那是什么？深入显微镜技术

摘要：对实验室里使用显微镜的技术人员及任何分析家来说，“那是什么？”是他们面临的最普遍问题，在经过良好训练的操作者手中，显微镜对此能提供一种最快的答案。在各种实验室中，显微镜提供了合算的日常定性及定量信息。

显微镜工作者最常遇到的一个问题是：“那是什么？”在此情况下，对描述及确定微小颗粒的视觉观察无论任何评价都不过分。一旦与判据及量化性质如双折射，折射率，尺寸，颜色及晶型联系起来，视觉观察即具有特殊价值。获得识别广泛材料的能力需要经验和教育的结合，有时还需要机遇，不过根据Louis Pasteur的说法是：“机遇偏爱有准备头脑。”

日常生活中，许多工商业活动都依赖于显微术提供的答案，如：鉴定犯罪现场的证据，开发新产品，测定杂质，医疗诊断，生物技术以及鉴别有害或可疑物（如：石棉，孢子及白粉）。大多数情况下，鉴定只是一个大问题的第一步，比如：1）颗粒来自什么产品？2）原材料是何物？3）材料如何加工艺？4）材料源自何处？5）此证据能否将嫌疑人与犯罪犯罪现场联系起来？6）此颗粒是否与现有问题有关？大量实例表明显微镜工作者仅仅通过观察废品就能解决上百万美元的加工问题（例如杂质，气泡断裂或表面粗糙度）。此类成功往往是购买一台新显微镜的催化剂。

1 鉴定一种材料

光学，电子显微镜是在颗粒鉴定中最常用的。每种显微镜都具备有别于其他种娄显微镜的能力，优点和缺点，这导致了一个互补的分析图。作者的一般经验是：用立体显微镜对一个样品进行大致而全面的检查。此过程主要是获取物理性质如粒径，形状并确定样品是否均匀。如果可能确定材料或排除嫌疑人，这一步或许还包括溶解性或微化学实验。下一步是准备一个特征片断的PLM。PLM可以立即回答未知物是否具有特殊性质（如孪晶），或者需要多花几分钟以准备测定均质材料的折射率，非均质材料的折射率及双折射率。如获批准，再用共焦，荧光，DIC，加热台（熔点）或梭型台得到附加观察结果。根据上述结果，再将材料进行傅立叶变换红外显微镜和/或SEM-EDS检测，得到的化学，振动光谱与谱库中全部数据进行相容性检查。实验表明这是一个能提供快速，廉价及全面鉴定均质与非均质样品的方法。

一般来说，特定材料的折射率和双折射是非常确定的。然而一旦材料形成固溶胶或以多个晶态存在（即多肽性），其光学性质则会因为成分或原子结构的的改变而发生系统性的变化。例如橄榄石家族的两个成员镁橄榄石（Mg2SiO4）和铁橄榄石（Fe2SiO4），随着Fe取代Mg，双折射及折射率都逐步上升。光学性质与化学成分或结构之间的关系有时可以应用于以微探针技术为手段的及量化学分析领域，并可见解揭示OHˉ,li+,F+等化学成分的存在，或者极细微的结构变化。

2适合于颗粒鉴定的特殊光学显微镜技术

重大价值而未得到应有重视的颗粒鉴定表征技术是散射染色体和梭型台技术。它们是为特殊的应用/研究领域设计的，在其他领域尚未广泛展示。下面章节希望展开应用。

2.1散射染色

散射染色利用载玻片及样品的散射来染色或着色特定颗粒的边缘。当载玻片及样品的散射曲线（即波长于折射率的关系）在可见区以差别极大的斜率相交时得到的效果最好。当实施大于100倍的散射染色时，需要一个特殊的带有中心或环形吸光片的物镜。与用在暗场的技术类似，散射染色吸光片可用黑纸制作置于狭缝下形成一个空心照锥。在中心吸光片技术中，白光穿过品体时，由于一定波长下固体对液体的折射率时确定的（λ0）。在固－液界面上没有折射。光（在给定实例中为黄色）沿轴向穿过物镜被不透明的中心吸光片吸收，中心吸光片及狭缝会去掉几乎全部不经折射面穿过载玻片和颗粒的白光。这将导致载玻片及颗粒中心区变黑。而穿过颗粒的大部分光会被折射一个角度，它们穿过物镜的吸光片形成颗粒明亮而有颜色的轮廓图，图像的颜色是匹配波长（λ0）的互补色。这是因为匹配波长的光穿过颗粒而未发生折射，从而被中心的吸光片从折射的白光中去除。

对于环形吸光片的散射染色，情况相反，颗粒边缘的颜色将是匹配光的颜色，而对图像的其他部分则没有影响。中心吸光片技术提供的对比度更高（有色颗粒边缘对黑色背景），因此更常用。而环形吸光片能让人看到更像亮场的图像，似乎具有更高的分辨率。

当用面偏光对双折射材料实施散射染色时，散射染色的颜色将依赖于颗粒的晶面，这意味着对每个柱折射率都有散射染色的特征。详细的散射染色方法被设计为美国环保署（U.S.EPA）的检验方法，已用于鉴定建筑材料中的石棉纤维，并与其他颗粒鉴定几时如μFTIR，SEM及PLM一样在McCrone研究所（Chicago,IL）得到发展和应用。散射染色作为“大海捞针”式的方法检测混合物中的颗粒物特别有用，如：绝缘材料中的石棉、粉末样品中的可卡因、矿样中的石英或任何特殊感兴趣的物质。它也可以用于快速确定一个样品的均一性，因为任何杂质都会在主体材料中呈现出不同的颜色。散射染色通常适合于所有检验，能更好的提供直观的折射指数值并能提高灵敏度。

2.2梭型台

所研究的特定目标是为了完整地表达单晶的光学性质时，没有哪个技术能优于梭型台方法。梭型台时一个绕轴旋转的部件，被置于PLM的转台上。把一粒单晶（>10μm）固定在转子上，可以重新校准晶面指标，从而能测量全部光学参数如：主折射率（nμ，nβ,nγ）。光轴二面角（2V）及散射（即注射率或2V随波长的变化）。固定晶体的针也可以装在μFTIR或SEM上作进一步分析，其中包括电子反散射衍射（EBSD）。在任何西药测定显微单晶的光学各向异性及多态性（如：药物、光电材料）的场合梭型台都有极高的价值。

3结论

虽然本文的内容主要集中于光学显微镜，然而必须强调，显微镜工作者不应抓住个别几时不放。不幸的是，实际上由于其他因素如成本、僵化的标准操作程序、时间限制等往往约束了显微镜工作者尝试其他可能更加合适的显微技术的意愿，这进一步要求显微镜工作者既有广博的知识并欣赏一切可以得到的能增长他们能力的技术。