除了加速電壓與樣品的導(dǎo)電性，電鏡的束流強(qiáng)度、圖像亮度對比度、圖像像散等都會影響掃描電鏡圖像的成像質(zhì)量。今天，這篇文章將圍繞如何選擇束流強(qiáng)度，提高樣品的成像質(zhì)量。

掃描電鏡的發(fā)射束流強(qiáng)度對圖像的信噪比和分辨率（resolution）有著決定性的影響。大束流可以提高圖像的信噪比，但是分辨率較低。小束流則正好相反，具有較高的分辨率，但信噪比較差。

在這里，小編需要給大家簡單科普一下分辨率與信噪比的含義，有利于大家理解后面的內(nèi)容：

分辨率是掃描電鏡主要性能指標(biāo)，對成像而言，指能分辨兩點之間的最小距離（如圖 1 所示）。通常來說，分辨率越高，樣品的邊緣會越鋒利。

圖1  分辨率定義（兩點間距離）

對于信噪比，是指一個電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)中信號與噪聲的比例。如圖 2 (a) 所示，圖像出現(xiàn)許多雪花點，說明圖像的信噪比較差，當(dāng)信噪比較差時，聚焦會非常困難，很難獲取高質(zhì)量圖片。

圖 2  信噪比對比

飛納電鏡束流強(qiáng)度默認(rèn)有 Low 或 Charge Red（低束流）、Image（標(biāo)準(zhǔn)束流）、Point（能譜點掃）、Map（能譜線面掃）四檔可選。

通過與用戶交流，發(fā)現(xiàn)許多用戶通常使用 10kV 與 Image（標(biāo)準(zhǔn)束流），當(dāng)圖像信噪比較差時（雪花噪點比較多），會通過增大加速電壓（15kV）與束流強(qiáng)度（Point、Map）去提高圖像的信噪比。

對于低束流（Low），很少有用戶去使用它，但對于經(jīng)常拍攝高倍率圖像的用戶而言，低束流（Low）的重要性不言而喻。

現(xiàn)在，通過幾組圖片，讓大家更好地理解低束流對于高倍率圖像的重要性。

1. 樣品為金顆粒，放大倍數(shù) 150000X

掃描電鏡數(shù)：加速電壓為 15kV，束流強(qiáng)度分別為Low（左）、Image（右）

2. 樣品為硬質(zhì)合金，放大倍數(shù)為 10000X

掃描電鏡參數(shù)：加速電壓為 15kV，束流強(qiáng)度分別為 Charge Red（左）、Image（右）

3. 樣品為礦石材料，放大倍數(shù)為 40000X

掃描電鏡參數(shù)：加速電壓為15kV，束流強(qiáng)度分別為 Low（左）、Image（右）

4. 樣品為電極材料，放大倍數(shù)為 80000X

掃描電鏡參數(shù)：加速電壓為 10kV，束流強(qiáng)度分別為 Low（左）、Image（右）

5. 樣品為無機(jī)材料，放大倍數(shù)為 50000X

掃描電鏡參數(shù)：加速電壓為 15kV，束流強(qiáng)度分別為Low（左）、Image（右）

通過上述幾組圖片，可以幫助大家更好地理解束流強(qiáng)度對掃描電鏡成像質(zhì)量的影響。

在使用低束流時，圖像的分辨率更高，成像質(zhì)量更好。但是如果樣品的導(dǎo)電性一般，信號弱，過低的束流強(qiáng)度會導(dǎo)致圖像聚焦、消像散非常困難和噪音信號太大等問題，從而影響圖像質(zhì)量。為了兼顧分辨率與信噪比這種相互矛盾的關(guān)系，選擇適中的束流強(qiáng)度是十分重要的。

總結(jié)

