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嘿，朋友们！下面，我要向你们介绍一个超级酷的科学仪器——扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）！它就像是一个拥有神奇之眼的微观探险家，能够带我们进入令人惊叹的微小世界。
在正式介绍扫描电镜之前，先回顾一下早期探索微观世界的工具——显微镜。显微镜是一种放大工具，可以把微观世界展现到人眼分辨率可以接收的程度。早期的显微镜可以追溯到 16 世纪，当时的显微镜较为简单，分辨率有限。在 17 世纪，荷兰科学家安东尼?列文虎克制造了更高质量的显微镜，他的发现对生物学和医学领域产生了重要影响。19 世纪，显微镜技术得到了进一步改进，光学显微镜的分辨率不断提高。比如，金相显微镜能够提供高放大倍数和分辨率，观察微小的组织结构和缺陷，分析金属的组织结构、晶粒大小、相组成等。但是，按照光学理论，波长越短，分辨率越高；传统的光学显微镜受到可见光（照明光源）波长的限制，显微镜的分辨率存在极限，也就是不能继续无限放大了。
要知道，人眼的分辨率极限是200μm，也就是200000nm。光学显微镜的分辨率极限是0.2μm，也就是200nm。那有没有更细致的观察工具呢？这个时候，电子显微镜就“横空出世”了。电子显微镜利用波长极短的高能电子束代替可见光作为照明光源，与电磁透镜组合，构成了更高分辨率和更高放大倍率的成像系统。现代的扫描电镜的放大率已经能够达到0.2nm甚至更高，已经超出光学显微镜1000倍以上了。
扫描电镜视角下的药品颗粒
扫描电镜的观察方式是通过电子枪发射出电子经加速电场形成高能电子束，在扫描电圈的磁场作用下，以规律的时间和空间顺序对样品进行逐行扫描，随后利用探测器形成图像，因此被称为扫描电子显微镜，简称扫描电镜。
想象一下，扫描电镜就像是一个超级厉害的电子束魔法师。它会发出一束束细小而强大的电子束，就像小精灵一样，欢快地在样品表面跳跃舞蹈。当电子束与样品相遇时，会发生相互作用而产生各种有趣的信号。包括二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线和不同能量的光子等，这些信号来自样品中的特定区域，分别利用探测器接收，可以提供样品的各种信息，用于研究材料的微观形貌、晶体学特征和微区化学成分等。
这当中最有趣的要数“二次电子”了，“二次电子”是入射电子与样品原子核外电子相互作用，使核外电子电离所造成。尤其是样品表层电子与原子核结合力较弱，被大量电离形成自由电子，这些自由电子只要克服材料的逸出功，就能离开样品，称为“二次电子”。“二次电子”能够被“感知”（被探测器检测到），它们就像是样品表面的小信使，告诉我们关于样品形貌和结构的秘密。“背散射电子”是入射电子进入样品后被样品中原子核“弹”射出来的少数电子，“弹”射受到样品表面材质的影响，能够反映样品区域内的形貌和成分信息。“俄歇电子”是材料表面化学分析的主要信号，特征X射线携带样品化学成分信息。此外，还有吸收电子、透射电子、连续谱X射线、阴极荧光、二次荧光等很多有价值的线索和信息，都值得细心的捕捉和分析。总之，这些信号被检测器收集并转化为图像，从而提供样品表面的形貌和结构信息，甚至是样品的化学成分信息。
高能电子束在击发到样品表面之前，如果撞在空气分子上，会被空气中的分子吸收或散射，就不能准确的直射和聚焦，也就不能保证成像的分辨率。因此，扫描电镜的镜筒和工作仓都需要有真空系统，确保电子束畅通无阻的到达样品表面。根据电子枪发射电子束的原理不同，扫描电镜一般分为热发射（钨灯丝）扫描电镜和场发射扫描电镜，钨灯丝是价格最便宜、使用最普遍的发射源，需要的真空度相对较低，一般在10-4Pa左右，分辨率在5nm左右。而场发射属于高端的发射源，需要的真空度更高，一般在10-8Pa甚至更高，当然，场发射扫描电镜的分辨率也更高，能够达到1nm，并且图像质量更加稳定。扫描电镜的分辨率高得惊人，就像是拥有一双超级敏锐的眼睛，能够分辨出微小到令人难以置信的细节和结构。并且，它的景深非常大，可以同时看到样品的不同层次，就像是一个立体的微观世界！
在材料科学的领域里，扫描电镜可是大显身手！它可以帮助我们观察材料的微观形貌，比如晶粒的大小和分布，就像是在观察一个微观的城市布局。它还能检测材料中的缺陷，比如裂缝和孔洞，就像是寻找微观世界里的小漏洞。在生物学领域中，扫描电镜也有着神奇的应用。它可以让我们看到细胞和组织的形态和结构，仿佛进入了一个微观的生命王国。
不过，扫描电镜也有一些小脾气！一是样品需要有一定的导电性，这样才能激发出二次电子、背散射电子、俄歇电子等各种敏感的信号，不然它可就不好好工作啦！但是，也不用担心，通过一种名叫离子溅射仪的辅助装置，我们有办法让样品表面具有能自由移动的电子，发挥出扫描电镜强大的观察功能。二是对实验室的环境有着极为苛刻的要求，一点点轻微的震动都是难以接受的，因为那样会导致成像效果急剧下降，严重影响图像分辨率。所以，扫描电镜一般都安装在没有地下室建筑的一楼，同时要远离地铁和其他可能的震动源。
在河南省药品医疗器械检验院口腔材料室，既有热发射（钨灯丝）扫描电镜，也有场发射扫描电镜，配套的离子溅射仪、X射线能谱仪等装置也一应俱全。怎么样？扫描电镜是不是一个微观世界的探险家？带着我们领略那些令人惊叹的微小奇迹。它在检验检测、科学研究、工业生产和我们对世界的探索中，都扮演着非常重要的角色！借助于扫描电镜，我们对药品和医疗器械产品进行质量分析，我们可以观察涂抹在牙本质上的凝胶，检查凝胶材料对牙本质小管的封堵效果；可以检测3D打印金属粉末颗粒粒径的大小；还可以观察陶瓷的孔隙，观察金属的断口，以及定量或定性分析局部金属化学成分等。
由于郑东新区熊儿河路院区距离地铁较近，地铁震动的干扰会影响到扫描电镜的使用精度，考虑到扫描电镜对环境的苛刻要求，两套扫描电镜设备均安装在郑州航空港区梁州大道与静安路院区，与其他材料性能检测仪器一起，为医疗器械安全保驾护航。
这就是河南省药品医疗器械检验院口腔材料室的实验室重器！如果您和小伙伴们感兴趣，可以预约一下，和我们一起踏上微观世界的奇妙之旅！
3D打印金属颗粒
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供稿：口腔材料室 余冬 高石磊
编辑：宋 畅
编审：李小磊
