透射电镜制样(如何通俗地理解2017年诺贝尔化学奖得主的成就)
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2023-11-16
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1. 透射电镜制样,如何通俗地理解2017年诺贝尔化学奖得主的成就?
又是一年没有化学家的诺贝尔化学奖,由雅克·杜波切(Jacques Dubochet)、约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)、理查德·亨德森(Richard Henderson)三位生物学领域的科学家共享。
要说他们跟化学有什么关联吧,其实也有,他们的贡献对生物化学领域有举足轻重的地位。
三位科学先驱研发出用于溶液中生物分子结构高分辨率测定的冷冻电子显微镜,给结构生物学*领域带来了巨大的突破。
*注:结构生物学主要是用物理的手段,用X-射线晶体学,核磁共振波谱学,电镜技术等物理学技术来研究生物大分子的功能和结构.来阐明这些大分子相互作用中的机制。
获奖者的基本资料就不再赘述了,直接简单通俗地说说他们的贡献吧。
我们知道显微镜是生物学研究中最重要的工具之一,我们通过它了解生命的微观结构,光学显微镜在生物学发展过程中逐渐出现了瓶颈,很难看到更微观的生物大分子,例如蛋白质这类物质。
原因要从物理学层面解释,生物大分子的尺度一般在1-100纳米之间,而可见光的波长范围却在380-780纳米之间,这意味着可见光很容易绕过生物大分子,极限是0.2微米。
接下来更加先进的电子显微镜诞生了,用电子作为信号源事情就变得明朗多了,电子的波长能达到0.1纳米左右,接近原子的尺度。但对于生物学家来说新的问题又出现了。
电子显微镜要求在真空的状态下运行,可很多生物大分子都只能以水溶液的形式稳定存在,真空的状态下很难保证这些样品维持原来状态。
以至于电子显微镜最先在材料领域大放异彩,直到本年度的三位诺奖得主创造了一种新的冷冻电子显微技术。
图/采用传统负染技术制作的显微图像
雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森三位科学家找到了解决办法——冷冻电子显微镜。
三人对冷冻电镜的基本理论、重构算法和实验方面分别做出了卓越的贡献。
杜波切成功实现水的玻璃化——迅速将水冷却,让其先以液体状态将生物样本包裹,之后立刻变成固体,从而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形态。
图/采用冷冻电镜技术制作的高精度显微图像
弗兰克则让该项技术获得广泛应用。他开发出一种图像处理技术,能够分析电子显微镜生成的模糊2D图像,并将其合并,最终生成清晰的3D结构。
最终的突破由亨德森完成,他在1990年成功利用一台电子显微镜生成了一种蛋白质的3D图像,图像分辨率达到原子水平。
图/冷冻电镜下的蛋白质与寨卡病毒
冷冻电镜技术给结构生物学带来了新的突破,让生物学家们可以从更加高效地研究生物分子的奥秘,将生物化学带入了一个新时代。
可以这么说,三位物理功力深厚的教授为生物学领域做出了卓越贡献,最终获得了诺贝尔化学奖,但却实至名归。
2. 红外光谱与拉曼光谱的原理分别是什么?
红外光谱测定的是样品的透射光谱。当红外光穿过样品时,样品分子基团吸收红外光产生振动,得到红外吸收光谱。拉曼光谱测定的是样品的发射光谱。当单色激光照射在样品上时,产生拉曼散射,检测器检测到的是拉曼散射光。拉曼光谱与红外光谱信息互补拉曼光谱可提供低频模式的信息拉曼光谱可分析水溶液共聚焦显微技术,空间分辨率可达1μm制样简单,可透过玻璃样品池或塑料包装直接分析可配置光纤探头进行远程分析(光纤长可达100米)
3. tem铜网和微栅区别?
tem铜网平常做透射电镜所用的铜网,即为承载样品的载网。载网若是铜材质,就称铜网,如果是镍、钼、金、尼龙,就相应的称镍网、钼网、金网、尼龙网。铜网也称“裸网”。主要应用在生物制样中,可配合切片机,在水槽中用“裸网”捞取样品。再进行喷碳处理,然后进入电镜观察。
微栅支持膜微栅是支持膜的一个品种,它是在制作支持膜时,特意在膜上制作的微孔,所以也叫“微栅支持膜”,它也是经过喷碳的支持膜,一般膜厚度为15-30nm。它主要是为了能够使样品搭载在支持膜微孔的边缘,以便使样品“无膜”观察。无膜的目的主要是为了提高图像衬度。
所以,观察管状、棒状、纳米团聚物等,常用“微栅”支持膜,效果很好。特别是观察这些样品的高分辨像时,更是最佳的选择。
测试中捞样品常用的有碳支持膜和小孔微栅,小孔微栅上其实也有一层超薄的碳膜。拍高分辨的,试样的厚度最好要控制在20nm以下,所以一般直径小于20nm的粉体才直接捞,颗粒再大则是包埋后离子减薄。
超薄碳膜也是支持膜的一种。它是在微栅的基础上,叠加了一层很薄的碳膜,一般3-5nm。这层超薄碳膜的目的,是用薄碳膜把微孔挡住。既然微栅观察效果最好,为什么还要把孔挡住呢?这主要是针对那些分散性很好的纳米材料,如:10nm以下的样品,分散性极好的样品。
4. 扫描电镜和透射电镜有什么区别?
