环境扫描电镜的原理、特点及应用

　　环境扫描电镜的出现被称为该技术领域中的革命性突破。其工作原理与传统仪器有很大不同，极大地减少了对样品的要求及样品种类的限制。在微量物证检验乃至整个法庭科学领域开辟了新的更为广阔的应用前景。

环境扫描电镜的原理

　　环境扫描电镜探测器是气体二次电子探头，它的前端加有数百伏的正偏压(相对与样品)，样品发出的二次电子被偏压加速并与气体分子(样品室内可充空气、水气或惰性气体)碰撞，使气体分子电离，形成正离子和电子。这种电子称为环境二次电子。环境二次电子也会被偏压加速并再次和气体分子相碰撞，从而使气体分子电离的过程不断重复，这样一来，二次电子信号得到正比的串级放大。环境扫描电镜探测器收集的正是这些被串级放大的电子信号，用其调制主扫描光栅即可得到样品的二次电子像。

　　在样品电场和偏压的共同作用下，正离子朝样品方向运动，中和样品表面的负电荷。对于非导体样品，阳离子的中和作用使样品表面不会出现充电现象。

　　样品室内所充气体的电离特性直接影响着成像的效果和质量。气体越容易电离，原始二次电子信号串级放大的增益就越高。改变环境扫描电镜探测器前端的偏压，不但可以改变信号增益，还可对样品室内充气的种类进行选择。通常选择的样品室充气为水蒸气，它容易电离，而且无毒、方便、成本低。

　　样品室内所充气体的多少(真空度的高低)也影响着成像的质量。对于非导电样品，如果充气过少，样品室内缺少足够的正离子来中和样品表面的电荷积累，会产生放电现象。如果充气过多，图像中会出现“软化”而使细节丢失。实践中，对于常见的非导电固体样品，样品室水蒸气气压选择5乇(1乇=1mm汞柱)可获得较为满意的图像。

环境扫描电镜的特点

　　普通扫描电镜的样品室和镜筒内均为高真空(约为10^-6个大气压)，只能检验耐高真空且导电导热或经导电处理的干燥固体样品。导电处理会引起样品表面形态和化学成分的变化，而且有些样品是很难进行导电处理的。

　　低真空扫描电镜(也称可变压力扫描电镜或压力控制扫描电镜)使用了一种叫做压差光阑的新技术，可使镜筒部分保持高真空，样品室内为低真空，两部分之间保持一种动态平衡。这种电镜可直接检验非导电导热样品，无需进行处理，但是低真空状态下只能获得背散射电子像。低真空扫描电镜样品室内的气体压力Zda只能达到4乇。

　　环境扫描电镜除具有以上两种电镜的所有功能外，还具有以下几个主要特点：

　　1、样品室内的气压可大于水在常温下的饱和蒸汽压

　　水在摄氏零度时的饱和蒸汽压为4.6乇，真正意义上的环境扫描电镜样品室内气压必须大于这个值。普通扫描电镜和低真空扫描电镜样品室内气压都在4乇以下，而目前环境扫描电镜样品室内的气压可以高达50乇。温度升高时，水的饱和蒸汽压也会增大，但常温下仍不超过50乇。

　　2、环境状态下可对二次电子成像

　　二次电子(SE)的能量很低，一般只有几个电子伏特，其有效发射深度为nm级，因此二次电子像反映的是样品表面的细微形态。背散射电子(BE)的能量较大，其有效发射深度接近um级，出样品表面时已开始发散。另外，背散射电子探头只能接收直接射入的BE，效率低，要得到足够的信号强度，需增加束流，这样一来也增大了束斑，降低了图像的分辨率。低真空扫描电镜在样品室充气后只能获得背散射电子像，而环境扫描电镜除背散射电子成像外，还可对二次电子成像，从而实现环境状态下对检材自然、真实的表面分析。

　　3、观察样品的相变动态过程

　　环境扫描电镜配置温控样品台后，可以控制样品的温度，温度变化范围可达-20℃―+1500℃。给样品室充以适当的气体，可以观察样品的溶解、熔化和凝固、结晶等动态过程，并获得相应的物理参数。因此，环境扫描电镜已不再是普通意义上的形态和成分分析仪器，而是可以对微量样品进行多种物理化学性能测试的综合仪器。

环境扫描电镜的应用

　　1、环境扫描电镜在生物检验中的应用

　　木材、植物残片、植物孢粉在物证检验中经常遇到，人体组织的显微结构和成分检验也可为损伤及其它法医学鉴定提供重要信息。对这些生物检材来说，显微形态检验比成分检验更重要，但它们的共性是导电性差，含水量高。如果进行脱水和导电处理，不但过程十分复杂，致命的缺点还在于不可避免得造成样品形态的改变，从而影响检验的可靠性。

　　环境扫描电镜可以在完全自然的状态下检验这些生物样品，对于含水甚至潮湿样品，既不需要脱水，也不必进行导电处理。另外，对于微量生物检材，如作案工具或凶器上的附着的微量动植物组织，发现和提取本身就是检验的重要环节。环境扫描电镜可在大样品室内直接对作案工具上的微量附着物寻找和定位，并进行检验。

　　反过来，对生物体上的附着物，如电击伤案件中电流斑上金属成分的检验、人体或其它生物检材表面微量金属附着物的检验，虽然要检的成分可能导电，但送检的样品本身是不导电且含水的，同样也有一个寻找定位问题，环境扫描电镜在这方面更有其独到的作用。

　　2、环境扫描电镜在纤维检验中的应用

　　常规的扫描电镜检验需对纤维表面进行导电处理，但是，案件中常见的织物纤维、纸张纤维以及其它纤维状检材结构非常疏松，离子溅射和真空镀膜法都难以给样品表面形成连续的导电层，这是长期以来存在的一个难题。如果使用低真空扫描电镜，样品表面虽然不需喷镀导电层，但只能得到背散射电子像，无法观察纤维表面的细微形态。

　　应用环境扫描电镜可使这一难题得到真正解决，在环扫模式或低真空状态下，样品既不需处理，也可观察二次电子像，得到纤维表面非常丰富的细微结构，这些信息不但对纤维种类鉴别有用，对同种类纤维的进一步区分也具有重要意义。

　　3、环境扫描电镜在昆虫学中的应用

　　生物学中检验昆虫和微生物的方法比较复杂，而且对检材的状态和数量都有一定的要求。环境扫描电镜在这方面有其独到之处，检材用量极小，且不需要脱水及其它特殊处理。对于极其微小的昆虫及其它生物体，甚至可在活的状态下直接进行高倍图像观察，样品保持其完全自然真实的形态，结果准确可靠。