透射电镜放大倍率校准用标准物质在实验室测试和计量认证中的应用
透射电镜放大倍率校准用标准物质在实验室测试和计量认证中的应用
李 旭
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中国计量科学研究院
透射电子显微镜（简称“透射电镜”）是测量固态物质微观尺寸和物相结构的仪器，在材料、矿物和生物医药等领域被广泛应用。透射电镜测量量值的准确性决定着测试实验成功与否，也是实验室计量认证的重要基础。
1 透射电镜量值准确性的影响因素
使用透射电镜测量特征尺寸、测量晶面间距或标定衍射斑点时，能否实现准确测量或成功标定，除了考虑测试方法和人员因素，首先要考虑的是：透射电镜放大倍率是否经过校准？CCD相机像素尺寸是否准确？
如图1所示，当透射电镜的放大倍率（标尺）不准时，测得的纳米棒长径短径就不准确；一些不同物相的晶面间距差异非常小，如果测得的晶面间距不准，就无法根据晶面间距判定物相；在衍射斑点中标定晶面指数时，可能不同晶面的晶面间距值差异非常小，如果透射电镜测量的晶面间距值不准确，可能会导致错误标定晶面指数。此外，如果不同的透射电镜实验室未使用同一种标准物质进行校准，那么不同透射电镜实验室测量同一种样品的结果不具有可比性和一致性。
2 透射电镜校准
2.1 计量特性
透射电镜的计量特性见表1，性能指标供校准时参考。
2.2 校准条件
2.2.1 环境条件
实验室环境温度：（20±1）℃；相对湿度：不超过65%；
实验室震动和磁场应满足仪器使用说明书要求，应不影响测量结果。
2.2.2 仪器条件
透射电镜的电源、冷却水、X射线剂量、真空度应满足仪器使用说明书要求，不影响仪器正常工作和人员安全。
2.2.3 校准用标准物质
为了确保透射电镜计量特性校准的准确性和溯源性，应根据放大倍率范围和所需精度，选择合适的标准物质，对透射电镜进行校准。标准物质的扩展不确定度一般不超过5%，如表2所示。附录A列出了一些透射电镜校准用标准物质，供参考选用。
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2.3校准项目和校准方法
校准项目是透射电镜的放大倍率。按照透射电镜和标准物质的使用说明书，使用双轴倾斜样品杆装载标准物质。把装好标准物质的样品杆插入透射电镜样品室，抽气使样品室真空度达到工作状态，记录达到工作真空的时间。为确保测量稳定性，标准物质完全放入透射电镜后，静置稳定时间应不少于0.5小时，然后开启阀门，导通电子束。根据GB/T 34002中6.3和6.4的要求设置透射电镜操作条件，校正电子光路，拍摄并存储数字图像。
2.3.1 放大倍率
透射电镜的放大倍率
M
分为高（
M
＞30万倍）、中（30万倍≥
M
＞10万倍）、低（
M
≤10万倍）三档。使用透射电镜测得标准物质特性量的测量值
S
，放大倍率示值误差△和校准系数
η
的计算公式如下：
2.3.2 高放大倍率校准
高放大倍率应使用晶面间距标准物质校准。拍摄晶面间距标准物质的高分辨晶格像，使用透射电镜图像分析软件（Gatan Digital Micrograph、ImageJ等）测出晶面间距测量值
d
，如图2所示，根据晶面间距标准值
d
0，计算出高放大倍率的示值误差△和校准系数
η
。
2.3.3 中、低放大倍率校准
透射电镜中、低放大倍率应使用膜厚或粒径标准物质校准。拍摄膜厚标准物质的明场像，使用透射电镜图像分析软件（Gatan Digital Micrograph、ImageJ等）测出膜厚测量值T，如图3所示，根据膜厚标准值T0，计算出中、低放大倍率的示值误差△和校准系数η。
T
，如图3所示，根据膜厚标准值
T
0，计算出中、低放大倍率的示值误差△和校准系数