1、结构差异:主要体现在样品在电子束光路中的位置不同。透射电镜的样品在电子束中间,电子源在样品上方发射电子,经过聚光镜,然后穿透样品后,有后续的电磁透镜继续放大电子光束,最后投影在荧光屏幕上;扫描电镜的样品在电子束末端,电子源在样品上方发射的电子束,经过几级电磁透镜缩小,到达样品。当然后续的信号探测处理系统的结构也会不同,但从基本物理原理上讲没什么实质性差别。
相同之处:都是电真空设备,使用绝大部分部件原理相同,例如电子枪,磁透镜,各种控制原理,消象散,合轴等等。
2、基本工作原理:透射电镜:电子束在穿过样品时,会和样品中的原子发生散射,样品上某一点同时穿过的电子方向是不同,这样品上的这一点在物镜1-2倍焦距之间,这些电子通过过物镜放大后重新汇聚,形成该点一个放大的实像,这个和凸透镜成像原理相同。
这里边有个反差形成机制理论比较深就不讲,但可以这么想象,如果样品内部是绝对均匀的物质,没有晶界,没有原子晶格结构,那么放大的图像也不会有任何反差,事实上这种物质不存在,所以才会有这种牛逼仪器存在的理由。经过物镜放大的像进一步经过几级中间磁透镜的放大(具体需要几级基本上是由电子束亮度决定的,如果亮度无限大,最终由阿贝瑞利的光学仪器分辨率公式决定),最后投影在荧光屏上成像。
由于透射电镜物镜焦距很短,也因此具有很小的像差系数,所以透射电镜具有非常高的空间分辨率,0.1-0.2nm,但景深比较小,对样品表面形貌不敏感,主要观察样品内部结构。扫描电镜:电子束到达样品,激发样品中的二次电子,二次电子被探测器接收,通过信号处理并调制显示器上一个像素发光,由于电子束斑直径是纳米级别,而显示器的像素是100微米以上,这个100微米以上像素所发出的光,就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。
如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描,并且从几何排列上一—对应调制显示器的像素的亮度,便实现这个样品区域的放大成像。具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙,一般要求较大工作距离,这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长,相应的相差系数较大,造成最小束斑尺寸下的亮度限制,系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长,图像景深比透射电镜高的多,主要用于样品表面形貌的观察,无法从表面揭示内部结构,除非破坏样品,例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM,可以层层观察内部结构。透射电镜和扫描电镜二者成像原理上根本不同。透射电镜成像轰击在荧光屏上的电子是那些穿过样品的电子束中的电子,而扫描电镜成像的二次电子信号脉冲只作为传统CTR显示器上调制CRT三极电子枪栅极的信号而已。透射电镜我们可以说是看到了电子光成像,而扫描电镜根本无法用电子光路成像来想象。
3、样品制备:TEM:电子的穿透能力很弱,透射电镜往往使用几百千伏的高能量电子束,但依然需要把样品磨制或者离子减薄或者超薄切片到微纳米量级厚度,这是最基本要求。透射制样是学问,制样好坏很多情况要靠运气,北京大学物理学院电子显微镜实验室,制样室都贴着制样过程规范,结语是祝你好运。
5. sem和tem的mapping有什么区别?
一、性质不同
1、SEM:根据用户使用搜索引擎的方式利用用户检索信息的机会尽可能将营销信息传递给目标用户。
2、TEM:把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上,电子与样品中的原子碰撞而改变方向,从而产生立体角散射。
二、原理不同
1、TEM
(1)吸收像:当电子被发射到高质量和高密度的样品时,主要的相位形成是散射。当样品的质量和厚度较大时,电子的散射角较大,通过的电子较小,图像的亮度较暗。早期透射电子显微镜(TEM)就是基于这一原理。
(2)衍射像:电子束被样品衍射后,样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分的不同衍射能力。当出现晶体缺陷时,缺陷部分的衍射能力与整个区域的衍射能力不同,使得衍射波的振幅分布不均匀,反映了晶体缺陷的分布。
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1. 透射电镜制样,如何通俗地理解2017年诺贝尔化学奖得主的成就?
