近年来，随着城市化进程的加快、人们生活水平的提高，大气污染问题越来越受到人们的关注。其中，气溶胶对一系列大气污染问题贡献很大，国际、国内的学者对气溶胶颗粒的研究也越发深入。本文介绍了电镜仪器的实验原理及方法，和对气溶胶粒子的电镜分析研究总结和归纳。根据电镜图像可将气溶胶颗粒物分为六种：烟尘颗粒物(soot aggregates)、球形粉煤灰颗粒物（spherical fly ash）、矿物颗粒物（mineral particles）、有机颗粒物（organic particles）、金属颗粒物（metal particles）和复杂的二次大气反应形成的颗粒物（complex secondary particles），每个类型的气溶胶颗粒物有特定的物理化学特征，这些特征对研究气溶胶源有重要作用。并以北京地区一次棕霾天气过程为例，进行对该地区气溶胶颗粒物的归纳和总结。
关键词：气溶胶颗粒物；透射电镜；俄亥俄扫描电镜；单颗粒物分析
第一章 引言
气溶胶，又称气胶、烟雾质，是指固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。它可以吸收和散射辐射，从而影响气候。也可以成为凝结核，从而影响降水。气溶胶可分为人为和自然两种来源类型。其中，人为因素引起的排放，如工业废气、机动车尾气和大量燃煤供暖，也随之加大。随着社会经济的快速发展，生活水平的快速提高，人们越来越关注环境问题。而最近的研究表明，一些气溶胶颗粒物也可进入人的呼吸道，对人们的健康产生影响。大气颗粒物浓度和呼吸系统以及心肺疾病的住院率、发病率和死亡率呈正相关关系[1]。中国华北地区出现的许多次大规模雾霾现象，已经对人们的生活产生了重大影响，也得到了很多专家学者的关注。因此，对大气中各种气溶胶的分类以及成分的研究必不可少。
气溶胶单颗粒分析的方法已经在大气气溶胶颗粒研究的各领域得到广泛应用，在大气颗粒物气候效应、生态效应、环境效应、颗粒物源解析、大气颗粒物化学反应过程等方面的研究已经有不少的成果[2]。透射电子显微镜（简称透射电镜，英文缩写TEM）与扫描电子显微镜（简称扫描电镜，英文缩写SEM）作为单颗粒分析的两个重要环节，已经成为大气气溶胶颗粒研究中不可缺少的手段。李卫军老师充分利用这两种仪器生成图像的特点，对气溶胶颗粒物的物貌特征进行了分类和判别。 第二章 电子显微术
2.1 电子的性质
电子式构成原子的基本粒子之一，它围绕着带正电的原子核运动；平常所说的电子是指带负电的电子，是电量最小的单位。正是因为电子的本身特性，我们可以利用电场和磁场可以操控电子的运动。
根据德布罗意原理可以知道，在电子显微镜高加速电压下获得接近光速速度的电子具有波粒二象性，特别是波动性。
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2.2 高速电子与式样的相互作用
如图1，为入射电子穿透固体样本时所产生的一系列信息[3]：
（1）弹性散射与非弹性散射电子：当入射电子受到样本原子库仑场作用，使其运动方向发生改变但电子能量不会损失，这种散射叫做弹性散射；如果入射电子与样本核外电子相碰撞，则会造成入射电子速度和方向上的同时改变，这种散射称为非弹性散射。
（2）二次电子：样本原子的核外电子被入射电子所击出，该电子称为二次电子。二次能量一般小于50eV，能量小且只能从样本表层（10nm）内激发出来；绝大部分来源于价电子激发。
（3）吸收电子：一部分入射电子经过式样多次非弹性散射后，能量耗尽而被式样吸收，它们就被称为吸收电子。吸收电子能使式样（特别是绝缘性强的式样）带负电（静电）。
（4）特征X射线：当入射电子使式样原子内层电子脱离原来运动区域（激发式样原子内层电子），使式样原子处于不稳定状态（激发态），处于激发态的原子恢复原状（基态）时会有外层电子跃迁到内层的电子空穴，这一过程会以X射线的方式释放出能量。这种X射线称为特征X射线。
不同物质产生的X射线的波长是不同的，因此通过其波长与能量的不同可以确定式样的物质成分。需要注意的是，特征X射线的产额随物质的原子序数增大而增加，即它对轻元素的分析差。
