辩证分析仪

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" text-indent: 2em " 作者按： /span /strong span style=" text-indent: 2em " 加速电压对扫描电镜分辨力的影响目前很难有定论。各电镜厂家所给出分辨率指标的指向是加速电压越高分辨率越好。实际检测过程中常常发现，加速电压越高我们所能获得的样品表面细节却越少。本文将尝试用自然辩证法的观点来分析产生这种现象的原因。 /span span style=" text-indent: 2em " & nbsp /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 对于扫描电镜加速电压与分辨力关系的认识，存在着两种相互矛盾的观点。即“加速电压越低分辨力越好“、“加速电压越高分辨力越好”。形成这种相互矛盾表述的原因在于我们那种机械、单调的思维模式。在一次偶尔观看的综艺节目中，有嘉宾提到“两面性看问题”这种辩证法的观点对我触动很大，由此开始尝试将辩证法的观点引入到对扫描电镜的认识中来，从而获得许多有意思的结果。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 由于篇幅原因，本文将只探讨加速电压对扫描电镜分辨力的影响。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 一、 自然辩证法及其三大规律 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 《自然辩证法》是德国哲学家弗里德里希· 恩格斯一部未完成的著作。在著作中对当时的自然科学成就用辩证唯物主义的方法进行了概括，提出了对事物认识中存在的“对立统一”、“否定之否定”、“量变到质变”三大规律。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 这三大规律告诉我们：任何事物都存在着相互矛盾、相互否定的几个方面，而这些方面各自间的量变会导致事物整体发生质的变化。比如，我们人类一出生，每个个体就包含了“生、死”这两种相互矛盾、相互否定的因素。起先 “生”是主因，因此我们人类就处在一个成长的过程中。但是随着年岁的增长这个主因会做减速变化，而另一个主因“死”会做增速的变化。达到一定时候，也就是“人到中年”，我们将进入生命最旺盛的时期，同时我们也达到了“生、死”这两个主因的主导地位发生变化的关口。接下来 “死”这个因素将占据主导地位，生命个体也开始走入死亡阶段，由此发生质的变化。这就是 “量变到质变”，一切取决于“度”。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 扫描电镜测试条件的改变对结果影响也遵循这样的规律。任何一个条件的改变必然带来正、反两个方面效果。当正面效果是主导因素时，这个条件增加带来的结果就越好。但随着条件进一步增加反面效果必然占据主导地位，此时该条件继续增加，所带来的结果就会变差。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 下面以扫描电镜加速电压这个因素的改变，来讨论其对图像细节分辨力这个结果的最终影响。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 二、扫描电镜加速电压与分辨力的基本认识 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 2.1几个相关名词： /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 分辨力、加速电压、电子束发射亮度、 span style=" text-indent: 2em " 电子枪本征亮度、样品的信号扩散 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2.1.1分辨力： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " “分辨力”指的是扫描电镜分辨细节的能力。分辨力越强我们获取的样品细节也就越多。许多时候我们喜欢用“分辨率”这个概念来描述，但是分辨率这个概念往往和某一确定的数值有关。扫描电镜分辨率的值到底是多少？其影响因素非常多，我们目前还无法找到合适的标样或公式来进行令人信服的科学验证。因此本人倾向用“分辨力”这个模糊的概念来代替。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2.1.2 加速电压： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 电镜的电子枪都设计为三级结构：钨灯丝为阴、栅，阳；场发射是阴、第一阳极、第二阳极。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 电子束是由阴极、栅极（钨灯丝）或阴极、第一阳极（场发射）形成。该电子束由加载在阴极、阳极或阴极、第二阳极上高压形成的电场加速，给电子束提供能量以形成高能电子束。该电压称为“加速电压”。加速电压越高，形成的电子束能量越大。