电子显微系统

电子显微镜（简称电镜）是根据电磁学原理，采用电子束和电磁透镜来代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高倍数下成像的仪器。1926年，汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。1931年，厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透视电子显微镜。1938年，德国的阿登纳成功制造出第一台扫描电子显微镜。

电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜3部分组成。镜筒中最重要的部件是用来聚焦电子的电子透镜。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，利用很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。电子源能发射并形成速度均匀的电子束，加速电压的稳定度要求不低于万分之一。样品可以稳定地放在样品架上，一般还有可以用来改变样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。真空装置用以保障显微镜内的真空状态，这样电子在其路径上不会被吸收或偏向，由机械真空泵、扩散泵和真空阀门等构成，并通过抽气管道与镜筒相联接。电源柜由高压发生器、励磁电流稳流器和各种调节控制单元组成。

电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜（常用于观察那些用普通显微镜不能分辨的细微物质结构）、扫描式电子显微镜（主要用于观察固体表面的形貌，也能与X射线衍射仪或电子能谱仪相结合构成电子微探针，用于物质成分分析）和发射式电子显微镜（用于自发射电子表面的研究）等。其中，扫描电子显微镜（SEM）是介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种技术，目前的分辨率可以达到1~5 nm，倍数可以达到30万倍。它的工作原理是将精细聚焦电子束用电子枪发射到样品表面，通过电子与样品相互作用激发出次级电子、背散射电子等，探测体收集后，从光信号转变为电信号，显示出与电子束同步的扫描图像，对样品表面或断口形貌放大成像并进行微观形貌观察和分析。扫描电子显微镜的标本在检验前要进行固定、脱水处理，再喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下会发出次级电子信号。

1965年，英国制造出第一台商用扫描电镜，历经数十年的发展，该技术现已成为文物分析检测常用的测试手段之一。它可用于金属、陶瓷等固体样品的微观形貌观察，相、组织和晶体结构的分析，微区化学成分检测等，也可用于纺织品、皮毛织物、骨角器的类别判断、劣化分析、加工痕迹研究等。扫描电镜所需样品量很少，在文物保护与修复方面，广泛应用于文物样品的微观形态形貌观察。扫描电镜和其他分析仪器相结合，可以在观察微观形貌的同时进行物质微区成分分析。2003年，英国雷尼绍（Renishaw）公司推出商业扫描电镜－拉曼光谱联用系统，标志着扫描电镜与拉曼光谱技术相结合的系统已开始投入商业生产。2008年，意大利博洛尼亚大学开创性地将扫描电镜－拉曼光谱联用技术运用于文化遗产保护科学领域后，该技术被更广泛地运用于文物保护与研究中，有助于了解陶瓷器、金属器、金银器、拓片、漆木器等的制作工艺、装饰技法、病害成因，并能探明病害机理及其过程。

在纺织品文物保护中，通过扫描电镜可以确定老化程度、实际保护效果并进行表面形态分析和元素分析。例如，张懿华等运用环境扫描电镜对不同丝胶含量的人工老化蚕丝纤维进行了纵横向形貌观察，从而判断古代出土丝织品的含胶量；张晓梅等根据扫描电镜观察到的裂隙、断口的多少来确定丝织品的相对老化程度；周旸等使用扫描电镜对已保护加固过的黄地飞鹭云团花纹锦进行观察，对比文物加固前后形貌的变化；吴昊等运用生物技术对糟朽丝织品进行加固保护，同批次加固的残片经扫描电镜观察可知，整体上没有对纤维的原有形貌造成明显的影响；郭丹华等运用扫描电镜观察新疆营盘出土丝纤维断口的形貌，从而分析出纺织品纤维老化情况与埋藏环境的关系；刘秋香等运用扫描电镜对战国时期的丝织品表面纤维进行了形貌分析，从形貌变化来了解丝织品的降解情况；龚德才运用扫描电镜-能谱仪来分析古代丝织品蛋白质纤维中的铁、铝与硫的比例；王厉冰等运用扫描电镜观察经过髹漆的丝织物，探明涂漆丝织物表面出现裂缝的原因；王芳芳等利用扫描电镜对经过光、热和水解人工老化的丝织品进行微观形貌观察分析，获得了纤维结构并进行了老化程度及原因的分析研究。

在青铜器的保护领域，学者们也做了相应的探索。例如，杨菊利用金相显微镜和扫描电镜对北京大兴高米店汉墓出土的两件铜镜进行科学检测，金相分析和扫描电镜能谱分析显示，两件铜镜都是含锡约24%的高锡青铜镜，含有少量铅，铸造成型，属于汉代主流的合金技术和成型技术；杨小刚对重庆云阳李家坝遗址出土的汉代鎏金青铜器进行环境扫描电子显微镜形貌观察和成分检测，结果表明李家坝出土铜器表面剪金箔工艺与文献一致，制作金箔或金汞器时采用了汞作为原料，鎏金层的腐蚀产物是硫化银；闫晨曦采集了云阳李家坝的青铜器锈蚀样品进行物相和成分分析，运用扫描电子显微镜（SEM）观察青铜器的腐蚀形貌并分析锈蚀的元素组成；周双林对一件疑为赝品的青铜器进行电镜扫描观察，发现其不是铸造制作的金属物品，而是颗粒状物质混合而成，不具备青铜的组织结构，确定其为赝品。

在纸本文物、彩绘文物、竹木漆器的保护研究方面，学者们也做了相应的探索。例如，重庆中国三峡博物馆周理坤等对荷兰汉学家高罗佩先生的后人捐赠的清代漆雕彩绘屏风进行无损分析，将超景深显微镜、便携式荧光光谱仪、扫描电镜能谱仪等相互配合使用，对比其制作工艺与传统剔红工艺所用原料的不同之处；四川博物院杨娟使用扫描电镜和超景深显微镜对泸县博物馆的一幅清代扇叶裱件进行了分析，观察此霉变书画表面的菌落结构和形态，结果显示毛壳菌对纸张的纤维结构有较大的破坏作用，应及时调整保存环境的温湿度来抑制毛壳菌的繁殖；2018年杨娟使用扫描电镜对馆藏《明拓泰山金刚经拓本》的纸张纤维进行微观形貌观察，发现拓片用纸主要是棉纤维和竹纤维混合抄造的，进而为拓片病害分析和保护修复技术路线的制定提供参考；陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地工作人员从彩绘文物的颜料颗粒微观形貌、彩绘层结构观察与分析、保护材料效果评估和病变研究4个方面，论述了扫描电子显微镜及能谱仪（SEMEDS）可对文物材料微观形貌观察的同时进行元素定性分析的常用表征方法。

扫描电子显微镜能够直接观察到样品表面的结构形态，制样简单，无需切片，景深较大，图像的放大范围广，分辨率也较高，可放大到十几倍到几十万倍。普通电子显微镜无法对活态样品进行观察，而环境扫描电镜将逐渐实现直接对活样本的观察，因此扫描电子显微镜现在被广泛地使用于文物组织结构观察分析方面。然而，由于电荷作用，带电样品常常发生不规则放电，容易引起图像紊乱与畸形，增加了此后分析图像的难度，后期维护与保养也较为复杂。