η
。
2.4 透射电镜校准结果不确定度评定
透射电镜校准结果的不确定度受到噪声、磁场、震动、电压变化、磁透镜像散等因素的影响。特征量的不确定度评定过程如下：
2.4.1 测量不确定度的A类评定
测量重复性引入的不确定度
u
1。在标准物质的某个位置测量特征值，至少重复测量
n
=6次，测量重复性引入的标准不确定度为
u
1，计算公式为：
2.4.2 测量不确定度的B类评定
标准物质引入的不确定度分量
u
2。
透射电镜图像分辨率引入的不确定度
u
3。
2.4.3 测量结果的合成标准不确定度
各不确定度分量均不相关，按方和根形式计算合成标准不确定度
uc
：
2.4.4 扩展标准不确定度
对于正态分布，置信水平为95％时，对应的
k
=2，则扩展不确定度
U
为：
3 透射电镜标准物质在实验室计量认证中的作用
如果透射电镜实验室作为产品质量检验机构和测试实验室，必须在组织机构、仪器设备、检测能力、人员素质、环境条件及工作制度等个方面具备国家规定的条件，并经国家或地方技术监督部门组织有关的专家审核，考核合格后才能对社会出具公证性检测数据。在计量认证的考核中，衡量的重要方法和标准，都离不开标准物质，这是因为标准物质具有门类广泛的特点，它分布在物理、化学、工程测量学各门学科，同时它具有计量溯源、准确量值及量值不变的均匀性、稳定性，又具有可重复制备保证连续使用的有证物质，使用者随时可用。
3.1 透射电镜检定
如果透射电镜用于产品质量检验，需经有关计量部门检定，合格后方可使用。但是这些检定是有一定期限的，有时不能满足实验工作需要。因此在日常工作中，需要常备透射电镜校准用国家一级标准物质，自行校准透射电镜的放大倍率、漂移率、分辨率和稳定性等指标。
3.2 标准物质用于工作标准
标准物质能够实现量值传递。在选用标准物质时，应选用材质和量值均与被测样品非常接近的标准物质来校准透射电镜。例如，透射电镜不同放大倍率范围的校准，应使用适合该放大倍率校准的标准物质。每测试一批样品可使用校准物质校准一次，使当次、每次测量结果具有可比性和一致性。如果使用一级标准物质费用太高，可使用二级标准物质。
3.3 标准物质用于检验分析方法的可靠性
以往检验一种方法的可靠程度，通常采用加标回收检验，但在实践中有时这种方法并不可靠，即回收率可能很好，而分析结果都不能反映实际情况。而采用标准物质，则可以得到可靠的分析结果。
3.4 标准物质用于考核技术人员
检测人员的技术水平状况与熟练程度，是给出数据可靠性与否的关键。检测人员的技术水平不仅应从拥有的理论水平、掌握技术的数量、解决问题的能力进行考核，还应从他实际操作技能熟练程度进行考核，在检测中，主要是操作技能熟练程度。而在考核过程中，最简便的办法就是使用标准物质，考核时可以通过密码编号，也可以同时发放标准物质给两人，甚至数人。检测者根据所使用的仪器、测试方法条件，获得检测数据。判定者可根据所给标准物质的标准值及不确定度评判合格与否。
标准物质在计量认证中是必不可少的，是实验室质量控制的重要手段，今后随着透射电镜校准用标准物质数量和种类的增加，其作用将更加重要。
附 录 A
（资料性附录）
透射电镜校准用标准物质
我国研制的一些透射电镜校准用标准物质，可满足透射电镜高、中、低放大倍率的校准要求，如表A.1所示，供使用者参考选用。
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我国研制的一些透射电镜校准用标准物质，其透射电镜图像如图A.1所示。
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李旭，博士，副研究员，主要从事透射电镜和残余应力计量技术研究，
li-xu@nim.ac.cn