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp 2.1.3电子束的发射亮度： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 电子光学中的亮度定义基本延续光学中关于亮度的定义，只是将功率改成了电流强度。其定义为：单位立体角内的束流密度，量纲是A/cm2.sr。该值受加速电压影响，基本与加速电压成正比关系。但加速电压对其的调整必须在一个水平线上进行，这个水平线就是电子枪的本征亮度（或称为约化亮度）。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 从电子束发射亮度的定义可以看到，发射亮度越大束流密度也越大、固体角越小。固体角小可以保证形成的信号范围小，高束流密度保证小范围产生大信号量。因此发射亮度大就保证样品在很小范围内产生更多的样品信息，有利于形成样品的高分辨像。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2.1.4电子枪的本征亮度： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 电子枪是电子显微镜的光源。对于显微镜来说光源系统是基础，决定着显微镜品质的高低。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 描述电子枪品质的参数就是其“本征亮度”或称为 “约化亮度”。量纲是A/cm2.sr.KV。这个值扣除了加速电压影响，反映的是电子枪品质高低。本征亮度越大电子枪品质越好，越有利于形成高分辨像。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 不同类型电子枪的本征亮度是不同的。电子枪本征亮度是一个常数，一旦电子枪制作完成其本征亮度也就确定了。钨灯丝、六硼化镧、热场、冷场这些不同类型的电子枪，本征亮度依次增大，由其为基础所制造的扫描电镜分辨能力也依次增强。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 2.1.5样品信号的扩散： /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 电子束与样品相互作用产生样品的各种信息。其中二次电子、背散射电子是扫描电镜表面形貌像的主要信息源。这些信息在样品中会有一定的扩散范围。扩散范围越大对图像的清晰度影响也越大，严重到一定程度就会影响到图像的细节分辨，从而降低图像的分辨力。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 信号的扩散范围与加速电压、样品特性以及所选的信号能量大小有关。加速电压越大、样品密度越低以及所选的信号能量越强，信号的扩散范围也就越大。图像分辨力也就越差。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 加速电压对样品信号扩散的影响如下图： span style=" text-indent: 2em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp /span /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 286px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/d9345286-9fa2-4321-a8a5-b7778aeeba5a.jpg" title=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈 (2).jpg" alt=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈 (2).jpg" width=" 500" height=" 286" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 电子束与样品相互作用产生的二次电子信号及溢出范围示意图 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 上图所示，电子束轰击到样品后所形成的每一种类样品信息都包含两部分（以二次电子为例）：一部分是电子束直接激发并溢出样品表面，称为SE1；另一部分是由样品内部的背散射电子所激发并溢出样品表面，称为SE2。SE1主要集结在电子束周围，因此其扩散范围小，对样品表面细节信息影响也小。SE2由内部背散射电子产生，因此它们离散在电子束周边较宽的范围，且加速电压越大离散范围就越大对图像细节影响也越大。