又是一年没有化学家的诺贝尔化学奖,由雅克·杜波切(Jacques Dubochet)、约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)、理查德·亨德森(Richard Henderson)三位生物学领域的科学家共享。
要说他们跟化学有什么关联吧,其实也有,他们的贡献对生物化学领域有举足轻重的地位。
三位科学先驱研发出用于溶液中生物分子结构高分辨率测定的冷冻电子显微镜,给结构生物学*领域带来了巨大的突破。
*注:结构生物学主要是用物理的手段,用X-射线晶体学,核磁共振波谱学,电镜技术等物理学技术来研究生物大分子的功能和结构.来阐明这些大分子相互作用中的机制。
获奖者的基本资料就不再赘述了,直接简单通俗地说说他们的贡献吧。
我们知道显微镜是生物学研究中最重要的工具之一,我们通过它了解生命的微观结构,光学显微镜在生物学发展过程中逐渐出现了瓶颈,很难看到更微观的生物大分子,例如蛋白质这类物质。
原因要从物理学层面解释,生物大分子的尺度一般在1-100纳米之间,而可见光的波长范围却在380-780纳米之间,这意味着可见光很容易绕过生物大分子,极限是0.2微米。
接下来更加先进的电子显微镜诞生了,用电子作为信号源事情就变得明朗多了,电子的波长能达到0.1纳米左右,接近原子的尺度。但对于生物学家来说新的问题又出现了。
电子显微镜要求在真空的状态下运行,可很多生物大分子都只能以水溶液的形式稳定存在,真空的状态下很难保证这些样品维持原来状态。
以至于电子显微镜最先在材料领域大放异彩,直到本年度的三位诺奖得主创造了一种新的冷冻电子显微技术。
图/采用传统负染技术制作的显微图像
雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森三位科学家找到了解决办法——冷冻电子显微镜。
三人对冷冻电镜的基本理论、重构算法和实验方面分别做出了卓越的贡献。
杜波切成功实现水的玻璃化——迅速将水冷却,让其先以液体状态将生物样本包裹,之后立刻变成固体,从而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形态。
图/采用冷冻电镜技术制作的高精度显微图像
弗兰克则让该项技术获得广泛应用。他开发出一种图像处理技术,能够分析电子显微镜生成的模糊2D图像,并将其合并,最终生成清晰的3D结构。
最终的突破由亨德森完成,他在1990年成功利用一台电子显微镜生成了一种蛋白质的3D图像,图像分辨率达到原子水平。
图/冷冻电镜下的蛋白质与寨卡病毒
冷冻电镜技术给结构生物学带来了新的突破,让生物学家们可以从更加高效地研究生物分子的奥秘,将生物化学带入了一个新时代。
可以这么说,三位物理功力深厚的教授为生物学领域做出了卓越贡献,最终获得了诺贝尔化学奖,但却实至名归。
2. 红外光谱与拉曼光谱的原理分别是什么?
红外光谱测定的是样品的透射光谱。当红外光穿过样品时,样品分子基团吸收红外光产生振动,得到红外吸收光谱。拉曼光谱测定的是样品的发射光谱。当单色激光照射在样品上时,产生拉曼散射,检测器检测到的是拉曼散射光。拉曼光谱与红外光谱信息互补拉曼光谱可提供低频模式的信息拉曼光谱可分析水溶液共聚焦显微技术,空间分辨率可达1μm制样简单,可透过玻璃样品池或塑料包装直接分析可配置光纤探头进行远程分析(光纤长可达100米)
3. tem铜网和微栅区别?
tem铜网平常做透射电镜所用的铜网,即为承载样品的载网。载网若是铜材质,就称铜网,如果是镍、钼、金、尼龙,就相应的称镍网、钼网、金网、尼龙网。铜网也称“裸网”。主要应用在生物制样中,可配合切片机,在水槽中用“裸网”捞取样品。再进行喷碳处理,然后进入电镜观察。
微栅支持膜微栅是支持膜的一个品种,它是在制作支持膜时,特意在膜上制作的微孔,所以也叫“微栅支持膜”,它也是经过喷碳的支持膜,一般膜厚度为15-30nm。它主要是为了能够使样品搭载在支持膜微孔的边缘,以便使样品“无膜”观察。无膜的目的主要是为了提高图像衬度。
所以,观察管状、棒状、纳米团聚物等,常用“微栅”支持膜,效果很好。特别是观察这些样品的高分辨像时,更是最佳的选择。
测试中捞样品常用的有碳支持膜和小孔微栅,小孔微栅上其实也有一层超薄的碳膜。拍高分辨的,试样的厚度最好要控制在20nm以下,所以一般直径小于20nm的粉体才直接捞,颗粒再大则是包埋后离子减薄。
超薄碳膜也是支持膜的一种。它是在微栅的基础上,叠加了一层很薄的碳膜,一般3-5nm。这层超薄碳膜的目的,是用薄碳膜把微孔挡住。既然微栅观察效果最好,为什么还要把孔挡住呢?这主要是针对那些分散性很好的纳米材料,如:10nm以下的样品,分散性极好的样品。
4. 扫描电镜和透射电镜有什么区别?
