重新构想电子显微镜：为低成本显微镜带来高端分辨率

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员首次证明，不再需要昂贵的像差校正显微镜来实现破纪录的微观分辨率。

显微镜领域正处于一场伟大的革命之中。自 19 世纪发明复合光学显微镜以来，分辨率只经历了几次重大飞跃，可以观察到不同长度的物体：从细菌和细胞到病毒和蛋白质，甚至单个原子。

一般来说，随着分辨率的飞跃，用于实现该分辨率的显微镜的价格也在飞跃。如此高昂的价格严重限制了这些仪器的普及。当前分辨率的飞跃来自一种名为电子叠层扫描的新技术——一种利用计算来提高电子显微镜分辨率的方法——该技术在过去 5-6 年中风靡该领域。

伊利诺伊大学香槟分校的研究人员在“传统”透射电子显微镜（传统意味着没有昂贵的像差校正器）上使用电子叠层扫描技术实现了破纪录的分辨率。这打破了随着分辨率的提高显微镜价格也随之上涨的趋势。他们能够实现低至 0.44 埃（一埃是一百亿分之一米）的深亚埃空间分辨率，这超过了像差校正工具的分辨率，可与其最高的叠层扫描分辨率相媲美。

“在过去的 90-100 年里，我们这个领域一直认为，实现卓越显微镜技术的方法就是制造出越来越好的显微镜。”和领导这项工作的工程学教授 Pinshane Huang。“我们的研究最令人兴奋的地方在于，我们表明你不需要最先进的显微镜就可以完成这项工作。我们可以用‘传统’显微镜做同样的事情，使用叠层成像技术，效果一样好！这很神奇，因为这两种设置的成本可能相差数百万美元。”

本研究由前 MatSE UIUC 博士后研究员 Kayla Nguyen、前 MatSE UIUC 研究生 Chia-Hao Lee 和阿贡国家实验室工作人员科学家 Yi Jiang 共同撰写的论文最近发表在期刊上科学。

在叠层扫描技术出现之前，分辨率最高的电子显微镜使用一种称为像差校正的技术，使科学家能够看到单个原子。电子显微镜不是使用光束来探测样本，而是使用由电磁铁聚焦的电子束。

电子的波长比可见光小数千倍，这使得电子显微镜能够分辨比光学显微镜小很多倍的物体。科学家利用这些显微镜来解析各种物体的结构，从 COVID-19 病毒上的刺突蛋白到石墨烯中原子的排列，更广泛地说，是观察物质内部以了解其原子结构、组成和键合。

然而，使用电子束的挑战之一是聚焦电子束。“制造完美的电子透镜是不可能的，”黄说。“人们一直在做的是制造‘坏’透镜，然后在它们后面加上像差校正器，这是一系列以相反方式‘坏’的‘坏’透镜。总而言之，他们制造出‘还可以’的透镜，这至少是 20 年来我们在原子尺度上成像的黄金标准。”

在光学中，像差是指镜头与完美镜头之间的任何偏差。例如，可以有几种类型的像差，例如近视和近视（眼睛不能聚焦所有距离）和散光（眼球曲率导致视力模糊）。

李解释说：“对于电磁透镜来说，聚焦这些电子的方式是通过电磁场。但我们没有很好的方法来控制电磁场的形状和强度，这对我们聚焦这些电子的精度产生了很大的限制。”

在像差校正显微镜（当前的尖端技术）中，有一组额外的透镜用于校正普通透镜的像差，这些透镜会在光束到达样品之前改变光束的形状。这些额外的像差校正透镜是显微镜成本增加的主要原因。

虽然不可能制造出完美的镜头，但过去 100 年来的目标一直是不断制造更好的镜头以最大限度地减少像差。但黄说：“叠层成像技术的令人兴奋的地方在于，你不必制造越来越好的镜头。我们可以做的是使用计算机。”

叠层成像技术不是使用一堆透镜光学元件来消除像差，而是通过计算来消除像差。使用新一代探测器（称为混合像素探测器，售价数十万美元，而像差校正显微镜的价格高达 700 万美元）和计算机算法，这种方法可以将显微镜使用物理透镜所能达到的分辨率提高一倍、三倍甚至四倍。

黄和她的团队已经证明，他们的方法将传统透射电子显微镜的分辨率提高了四倍。此外，现在几乎任何扫描透射电子显微镜都可以改装，以极低的成本实现最先进的分辨率。

虽然这种方法具有颠覆性，但黄教授指出，叠层成像技术仍然是一种具有挑战性的技术，需要大量的计算能力。一次重建可能需要几个小时才能达到最佳效果。。但是，与许多其他技术一样，计算发展相当迅速，而且变得更便宜、更快、更易于使用。

“我们把尖端技术——电子叠层扫描技术，引入到传统传输中首次证明‘普通’显微镜也能达到与市场上最昂贵的显微镜一样的效果，”黄先生说道。

“这对全国乃至全世界数百家机构来说意义重大，因为之前这些机构无法负担得起尖端设备。现在，他们只需要一台探测器、几台计算机和电子叠层扫描技术。一旦你做到了这一点，你就能比 10 年前任何人想象的都更详细地观察原子世界。这代表着一个巨大的范式转变。”