重新构想电子显微镜为低成本显微镜带来高端分辨率

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即可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 年代复合光学显微镜发明以来，观察不同长度尺度的分辨率仅发生了几次重大跳跃：从细菌和细胞，到病和蛋白质，甚至到单个原子。一般来说，随着分辨率不断取得令人难以置信的飞跃，用于实现该分辨率的显微镜的价格也随之提高。如此高昂的价格严重限制了这些仪器的可及性。当前分辨率的飞跃来自一种称为电子叠层成像术的新技术，这是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 年中席卷了该领域。

诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员在“传统”透射电子显微镜(没有昂贵的像差校正器的传统含义)上使用电子叠印术展示了破纪录的分辨率。这打破了显微镜价格随分辨率增加而上涨的趋势。他们能够实现低至 0.44 埃的深亚埃空间分辨率(一埃是十亿分之一米)，这超过了像差校正工具的分辨率，可与最高的叠印分辨率相媲美。

领导这项工作的材料科学与工程教授Pinshane Huang表示：“在过去的 90-100 年间，我们的领域一直认为，制造出色的显微镜的方法就是制造越来越好的显微镜。” “我们的研究最令人兴奋的事情是，我们表明您不需要尖端显微镜即可完成这项工作。我们可以使用“传统”显微镜，使用叠层描记术做同样的事情，而且效果一样好!这是令人惊奇的，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和阿贡国家实验室工作人员科学家Yi Jiang共同第一作者，最近发表在《科学》杂志上。

在叠印术出现之前，最高分辨率的电子显微镜使用一种称为像差校正的技术来使科学家能够看到单个原子。电子显微镜不使用光束来探测样品，而是使用由电磁体聚焦的电子束。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。科学家们使用这些显微镜来解码各种物体的结构，从 COVID-19 病上的刺突蛋白到石墨烯中的原子排列，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。“人们一直在做的补偿是制造&luo;糟糕&ruo;的镜头，然后在它们后面安装像差校正​​器，这是一系列以相反方式&luo;糟糕&ruo;的&luo;糟糕&ruo;镜头。总而言之，他们制造出了“不错”的镜头，而这一直是至少 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，人眼可能有多种类型的像差，例如近视(眼睛无法在所有距离聚焦)和散光(眼球曲率导致视力模糊)。Lee 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确度造成了很大的限制。” 在像差校正显微镜(当前的尖端技术)中，有一个额外的透镜堆栈来校正常规透镜的像差，从而在光束撞击样品之前改变光束的形状。这些额外的像差校正透镜会显着增加显微镜的成本。

虽然不可能制造出完美的镜头，但过去 100 年的目标是不断制造更好的镜头以最大限度地减少像差。但黄说：“叠印术的令人兴奋之处在于，你不必制作越来越好的镜头。我们能做的就是使用计算机。”

叠层摄影术不是使用一堆透镜光学器件来消除像差，而是通过计算来消除像差。借助新一代探测器(称为混合像素探测器)，其成本高达数十万美元(与高达 700 万美元的像差校正显微镜相比)和计算机算法，这种方法可以将分辨率提高一倍、三倍甚至四倍。显微镜可以通过其物理镜头实现。黄和她的团队已经证明，他们的方法使传统透射电子显微镜的分辨率提高了四倍。此外，现在几乎所有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，叠印仍然是一项具有挑战性的技术，需要大量的计算能力。单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，计算进步非常迅速，并且变得更便宜、更快、更容易使用。

黄说：“我们将一种尖端技术，即电子叠印术，引入到传统的透射电子显微镜中，首次证明&luo;普通&ruo;显微镜的性能与市场上最昂贵的显微镜一样好。” “这对于全国和世界各地数百家以前无力承担尖端技术的机构来说意义重大。现在，他们所需要的只是一个探测器、一些计算机和电子叠印术。一旦你这样做了，你就能看到原子世界，其细节比十年前任何人想象的都要详细得多。这代表着一个巨大的范式转变。”

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