1、结构差异:主要体现在样品在电子束光路中的位置不同。透射电镜的样品在电子束中间,电子源在样品上方发射电子,经过聚光镜,然后穿透样品后,有后续的电磁透镜继续放大电子光束,最后投影在荧光屏幕上;扫描电镜的样品在电子束末端,电子源在样品上方发射的电子束,经过几级电磁透镜缩小,到达样品。当然后续的信号探测处理系统的结构也会不同,但从基本物理原理上讲没什么实质性差别。
相同之处:都是电真空设备,使用绝大部分部件原理相同,例如电子枪,磁透镜,各种控制原理,消象散,合轴等等。
2、基本工作原理:透射电镜:电子束在穿过样品时,会和样品中的原子发生散射,样品上某一点同时穿过的电子方向是不同,这样品上的这一点在物镜1-2倍焦距之间,这些电子通过过物镜放大后重新汇聚,形成该点一个放大的实像,这个和凸透镜成像原理相同。
这里边有个反差形成机制理论比较深就不讲,但可以这么想象,如果样品内部是绝对均匀的物质,没有晶界,没有原子晶格结构,那么放大的图像也不会有任何反差,事实上这种物质不存在,所以才会有这种牛逼仪器存在的理由。经过物镜放大的像进一步经过几级中间磁透镜的放大(具体需要几级基本上是由电子束亮度决定的,如果亮度无限大,最终由阿贝瑞利的光学仪器分辨率公式决定),最后投影在荧光屏上成像。
由于透射电镜物镜焦距很短,也因此具有很小的像差系数,所以透射电镜具有非常高的空间分辨率,0.1-0.2nm,但景深比较小,对样品表面形貌不敏感,主要观察样品内部结构。扫描电镜:电子束到达样品,激发样品中的二次电子,二次电子被探测器接收,通过信号处理并调制显示器上一个像素发光,由于电子束斑直径是纳米级别,而显示器的像素是100微米以上,这个100微米以上像素所发出的光,就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。
如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描,并且从几何排列上一—对应调制显示器的像素的亮度,便实现这个样品区域的放大成像。具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙,一般要求较大工作距离,这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长,相应的相差系数较大,造成最小束斑尺寸下的亮度限制,系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长,图像景深比透射电镜高的多,主要用于样品表面形貌的观察,无法从表面揭示内部结构,除非破坏样品,例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM,可以层层观察内部结构。透射电镜和扫描电镜二者成像原理上根本不同。透射电镜成像轰击在荧光屏上的电子是那些穿过样品的电子束中的电子,而扫描电镜成像的二次电子信号脉冲只作为传统CTR显示器上调制CRT三极电子枪栅极的信号而已。透射电镜我们可以说是看到了电子光成像,而扫描电镜根本无法用电子光路成像来想象。
3、样品制备:TEM:电子的穿透能力很弱,透射电镜往往使用几百千伏的高能量电子束,但依然需要把样品磨制或者离子减薄或者超薄切片到微纳米量级厚度,这是最基本要求。透射制样是学问,制样好坏很多情况要靠运气,北京大学物理学院电子显微镜实验室,制样室都贴着制样过程规范,结语是祝你好运。
5. sem和tem的mapping有什么区别?
一、性质不同
1、SEM:根据用户使用搜索引擎的方式利用用户检索信息的机会尽可能将营销信息传递给目标用户。
2、TEM:把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上,电子与样品中的原子碰撞而改变方向,从而产生立体角散射。
二、原理不同
1、TEM
(1)吸收像:当电子被发射到高质量和高密度的样品时,主要的相位形成是散射。当样品的质量和厚度较大时,电子的散射角较大,通过的电子较小,图像的亮度较暗。早期透射电子显微镜(TEM)就是基于这一原理。
(2)衍射像:电子束被样品衍射后,样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分的不同衍射能力。当出现晶体缺陷时,缺陷部分的衍射能力与整个区域的衍射能力不同,使得衍射波的振幅分布不均匀,反映了晶体缺陷的分布。
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