1. 當(dāng)選用低束流 (Low 或 Charge Red) 拍攝高倍率掃描電鏡圖像時，選擇zui高加速電壓；

2. 當(dāng)選用低束流 (Low 或 Charge Red) 拍攝高倍率掃描電鏡圖像時，發(fā)現(xiàn)圖像信噪比較差（雪花點較多），無法正常聚焦等操作，可以嘗試逐漸增大束流強(qiáng)度 (Image Point)。

挑戰(zhàn) 

       食品和飲料（F＆B，F(xiàn)ood and Beverage）生產(chǎn)商在生產(chǎn)過程中面臨著質(zhì)量、效率、環(huán)保等多方面的 挑戰(zhàn)，其中包括： 

       1.生產(chǎn)商必須提高生產(chǎn)效率 

       2. 生產(chǎn)商必須滿足食品安全現(xiàn)代化法案（FSMA， Food Safety Modernization Act）的規(guī)定，以確保消費者的安全 

       3. 生產(chǎn)商面臨減少水和資源使用量的壓力 

       4. 生產(chǎn)效率和消費者安全方面的產(chǎn)品召回帶來影響 

       2015 年底發(fā)布了 FSMA Z終規(guī)則和規(guī)定，要求食品飲料公司在生產(chǎn)過程中采取預(yù)防性控制措施，而 非反應(yīng)性措施，來改善產(chǎn)品安全和質(zhì)量控制。對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行清潔和滅菌，能夠使食品飲料公司更加主動地防范質(zhì)量問題。例如，在不同產(chǎn)品共用的生產(chǎn)設(shè)備上消除不同產(chǎn)品之間的交叉污染，對于產(chǎn)品安全和質(zhì)量至關(guān)重要，特別是對含有過敏原的食品的安全和質(zhì)量至關(guān)重要。在進(jìn)行滅菌（或消毒）之前，必須先徹底清除生產(chǎn)設(shè)備上的污垢和產(chǎn)品殘留物，才能確保有效滅菌。 對不干凈的設(shè)備進(jìn)行滅菌，不僅浪費時間和金錢， 還會損害該設(shè)備上生產(chǎn)的下一批產(chǎn)品的質(zhì)量。 美國加州的一家年產(chǎn) 350 多種產(chǎn)品的食品飲料公司， 打算采用新的工藝工具來改善產(chǎn)品質(zhì)量和安全。該公司位于環(huán)保意識很強(qiáng)的加州，因此公司還打算提高生產(chǎn)效率、減少用水量。目前公司采用 ATP 拭子測試來檢測微生物污染，但不斷遇到質(zhì)量問題， 導(dǎo)致產(chǎn)品損失。公司意識到設(shè)備清潔驗證的重要性， 想要找到一種快速、簡便、可靠的方法來改善清潔過程的質(zhì)量控制。

解決方案 

       該公司用配置 Turbo 模式的 Sievers* M9 TOC 分析儀成功地進(jìn)行了總有機(jī)碳 （ TOC ， Total  Organic Carbon）分析，以監(jiān)測原位清潔（CIP， Clean-in-place）周期后的淋洗樣品，從而確認(rèn)生產(chǎn)設(shè)備的清潔度。公司進(jìn)一步改進(jìn)清潔過程， 在對設(shè)備滅菌之前進(jìn)行 TOC 分析，以免浪費時間對不清潔的設(shè)備進(jìn)行滅菌。雖然其他技術(shù)（如 ATP 拭子測試）也能檢測設(shè)備上的微生物污染， 卻對于殘留污垢來說缺乏測試的準(zhǔn)確度和選擇性， 而且容易產(chǎn)生“假正”的誤報。在清潔驗證過程中增加 TOC 分析，能夠使用戶更全面地了解設(shè)備的清潔度，排除殘留污垢對設(shè)備的污染。 