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 2.2电子枪本征亮度、电子束发射亮度、加速电压之间的关系 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 电子枪本征亮度、电子束发射亮度、加速电压之间遵循着以下关系： /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 526px height: 76px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/1472813d-72df-437f-b19c-02bf1315466a.jpg" title=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈.png" alt=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈.png" width=" 526" height=" 76" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 由于电子枪本征亮度是一个定值，由此公式可见：加速电压和电子束发射亮度成正比，加速电压越高发射亮度也就越大。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 三、 加速电压对扫描电镜分辨力的影响 /span /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 任何仪器设备在测试过程中只做两件事：产生样品信息，接收及处理样品信息。因此对最终结果的影响，也必然是这两方面的综合效果。各种因素的叠加，起决定性的因素称为“最短板”，也就是影响最大的因素。最短板会随着测试条件的选择、样品的特性以及所需要的样品信息不同而发生改变。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 扫描电镜测试中需进行四大测试条件的选择：加速电压、束流、工作距离以及探头。其中加速电压和束流的选择主要影响的是信号产生，工作距离和探头的选择主要影响的是信号接收。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 自然辩证法的观点：任何一个条件的选择都会对最终结果形成正、反两个方面的影响。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 加速电压的选择也是一样，任何一次加速电压的改变都会带来电子束发射亮度以及信号扩散的变化。以加速电压的提升为例：升高加速电压会带来电子束发射亮度的提升，有利于我们获取样品高分辨像；同时会带来样品信息溢出区域的扩大，不利于我们获取样品高分辨像。加速电压的提升对最终结果影响是有利还是不利，取决于那个因素是“最短板”。信号扩散是最短板，加速电压越高则图像分辨能力越差。 /p p style=" text-align:center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 422px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/18861c0d-0bc8-4dce-b058-1a3670030c7f.jpg" title=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈 (2).png" alt=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈 (2).png" width=" 500" height=" 422" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 上图为介孔材料在四个不同加速电压下的结果 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 从上图可见，加速电压小于2KV时，SE1为信号主体，电子束发射亮度是“最短板”，此时，如上面两张图片所示，加速电压越高分辨力越好。当加速电压超过2KV时，SE2将变成信号主体，信号扩散将转变为“最短板”，我们看到下面两张图片的结果，加速电压越高细节分辨越差。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 因此我们可以看到，任何条件的改变都会带来正、反两方面的结果，而最终结果取决于 “最短板”。 “最短板”也会随着测试条件的改变而发生变化。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 加速电压改变对分辨力的影响从电子束发射亮度的角度出发来分析，同样也是充满着自然辩证法的规律。想要获得高质量、高分辨的扫描电镜图像，电子束的发射亮度必须达到一定值，可以将这个值定义为：基本亮度。这个值就如同扫描电镜灯丝饱和点一样，在没有达到 “基本亮度”时，加速电压的改变对高分辨像影响的 “最短板”出现在电子束发射亮度上，此时加速电压越高分辨率越好。而电子束发射亮度超过这个值以后，电子束发射亮度提升对最终结果的影响将大大减少，加速电压提升形成的信号扩散将成为影响最终结果的“最短板”，此时加速电压越高仪器的分辨力将大大的减弱。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 通过2.2中给出的关系式，我们可以清晰的解释为啥钨灯丝必须选择较高的加速电压，而低加速电压测试是场发射电镜的优势所在，也是场发射电镜高分辨测试的基本保证。