（5）俄歇电子：式样上，处于激发态的原子在恢复原状时所释放的能量被外层电子吸收，导致其脱离原子形成二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。
俄歇电子与特征X射线一样具有特征能量，能用于分析物质结构。俄歇电子的产额随原子序数的增大而减小，适用于轻元素的分析。
（6）阴极荧光：价电子跃迁释放出较小能量，波长在可见光内；若样本含杂质则会形成局部能及，发出相应的可见光。这些可见光称为阴极荧光。
图1 高速电子与固体样品作用并产生的各种信息，矩形代表式样
出于电子的这些特征，电子显微镜的基本原理可以简概为：在高真空环境下，产生电子；通过磁透镜控制电子并使其形成高速电子束；电子束照射（或轰击）固体式样产生一系列的信息；通过相关系统来收集并分析这些信息，从而了解物质的微观形态、结构及成分。从电子显微镜的结构及原理来看，最常见的两类电子显微镜为：透射电子显微镜（TEM）与扫描电子显微镜（SEM），分别简称为透射电镜与扫描电镜。目前气溶胶颗粒的微观研究也主要用这两种显微镜。
2.3 电子显微镜产品类型
表1为电子显微镜产品的主要类型。电子显微镜性能分为中等和高等[3]：中等性能电镜分辨率为5-10Å（埃米，纳米的十分之一），具有消像散、样品防污染及真空自动控制等装置；相比于中等性能电镜，高性能电镜分辨率更高（2-3Å），增加了精确样品操纵部件及操作便利的各种附件装置。
桥头引道 表1 电子显微镜产品类型[4]
产品型号 生产厂家 |
Hitachi HS,HU,H 日本日立公司(Hitachi Ltd) JEM 日本电子公司(Japan electron optical laboratory,JEOL) AEI-EM 英国联合电气公司(Associated electrical industries,AEL) Philip-EM 荷兰飞利浦公司(Philips) Siemens Elmiskop 德国西门子公司(Siemens) |
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第三章 svi透射电子显微镜与扫描电子显微镜结构及原理
3.1 电镜结构
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对于透射电镜的结构可以分为三部分：镜筒、真空系统和供电系统。相比透射电镜，扫描电镜也有镜筒、真空系统和供电系统，但还有信号接收、放大和显示系统，以及让电子束
在式样上扫描的扫描系统。
3.1.1 镜筒
镜筒是电镜最主要和最复杂的部分，对于透射电镜的镜筒（图2a），主要由3部分组成：（1）照明系统；（2）样品室和成像系统；（3）像的观察和记录系统。
（1）照明系统由电子与聚光镜组成（图3）。电子用于发射亮度高、电子源的尺寸小、稳定度高的电子束。该电子束直接作用于样品。
（a） （b）
图2 电子显微镜镜筒及内部结构；（a）透射电镜（b）扫描电镜
病案追踪 图3 透射电镜照明系统
（2）样品室位于照明系统下方，使照明系统形成的电子束直接作用于样品（图4）。而关于成像系统，它是有多组（5组以上）电磁透镜构成，这些电磁透镜分为成了三部分：物镜、中间镜（图2a未给出，在物镜与投影镜之间）与投影镜。物镜被称为电子显微镜的心脏，其精准程度决定了成像误差的大小（图像分辨率）；中间镜与投影镜用于对物镜的成像进行进一步放大（包括物镜的误差也会被放大）。这三个透镜组成一体，形成三级放大电子像。因此最终放大倍数为：。
图4 透射电镜样品室与照明系统
（3）投影镜下方的观察室中有一个荧光屏，在电子束的轰击下发出荧光，并成像。荧光
屏下面为相应的记录系统，收起荧光屏便可以进行相应的数据记录（图5）。
图5 透射电镜像的观察和记录系统
而对于扫描电镜（图2b），镜筒中主要由：（1）电子；（2）电磁透镜和扫描线圈（物镜）；（3）样品室。
（1）电子的结构与透射电镜一样，这里不在叙述。
（2）第一透镜和第二透镜与透射电镜不同，它们不是拿来成像的而是为了获得尽可能细的电子束。物镜（即扫描线圈）能使极细的电子束在样品上做光栅状扫描。
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