摘要

1993年，美國阿拉斯加州格倫納倫鎮(zhèn)，一個(gè)11歲女孩遇害，嫌疑人查爾斯·史密斯哈特雖出現(xiàn)在現(xiàn)場附近，卻沒有直接證據(jù)能把他和謀殺聯(lián)系起來。破局的關(guān)鍵，是一臺掃描電子顯微鏡（SEM）。法醫(yī)科學(xué)家用SEM自帶的X射線能譜探測器，分析了現(xiàn)場找到的金屬碎屑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些鐵屑呈球形，這種形狀只有焊接或打磨才會產(chǎn)生。而史密斯哈特的修理鋪里正好有焊接設(shè)備，他有時(shí)會幫附近的孩子們修自行車。就憑這一點(diǎn)，檢方獲得了定罪所需的關(guān)鍵證據(jù)。這不禁讓人好奇：為什么非得用SEM，高中實(shí)驗(yàn)室那種普通光學(xué)顯微鏡不行嗎？

光學(xué)顯微鏡的局限

光學(xué)顯微鏡大家很熟悉，但它有個(gè)硬傷，可見光經(jīng)過透鏡邊緣會發(fā)生衍射，限制了放大能力和分辨率。一般光學(xué)顯微鏡能放大幾百倍已經(jīng)很不錯(cuò)了。而SEM的放大倍數(shù)可以輕松超過30萬倍。更厲害的是，它的景深極大，拍出來的圖像帶著近乎3D的立體感，不像光學(xué)顯微鏡下那種扁平畫面。此外，SEM還能“看穿”物體表面，告訴研究人員樣品的元素成分。在史密斯哈特案中，這幾個(gè)特性缺一不可。

SEM的缺點(diǎn)

不過，SEM的缺點(diǎn)也同樣鮮明。首先就是貴，最便宜的也要數(shù)萬美元。儀器又大又復(fù)雜，操作需要相當(dāng)?shù)膶I(yè)知識，所以長期以來只活躍在尖端科研和工業(yè)領(lǐng)域，近幾年才慢慢變得親民一些。

從被判“死刑”到不可或缺

說起來你可能不信，今天遍布全球?qū)嶒?yàn)室、數(shù)量超五萬臺的SEM，剛誕生時(shí)差點(diǎn)被判了死刑。1935年這項(xiàng)技術(shù)首度亮相，一群市場專家被請來評估前景。他們征詢了科學(xué)界的意見，結(jié)論相當(dāng)悲觀：全世界頂多需要10臺。幸而這一冷水沒能澆滅研發(fā)者的熱情。

光學(xué)顯微鏡走到了極限之后，科學(xué)家開始尋找新路。1932年，世界上第一臺透射電子顯微鏡（TEM）問世，它用電子束穿透樣品，在熒光屏上成像。SEM的理念和TEM一脈相承，僅隔了幾年就出現(xiàn)了。然而當(dāng)時(shí)TEM風(fēng)頭正勁，SEM一度被視為多余。多虧了劍橋大學(xué)工程學(xué)教授奧特利近乎偏執(zhí)的堅(jiān)持，他和同事、學(xué)生們一道，把SEM超高倍率和驚人的3D成像能力實(shí)實(shí)在在地展示了出來，這才讓這種顯微鏡真正走進(jìn)人們的視野。如今，從檢測半導(dǎo)體缺陷到揭示昆蟲身體構(gòu)造，SEM早已成為尋常工具。

SEM的工作原理

那么，SEM到底是怎么工作的？

可以把它想象成一臺極精密的配鑰匙機(jī)。我們配鑰匙時(shí)，機(jī)器沿著原鑰匙的凹槽逐點(diǎn)描摹，在鑰匙坯上切出一模一樣的輪廓。SEM也是“描摹”，只是用來描摹的是一束極細(xì)的電子，樣品就是“原鑰匙”。電子束在樣品表面一行行來回掃描，不斷敲打出樣品表面的二次電子。二次電子檢測器收集這些電子，依據(jù)接收到電子的多少，在顯示屏上對應(yīng)點(diǎn)亮或暗的像素。就這樣，一點(diǎn)接一點(diǎn)，一行接一行，一幅立體感十足的高分辨率圖像被“掃”了出來。

除了二次電子，背散射電子探測器和X射線探測器還能分別接收從樣品表面反彈回來的電子和從表層以下激發(fā)的X射線，從而告訴研究者樣品的成分信息。這便是“掃描”二字的內(nèi)涵。

要指揮電子束乖乖掃描，少不了掃描線圈的功勞。掃描線圈通過變化的電壓產(chǎn)生磁場，精確控制電子束在樣品上一小塊區(qū)域內(nèi)左右前后移動。研究人員如果想放大圖像，只需讓電子束掃描更小的區(qū)域即可，就像用更細(xì)的筆觸去描摹。

核心組件

讓這一切精密運(yùn)作的，是SEM內(nèi)部幾大核心組件。

電子槍

最首要的是電子槍。不是科幻片里的武器，而是產(chǎn)生穩(wěn)定電子流的裝置。常見的有兩種：熱離子槍加熱鎢燈絲，把電子“趕”出來；場發(fā)射槍則通過強(qiáng)電場把電子從原子身邊“拽”出來。電子槍通常位于儀器頂部或底部，朝樣品射出一束電子。

磁透鏡

然后是一組特殊的“透鏡”。它們不是玻璃做的，而是磁鐵制成的。磁場可以讓電子拐彎，從而把電子束聚焦成極細(xì)的一點(diǎn)，準(zhǔn)確轟在樣品上。

樣品室

樣品室得絕對穩(wěn)固。任何微小的振動都會破壞成像，所以許多SEM被特意安裝在大樓底層。樣品室還能旋轉(zhuǎn)、傾斜樣品，省去了反復(fù)取放重新固定的麻煩。

探測器

再有就是各種探測器，如同顯微鏡的眼睛，各司其職。Everhart-Thornley探測器專門捕捉來自樣品最表層的二次電子，成像細(xì)節(jié)最豐富。此外還有背散射電子探測器和X射線探測器，負(fù)責(zé)采集成分信息。

真空環(huán)境

最后，這一切必須在高真空環(huán)境中完成。如果沒有真空，電子束一路會撞上空氣分子，路徑被干擾不說，空氣微粒還可能沉積在樣品表面，污染甚至破壞觀測面。

樣品準(zhǔn)備與操作

真正操作SEM之前，樣品得先過幾道關(guān)。因?yàn)閮x器內(nèi)部是真空，而且依賴電場，樣品準(zhǔn)備不能馬虎。