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 钨灯丝电子枪的本征亮度要大大低于场发射电子枪，因此要想获得高分辨所需的“基本亮度”，就必须提高加速电压来满足需求，提高加速电压带来的结果就是信号扩散的增加。钨灯丝扫描电镜需要加速电压高于10KV才能获得高分辨像所需的“基本亮度”值，而这个值往往会使得样品信号扩散成为影响最终结果的主要因素，这就是钨灯丝电镜分辨率低的主要原因。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 扫描电镜高分辨像对加速电压选择的要求：信号扩散尽可能的小，电子束发射亮度尽可能的大。只有提升电子枪的本征亮度才能满足这个要求，这也是电子枪本征亮度越大分辨力也越强的缘由。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 过高的电子枪本征亮度也会对样品形成热损伤，当热损伤成为对最终结果影响的主体时，分辨力也就无从谈起。He离子镜就是实例。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 四、 结 束 语 /strong /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 自然辨证法的精要在于：认识中的唯实践论，方法上的唯矛盾论。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 它以自然科学、人文科学、社会学等学科为基础，总结出了以“对立统一”、“否定之否定”、“量变到质变”三大规律为基础的世界观、认识论以及方法论。和我国传统哲学思想中的“中庸之道”、“过犹不及”等思维模式有着异曲同工之处。对我们认识事物，从事各种实践活动（科学、社会、人文等）都有着现实的指导意义。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 做任何事情、解决任何问题时都要正确认识到其所存在的两面性、矛盾性，避免单调的思维模式，正确把握适度性原则，将会使我们获得最佳的结果。& nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp /p p style=" text-align: right text-indent: 2em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp strong 安徽大学现代实验技术中心 /strong /p p style=" text-align: right text-indent: 2em " strong & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 林中清 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 参考书籍： /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 《扫描电镜与能谱仪分析技术》张大同2009年2月1日& nbsp span style=" text-indent: 2em " 华南理工出版社 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 《微分析物理及其应用》 丁泽军等& nbsp & nbsp & nbsp 2009年1月 中科大出版社 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 《自然辩证法》& nbsp 恩格斯& nbsp 于光远等译 1984年10月 人民出版社& nbsp & nbsp & nbsp /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 作者简介： /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong img style=" max-width: 100% max-height: 100% float: left width: 85px height: 132px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/6eed12e9-0e76-4aae-86bf-2d07a9410b00.jpg" title=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈 (3).jpg" alt=" 扫描电镜加速电压与分辨力的辩证关系——安徽大学林中清32载经验谈 (3).jpg" width=" 85" height=" 132" border=" 0" vspace=" 0" / /strong 林中清，87年入职安徽大学现代实验技术中心从事扫描电镜管理及测试工作。32年的电镜知识及操作经验的积累，渐渐凝结成其对扫描电镜全新的认识和理论，使其获得与众不同的完美测试结果和疑难样品应对方案，在同行中拥有很高的声望。2011年在利用PHOTOSHIOP 对扫描电镜图片进行伪彩处理方面的突破，其电镜显微摄影作品分别被《中国卫生影像》、《科学画报》、《中国国家地理》等杂志所收录、在全国性的显微摄影大赛中多次获奖。& nbsp & nbsp /p

