四大电镜怎么选？TEM/SEM/STEM/Cryo-EM 技术对比与选型指南

根据成像原理、电子束与样品的相互作用方式及应用场景，电子显微镜可分为四大核心类别：透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）及冷冻电子显微镜（Cryo-EM）。

图1 一些典型的TEM仪器图像。

此外，还有聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）、环境扫描电子显微镜（ESEM）、原位透射电子显微镜（in-situ TEM）、球差校正电镜（AC-TEM）等衍生类型，均基于核心技术优化适配特定观测需求。

各类电子显微镜的核心共性原理是利用电子的波粒二象性，通过电子枪产生电子束，经电磁透镜聚焦后与样品相互作用，再通过信号探测与放大系统形成图像。

不同类型的核心原理差异体现在电子束与样品的作用方式及信号利用上：

TEM通过加速后的电子束穿透薄样品，电子束因样品不同区域的原子序数、厚度差异发生不同程度的散射，散射电子经物镜、中间镜、投影镜聚焦后在荧光屏或探测器上成像，图像对比度反映样品内部结构差异。

图2 加速电压和样品材料原子序数对初级电子穿透深度的影响。

原位TEM则在常规TEM原理基础上，增加了原位样品调控模块，如高温台、低温台、电化学池、拉伸台、光照模块等，可在精准控制的温度、电压、应力、气氛下，实时捕捉电子束穿透样品过程中的信号变化。

SEM通过聚焦电子束在样品表面逐点扫描，激发样品产生二次电子、背散射电子等信号，信号强度随样品表面形貌、成分变化而改变，经探测器收集放大后形成反映表面形貌的图像。

STEM结合了两者特点，电子束聚焦成纳米级探针扫描样品，同时探测穿透样品的透射电子，可实现原子尺度的元素分析与结构观测。

Cryo-EM的核心是将样品快速冷冻至液氮温度（-196℃），减少电子束对生物大分子的损伤，同时保留其天然构象，再通过TEM成像与三维重构技术解析大分子结构。

图3 冷冻电镜单颗粒分析技术。DOI：10.1021/cr100353t

TEM的核心技术特点是高分辨率与高放大倍数，目前商业化TEM的点分辨率可达到0.1nm以下，放大倍数最高可达10⁶倍以上，能够直接观测到原子排列、晶格缺陷等微观结构。

其成像模式丰富，包括明场成像、暗场成像、高分辨透射电镜（HRTEM）成像、选区电子衍射（SAED）等，可同时实现结构观测与晶体结构分析。

图4 日立 H-900 型超高真空透射电镜示意图。

TEM的样品要求较为严格，样品需制备成厚度100nm以下的薄片，且需具备电子透明度与真空耐受性，因此样品制备过程复杂，需通过切片、离子减薄、超薄切片等技术处理。

此外，TEM的加速电压范围较广（80kV-300kV，甚至更高），高加速电压可提升电子穿透能力，适用于较厚或高原子序数的样品，但对生物样品的损伤较大。

图5 不同网孔尺寸和形状的多种样品载网。

SEM的核心优势是样品适用性广、成像景深大，可观测从纳米级到毫米级的表面形貌，图像立体感强，能清晰呈现样品的三维表面结构。其分辨率虽低于TEM，商业化SEM的二次电子分辨率可达1nm左右（高分辨SEM可达到0.5nm），放大倍数范围为10-10⁵倍，覆盖从宏观到微观的观测需求。

SEM的样品制备相对简单，固体样品无需超薄处理，仅需进行干燥、导电处理（非导电样品需喷涂金、碳等导电层）即可观测。

其信号采集模式多样，除二次电子成像外，还可通过背散射电子成像、X射线能谱分析等模式，同步获取样品的形貌与成分信息。

图6 透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）基本组成部件的示意图。DOI：10.1038/npg.els.0002640

STEM的核心特点是兼具TEM的高分辨率与SEM的扫描成像优势，电子束聚焦成纳米级探针扫描样品，同时探测穿透样品的透射电子（明场、暗场）与散射电子，可实现原子尺度的结构观测与元素分析。

STEM的样品要求与TEM类似，需制备成超薄薄片，但因其采用扫描模式，电子束剂量可精准控制，对样品的损伤相对较小，适用于敏感材料的原子尺度分析。此外，STEM可与EDS、电子能量损失谱（EELS）等技术联用，在同一区域同步获取结构信息与元素价态信息，为材料的结构–性能关联分析提供全面数据支撑。

图7 DPC-STEM 技术 的物理原理与实现方式。

Cryo-EM的核心技术特点是通过快速冷冻技术保留生物大分子的天然构象，避免传统染色、干燥过程对样品结构的破坏。

其本质是低温环境下的TEM，样品被冷冻在玻璃化冰中，通过电子束成像与三维重构技术，解析生物大分子（如蛋白质、核酸、病毒）的高分辨率三维结构，目前单颗粒冷冻电镜的分辨率可达到0.15nm，接近原子分辨率。

Cryo-EM的样品制备关键是“玻璃化冷冻”，需将生物大分子溶液快速冷冻（冷却速率＞10⁴℃/s），确保水分子来不及形成晶体。其成像过程需在液氮温度下进行，减少电子束对生物样品的辐射损伤，同时通过大量图像采集与计算重构，消除样品的随机取向影响。

与X射线晶体衍射相比，Cryo-EM无需制备晶体，适用于难以结晶的生物大分子，显著拓展了生物结构解析的范围。

图8 负染色与冷冻电镜样品制备示意图。DOI：10.1021/cr100353t

常规TEM、STEM、原位TEM均能实现原子尺度观测，均以静态观测为主，无法实现真实反应条件的模拟，其中原位TEM的动态分辨率略低于静态TEM，工况调控能力是原位TEM的核心差异化指标；

放大倍数范围排序为：球差校正TEM/STEM＞TEM≈原位TEM＞STEM＞SEM＞Cryo-EM，球差电镜的最高放大倍数可达10⁷倍，能清晰呈现原子级的微观细节；

图9 透镜像差的射线追迹示意图：(a) 完美透镜，(b) 球差，(c) 色差，(d) 像散。DOI：10.1021/cr100353t

电子显微镜的选型需遵循“需求导向”原则，核心逻辑如下：

1）先明确观测目标：是表面形貌还是内部结构？是宏观观测还是原子级解析？是材料样品还是生物样品？再匹配对应的技术类型。

例如，若需观测金属材料的断裂面形貌，优先选择SEM；若需分析纳米颗粒的晶格结构，选择TEM或STEM；若需解析蛋白质的天然构象，则必须使用Cryo-EM。

2）考虑样品制备难度、测试成本与效率。

SEM的样品制备简单、测试效率高，适合批量样品的常规检测；TEM与STEM的样品制备复杂、测试周期长，适合高精度的科研分析；Cryo-EM的测试成本高，适合生物大分子结构解析的前沿研究。

3）关注设备的配套技术，如是否联用EDS、EELS等，确保能满足多维度的表征需求。

【高端测试 找华算】

华算科技是专业的科研解决方案服务商，精于高端测试。拥有10余年球差电镜拍摄经验与同步辐射三代光源全球机时，500+博士/博士后团队护航，保质保量！

🏅已助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！