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表明，不再需要昂贵的像差校正显微镜来实现破纪录的显微分辨率。

显微镜领域正处于一场伟大的革命之中。自 1800 年代和复合光学显微镜发明以来，只有几次分辨率的重大跳跃才能看到不同的长度尺度：从细菌和细胞，到病毒和蛋白质，甚至到单个原子。

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不断提高。如此高昂的价格标签严重限制了这些工具的可及性。目前分辨率的跃升来自一种称为电子层析成像的新技术 - 一种使用计算来提高电子显微镜分辨率的方法 - 在过去的5-6年中席卷了该领域。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员在“常规”透射电子显微镜上使用电子层析法证明了破纪录的分辨率。这打破了显微镜价格随着分辨率的提高而上涨的趋势。他们能够实现低至0.44埃的深度亚埃空间分辨率，这超过了像差校正工具的分辨率，并可与它们的最高分型分辨率相媲美。

“在过去的90-100年里，我们的领域一直认为，做伟大的显微镜的方法是制造越来越好的显微镜，”领导这项工作的材料科学与工程教授Pinshane Huang说。“我们的研究最令人兴奋的事情是，我们表明你不需要尖端的显微镜来完成这项工作。我们可以用“传统”显微镜做同样的事情，使用叠层成像，它同样好!这真是太神奇了，因为两种设置之间的成本可能存在数百万美元的差异。

这项研究由前MatSE UIUC博士后研究员Kayla Nguyen，前MatSE UIUC研究生Chia-Hao Lee和阿贡国家实验室科学家Yi 江共同撰写，最近发布在《科学》杂志上。

在层析成像之前，最高分辨率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品，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出比光学显微镜小很多倍的物体。科学家们使用这些显微镜来解码物体的结构，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，可以窥视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。“不可能为电子制造一个完美的透镜，”黄说。“人们一直在做的是制造'坏'镜片，然后在它们后面放置像差校正器，这是一系列以相反方式'坏'的'坏'镜片。总而言之，它们制造了'好'的镜头，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，像差是指镜头偏离完美镜头的任何方式。例如，人眼可能有几种类型的像差，例如近视和近视和散光。

Lee解释说：“对于电磁透镜，聚焦这些电子的方法是通过电磁场。但是我们没有一个很好的方法来控制电磁场的形状和强度，这极大地限制了我们聚焦这些电子的精确度。

在像差校正显微镜中，有一堆额外的透镜来校正普通透镜的像差，从而在光束照射到样品之前改变光束的形状。这些额外的像差校正镜头会给显微镜增加大量成本。

虽然不可能制造出完美的镜片，但过去 100 年的目标一直是不断制造更好的镜片以最大限度地减少像差。但黄仁勋说，“叠层摄影令人兴奋的是，你不必制造出越来越好的镜片。我们能做的就是使用计算机。

层析成像不是使用一堆镜头光学器件来消除像差，而是通过计算来消除它们。使用新一代探测器，称为混合像素探测器，成本高达数十万美元和计算机算法，这种方法可以将显微镜的分辨率提高一倍，三倍甚至四倍。

Huang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以极低的成本实现最先进的分辨率。

虽然这种方法改变了游戏规则，但黄指出，叠层印刷仍然是一项具有挑战性的技术，需要大量的计算能力。进行一次重建可能需要数小时才能达到最佳分辨率。但是，与许多其他技术一样，计算发展得相当快，并且变得更便宜、更快、更易于使用。

“我们将一种尖端技术，即电子层析成像，带到了传统的透射电子显微镜中，首次表明'平庸'的显微镜可以与市场上最昂贵的显微镜一样好，”黄说。