       在過去 15 年甚至更長時間，制藥和生物技術(shù)行業(yè)普遍采用淋洗和擦拭清潔樣品的 TOC 分析法， 來確認(rèn)是否從生產(chǎn)設(shè)備上徹底清除了活性藥物化合物、輔料、清洗劑等。食品和飲料本身是有機(jī)化合物，或含有有機(jī)成分（如香料、色料等）， 因此食品飲料行業(yè)將淋洗樣品的 TOC 分析法作為確定設(shè)備清潔度的GX工具。通過測量 TOC， 就能夠檢測到生產(chǎn)設(shè)備上的任何產(chǎn)品或清潔劑的殘留物。 

結(jié)果 

       表 1 顯示了在 CIP Z后淋洗的Z后一分鐘內(nèi)測量到的加州生產(chǎn)廠的吸樣樣品的 TOC 值。所顯示的數(shù)據(jù)來自用自來水清洗后的同一設(shè)備上生產(chǎn)的兩種不同的產(chǎn)品。

表 1：淋洗樣品的 TOC 測量結(jié)果表明，在產(chǎn)品 B 的 CIP 周期 后，設(shè)備不干凈。

       對該設(shè)備進(jìn)行的 ATP 拭子測試結(jié)果表明，在產(chǎn)品 A 和產(chǎn)品 B 的 CIP 周期之后，設(shè)備上已沒有微生物污染。但 TOC 結(jié)果清楚顯示，在產(chǎn)品的 CIP 周期之后，該設(shè)備上仍有有機(jī)污染物或產(chǎn)品殘留物。操作人員目視檢查后確認(rèn)，生產(chǎn)設(shè)備仍然不干凈， 需要進(jìn)行進(jìn)一步清潔才能確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全。 

       在采用 TOC 分析技術(shù)之前，該公司僅僅根據(jù) ATP 拭子測試結(jié)果來決定是否進(jìn)行滅菌。這就可能導(dǎo)致 在不干凈的設(shè)備上生產(chǎn)下一批產(chǎn)品，造成產(chǎn)品損失。 TOC 結(jié)果能夠清楚顯示設(shè)備上是否有有機(jī)殘留物， 因此食品飲料企業(yè)非常愿意用 TOC 分析法來確保 產(chǎn)品質(zhì)量和安全。此外，監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備上的 TOC 數(shù)據(jù)趨勢，能夠使企業(yè)主動及時地解決清潔和維護(hù)問題，避免設(shè)備故障或產(chǎn)品不潔。

降低用水量和節(jié)省成本 

       人口增長、氣候干旱、環(huán)境問題使得企業(yè)越來越重視降低用水量。清潔工藝是食品飲料企業(yè)在減 少用水量時首要考慮的問題之一。企業(yè)進(jìn)行 TOC 分析來驗證生產(chǎn)設(shè)備的清潔度，就可以在不犧牲質(zhì)量的情況下縮短 CIP 周期。例如，TOC 測量時的 數(shù)據(jù)分析可以幫助企業(yè)優(yōu)化 CIP 周期，確認(rèn)縮短的清潔周期是否足以清除設(shè)備上的所有污垢。縮短 CIP 周期，即使每次縮短幾秒鐘，都可以積少成多， 大大減少用水量、節(jié)約成本。 

       在食品飲料生產(chǎn)設(shè)備的清潔過程中，另一個問題就 是如何確認(rèn)設(shè)備在空閑一段時間后的清潔度。該加 州生產(chǎn)廠估計，如果減少對空閑超過規(guī)定時間的設(shè)備進(jìn)行清潔的次數(shù)，每月節(jié)省的水費、勞動力成本、 化學(xué)品支出總計可高達(dá) 1 萬美元。該家工廠很快就會采用淋洗樣品的 TOC 分析法來確定空閑后的設(shè)備是否仍然干凈，以避免進(jìn)行不必要的 CIP 周期。

生產(chǎn)設(shè)備故障排除 

       該加州食品飲料生產(chǎn)廠使用配置吸樣模式的 Sievers M9 TOC 分析儀來監(jiān)測整個設(shè)備的多個取樣點，他們發(fā)現(xiàn)有一段生產(chǎn)設(shè)備在 CIP 周期中未能被正確淋洗。生產(chǎn)廠從生產(chǎn)容器的上游和下游的幾個端口取樣，用 TOC 測量結(jié)果來確定故障位置（見圖1）。生產(chǎn)廠找到問題所在之后，就能夠更改未來 CIP 周期中的水流，并進(jìn)行工程方面的改變。