得利特技术部对于COD分析仪做了总结讨论，表示其cod分析仪普遍应用的原因还是有很多的。化学需氧量又称化学耗氧量（Chemical Oxygen Demand），简称COD。其常规原理是利用化学氧化剂（如高锰酸钾）将水中可氧化物质进行氧化分解，然后根据残留的氧化剂的量计算出氧的消耗量。它和我们通常说的生化需氧量（BOD）一样，是表示水质污染度的重要参数指标。COD常作为衡量水中有机物质含量多少的指标，其单位一般为mg/L，其值越小，说明该水质污染程度越轻。 化学需氧量（COD）的测定，随着测定水样中还原性物质以及测定方法的不同，其测定值也有不同。目前应用普遍的是酸性高锰酸钾氧化法与重铬酸钾氧化法。高锰酸钾（KMnO4）法，虽然氧化率较低，但比较简便，在测定水样中有机物含量的相对比较值及清洁地表水和地下水水样时，可以采用。重铬酸钾（K2Cr2O7）法，氧化率高，再现性好，适用于废水监测中。 随着时间的推移，人们对水质检测实验的简便性要求越来越高，于是越来越多的单位将重铬酸钾分光光度法列为日常水质COD检测的常规方法，其相对比重铬酸钾回流法具有测定时间短、二次污染小、试剂量小费用低、节约人工成本等特点。同时其测量结果准确、误差小也是应用原来越普遍的原因之一。

在美国密苏里州罗拉市舒曼公园测验树木。　　 在舒曼公园，密苏里科技大学研究生麦特利姆尔从树木中提取样品。 　　人说“一木知春”。美国密苏里科技大学的学者们，却从一小片木头中就能知道土壤和地下水的污染程度和成分，研究出了不需要钻井翻土，仅仅利用树木，便可分析土壤及地下水污染的方法。这个方法叫作“植物辩证”，可以大大减少调查时间及花费，还不破坏土壤环境。密苏里科技大学土木环境系的宙波肯教授和他的同事们，已在5个国家和美国8个州的30个污染点，对这个方法做了测试，效果令人惊喜。 　　据美国新闻智慧网4月15日报道，密苏里科技大学的波肯教授介绍说，树木是天然的太阳能泵，当水分从叶片散失时，会产生拉力，使植物体内水分上升，根部便能够从土壤中吸水，并把地下水及其中的化学物质抽取到地面。这个现象被称为“蒸散作用”(evaportranspiration)。在过去的测试中，波肯教授及学生从树干中提取少量样品，带回实验室进行化验。如今，他们开始使用特制的、低损伤的薄片从树干中取样，即固相微萃取纤维(简称SPME)技术，来检测树干中的化学成分。 　　波肯教授说，这种从树干中取样化验的方法已经存在一段时间了，但他们研发出的新方案，使这项技术的几个层面都得到了改进。仅仅利用几棵树，工程师们便可迅速判断地下污染情况。而对树木的损伤，仅仅是取出了1英寸长、铅笔粗细的一小段木质。每个固相萃取装置都比铅笔芯还要细，可带回密苏里科技大学的环境研究中心萃取和分析污染物。最近，波肯教授和他的同事们又开始使用移动分析仪器，即气相色谱-质谱分析仪，现场分析树木。 　　相对于这种新技术，传统方法费时费力，还会对环境造成大的损伤。波肯教授说，传统的地下水采样需要动用重型机械，在地上挖“取样井”，再从中提取地下水样品。举例来说，密苏里州的塞达利亚市为了检测废弃铁路附近的三氯乙烯及全氯乙烯的污染情况，历经12年，打了40口“取样井”。而波肯教授和一群学生仅仅用了一天时间，采集了114棵树的样本，便对污染范围及位置作出了更为精准的判定。 　　密苏里科技大学环境系研究生麦特利姆尔介绍说，树木最适宜用来测量三氯乙烯及全氯乙烯这样的溶剂，因为这样的溶剂由小分子构成，疏水，且易挥发。这样的特征令三氯乙烯及全氯乙烯容易被树木吸收。麦特已获得美国国家科学基金会奖学金，并将从今年秋季开始在密苏里科技大学攻读博士学位。 　　几年前，在密苏里州罗拉市的舒曼公园附近，有一家名为“繁忙蜜蜂”的洗衣店。几年前，这家洗衣店曾提供干洗服务，现在这项服务已中断。因为波肯教授的学生们利用罗拉公园内的树木，检测过该洗衣店对地下水的污染情况。结论是，洗衣店排出的污水已经渗入地下水，虽然还没达到危害人类健康的水平。现在，波肯教授及其学生正与当地的咨询公司“三角工程”合作，在罗拉公园内种植更多的树木，来把地下水中的污染物抽出来。波肯教授介绍，这种方法被称为“植物弥补”(phytoremediation)，可帮助加速抽取地下水中的污染物，减少对附近福瑞斯克湖的污染。这些污染物一部分可被植物分解，一部分可挥发到大气中，在阳光的催化下迅速与氧气发生反应，然后消失。 　　最近，波肯教授同另外两名教授——该校化学系校长授课教授马银法博士和化学系助理研究教授史宏兰博士，共同获得了美国军队的伦纳德伍德机构的研究经费，用来开发这种“植物辩证”方法的新领域。利用这笔新经费，研究者们将调整原有用来测量氯化溶剂的方法，用来测量少量的爆炸性物质。现有的装置可在树木体内检测气体分子，但波肯说，爆炸物是一种不同的污染物，需要检测液体。能够收集这种污染物样品的装置，将帮助军队清理军营里泄漏的爆炸物。 　　波肯也计划改变现有方法来检测杀虫剂和除草剂。他说：“21年前，我从观察阿特拉津(一种常用除草剂)开始了我的事业，现在应该是实现初衷的时候了。”波肯已申请并获得了他的植物采样方法的专利，并将该项技术的使用权授给了“福斯基础设施及环境”(FothInfrastructureandEnvironment)，一家美国中西部工程公司。这家公司与密苏里科技大学合作，推广并使用波肯的技术。