电子能量棱镜能使生物学家和材料科学家得到细胞、金属和聚合物的“结构图像”。

设想我们借助地图徒步通过一块不熟悉的区域，该地图要么向我们显示出营地地形，要么显示出营地的位置，但不能两样都告诉我们。

可能的结果是，那天晚上你们将露宿在山坡上。

迄今为止，生物学家和材料科学家都面临着同样的、令人不愉快的尴尬处境。用来对几百个原子组成的团块进行化学鉴定的技术已经出现了至少有15年之久。但是，研究人员希望做的事情是描绘出化学分布状态——即关于原子的显微环境，例如，由细胞组成的小器官、或者晶粒的边界，或者聚合物的显微图像等。

借助于Zeiss EM902能量滤波式透射电子显微镜（TEM），获得这类“结构图像”已经成为完全可能了。EM902是目前仅有的一种能够提供这类图像的商品化实用仪器。

哈瓦德公共卫生学校（在马萨诸塞州、波士顿市）的生物学家戈德莱斯基（John Godleski）认为：“Zeiss902电子显微镜的真正新颖和卓越之处在于，它让我们开始认真对待原子级别的过程，并看见了单原子结构的化学反应。”

“例如，当细胞受到损伤时，它要吸收钙元素”，他又说“同时，在线粒体中的钙元素或许比其它细胞器中更多一些。利用Zeiss902我们可以获得钙元素分布图像。以前我们则不可能做到这一点。”

Zeiss902的卓越性能来源于一只安装在电子显微镜立柱内、样品室下部的电子能量“棱镜”。

该棱镜能够根据散射电子的能量，将它们加以展宽，同时一条终端狭缝起着选择被收集的各种能量电子的“窗口”作用。典型的窗口宽度可能为10~20电子伏特。

传统的TEM主要依靠产生对比度的物镜光阑。该光阑将所有散射到某一立体角以外的电子都排除掉了。在该立体角以内的电子——不管它们的能量多大——则一律被收集；同时，仍然可以导致色像差的非弹性电子也被收集，结果引起显微图像模糊不清。

EM902的滤波棱镜的一个优点是它能够允许研究人员从最终图像中排除非弹性散射电子。按照惯例，研究人员必须利用贵重的专用高压透射电子显微镜，它的初级电子具有800 Kev或更高能量，以便排除非弹性散射电子——在厚样品条件下，这类电子更是为数众多（EM902的工作能量仅为80 Kev）。这类高压电子显微镜一直被一种不变的递减返回规律所苦恼：电压越高，则最终图像的对比度越低，这是因为随着初级电子的能量越来越高，它偏转的角度就越来越小，结果光阑就变得越来越无用了。

没有人相信EM902能够完全取代高压电子显微镜，同时，EM902的棱镜滤波器还有一个附加优点，它继续保持着普通TEM的成像规律：“非弹性电子成像——变坏；弹性电子成像——良好。”

“非弹性电子通常成为普通TEM的障碍”，Procter & Gamble公司迈阿密峡谷实验室（坐落在辛辛那提）的材料研究人员斯彭泰克（Richard Spontak）认为，“借助于棱镜滤波器，人们可以有效地把非弹性电子用于所谓‘结构灵敏成像技术’。在该技术中，人们仅仅利用能量低于284 ev的‘碳边缘’的非弹性散射电子来构成图像”。

他继续说，“借助上述做法，人们有效地消除了碳元素对图像的一切影响。通常，在亮视场TEM中，碳元素呈现出明亮的花样，而在结构灵敏成像技术中，碳元素呈现暗条纹；同时，其它各种元素——例如，在异分子聚合物中的硅——则呈现亮条纹。在通常的TEM中，你或许不可能根据硅元素的浓度和特殊分布来指出硅元素存在的地方。”

EM902的高灵敏度使得它特别适合于轻元素的成像。

戈德莱斯基指出：“我们已经证实，在许多应用EM902的场合，我们无需给细胞添加重金属染色剂。”因为这类染色剂可能产生膺图像。他又说：“我们可以利用细胞的内在成分（例如碳元素和磷元素）来观察细胞的结构。”

