材的版权均归原作者所有。如有侵权请告知删除。