圖1：生產(chǎn)容器上游和下游的吸樣樣品的 TOC 分析顯示了故障的位置。

投資回報 

       該加州食品飲料生產(chǎn)廠在 36 小時的生產(chǎn)時段中 生產(chǎn)多達(dá) 50 批產(chǎn)品。如果在生產(chǎn)時段中發(fā)生問題、造成產(chǎn)品損失，就會浪費掉至少 20 萬美元。 在確定滅菌前的設(shè)備清潔度時， TOC 測量法比其他方法都更加準(zhǔn)確，能夠?qū)a(chǎn)品損失的風(fēng)險Z小化。因此工廠在生產(chǎn)過程中進(jìn)行 TOC 分析的投資回報，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于購買分析儀的成本，一個生產(chǎn)時段后即可收回成本。 此外，一個生產(chǎn)時段之后，通常需要 3 到 7 天才 能確認(rèn)產(chǎn)品可以安全銷售。在此期間生產(chǎn)不能停止，通常還會完成 2 到 3 個生產(chǎn)時段的生產(chǎn)。如果diyi個生產(chǎn)時段中有未糾正的問題，在發(fā)現(xiàn)問題之前就會累計造成 60 多萬美元的產(chǎn)品損失。 TOC 分析是一種簡便的方法，能夠以近乎實時的速度檢測出清潔周期中的任何問題，避免發(fā)生產(chǎn)品和資金的嚴(yán)重?fù)p失。 用 TOC 分析法來優(yōu)化 CIP 周期、減少水量，還能 提高生產(chǎn)效率，每月節(jié)省數(shù)萬美元的勞動力成本、 水費、化學(xué)品支出等。

Sievers M9 TOC 分析儀 

       在此應(yīng)用中，所選用的 TOC 分析儀應(yīng)具有較寬的 動態(tài)范圍、能夠分析自來水基體（因為許多食品飲 料廠用自來水清潔設(shè)備）、能夠快速提供可用于決策的可靠數(shù)據(jù)。該加州生產(chǎn)廠選用的 Sievers M9  TOC 分析儀，可以分析 0.03 ppb 至 50 ppm TOC 的樣品，采用 EPA（美國環(huán)保局）和標(biāo)準(zhǔn)方法 （Standard Methods）所批準(zhǔn)的方法來分析城市自來水。該款分析儀每年只需校準(zhǔn)一次，無需載氣。 此外，M9 還能運行在線樣品和吸樣樣品，這就使其能夠用于很多取樣位置，以及整個設(shè)施的淋洗水流。 

       操作人員用配置 Turbo 模式的 M9 對 CIP 淋洗進(jìn)行在線分析，能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備的淋洗過程。此外， 還可以在整個淋洗周期的各個點、同一設(shè)備部分的 各個取樣位置、以及多個設(shè)備部分上進(jìn)行吸樣取樣。 將在線分析和吸樣（旁線 at-line）分析結(jié)合起來， 就能清楚地看到清潔過程的效率，看到 CIP 周期或設(shè)備本身問題的早期征兆。

結(jié)論 

       該加州食品飲料廠使用 Sievers M9 TOC 分析儀進(jìn) 行 TOC 分析，改善了清潔過程的效率和質(zhì)量控制。 事實證明，TOC 分析法比其他方法更加準(zhǔn)確，更 能幫助廠家確認(rèn)設(shè)備的清潔度，從而幫助廠家做出 正確決策、避免產(chǎn)品損失。在食品飲料生產(chǎn)中采用 TOC 分析法還有更多的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢都可以通過優(yōu)化 CIP 周期、排除生產(chǎn)過程故障來實現(xiàn)。