利用特征数据和吸收边的形状，可以进行特别的化学认证。借助于棱镜进行吸收边的测量的仪器称为电子能量亏损谱仪（EELS）。

TEM棱镜装置还可以允许EM902进行极其快速的测量。扫描电子显微镜在256个方格上进行的逐张照片测量的速度要比EM902慢50000倍以上（已经出现少数特殊装备的扫描透射电子显微镜，它们能够产生金属的结构图像，这类仪器尚未达到商品化，但是它能够在某些定量测量中表现出卓越性能）。

EM902表现的一些优点在哈瓦德公共卫生学校的戈德莱斯基的研究工作中得到了很好说明，在该技术中，细胞受到保持在液氮温度下的物块的猛烈撞击，细胞中的水在瞬间被冻结在适当位置上，同时避免了冰晶的形成（该项技术已经使用“Life Cell”为商标进入市场）。比起化学方法来，戈德莱斯基更喜欢突然冻结法，因为化学方法往往允许离子从它在细胞中的真实位置上移开，有一次，他把细胞冻结并脱水，从而获得了结构图像。

戈德莱斯基说：“我们或许给细胞加入了含有钒或镍的，具有潜在毒性的化合物。”

“在使用普通的TEM时，人们已经注意到这一点，他们看到了危险性，但是，他们却认为‘唔，化合物很可能已经沉淀了。’但是，除非真正对钒和镍进行鉴定，我们是无法确信此点的。”

“我们看到了上述实例中的一部分，有时关于化合物沉淀的假想结果是真实的，有时则是虚假的、有些化合物可能局限在细胞膜上发生作用，但另一些化合物则可能进入细胞内部。”

同时，戈德莱斯基还使用结构成像技术来跟踪标记细胞中的蛋白质和缩氨酸。

迄今为止，EM902在材料科学领域内已发现的用途还不像在生物学中那么确定无疑，其原因或许是在80 kev的初始能量之下，EM902的功能无法达到一切在金属中具有较短的电子平均自由程的样品，尽管如此，罗莱（Rowley）已经使用EM902来解决氧化物微观结构中的基础问题。他的工作已应用于高温环境中合金的腐蚀问题。

“我们已经发现了所谓的‘活性元素’——钇、铈、镧和铪——对铁－铬合金氧化速率的影响”，罗莱说，“利用EM902，我的合作者和我已经能够盯住这些元素，观察它们是如何阻止氧化作用的。我们发现实际上这些元素已移动到晶粒界面上。由于它们停留在晶粒界面上，同时因为它们具有比较大的线度，因而它们实际上阻止了离子沿着界面的运动。”

罗莱认为，一般说来带有EM902的EELS较之能量色散X射线分析具有更高的灵敏度和较小地倾向于不确定性，尽管“在理想条件下，你们希望两者都具备。”另一位利用EM902进行实际应用的材料科学家是Procter & Gamble公司的斯彭泰克。他对“成块的异分子聚合物”的微观结构进行了研究。

斯彭泰克说：“你们可以在很多地方找到成块的异分子聚合物——从汽车轮胎直到你的运动鞋的鞋底。”

他说，人们对异分子聚合物的兴趣正在上升，因为“事情已经变得非常明显，不存在能够满足一切特殊应用需要的单体聚合物。”

斯彭泰克利用电子显微镜进行他的异分子聚合物研究工作，他希望最终能利用已知的微观结构与客观性质的相互关系来改善异分子聚合物的性能。

他说：“一旦我们完成了各乎测量工作，我们就会知道我们必须如何把微观结构扭转成为我们希望它具备的那种样子。”

虽然Zeiss EM902是唯一具备能量过滤器机构的设备，Zeiss公司早就在努力改善EM902的性能，它对于材料科学的某些尚不够理想的特性将被一台新型的120 kev能量过滤器电子显微镜所代替，这一情况即将公诸于众——或许是在8月份的EMSA会议上予以公布。

然后会怎么样呢？Zeiss公司的生产经理列曼（Gerry Lehman）认为：“或许最终的设备将是一台200 kev能量过滤器电子显微镜。”

我们可以打赌，80 kev和120 kev的EM902将会使显微镜工作者们在一个长时期内感到欢欣鼓舞、激动不已的。

[R&D Magazine，1992年4月］