显微技术的突破有望为敏感材料提供更好的成像

都柏林圣三一学院领导的一个国际科学家小组利用最先进的显微镜设计出一种创新的成像方法，大大减少了所需的时间和辐射。他们的工作是一项重大突破，将惠及从材料科学到医学等多个学科，因为这种方法有望改善敏感材料（如特别容易受损的生物组织）的成像。

目前，扫描透射电子显微镜（STEM）引导一束高度集中的电子束穿过样品，逐点建立图像。传统上，在每个点上，电子束都会停止一段固定的预定时间，暂停以积累信号。

这有点像使用照相胶片的相机，无论图像区域的特征如何，都能产生曝光时间恒定的图像。电子不断落在样品上，直到每个像素的所谓“停留时间”过去。传统方法操作简单，但有可能使用过量的破坏性辐照，导致样品变形或毁坏。

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然而，新方法通过重新考虑成像的基本逻辑，彻底改变了基本方法。研究小组开发了一种基于事件的检测系统，测量检测到一定数量的事件所需的不同时间，而不是在固定的时间内进行观测并测量检测到的 "事件 "数量--电子从样品的不同部位散射以形成图像。

这两种方法都能提供等效的 "探测率 "图像对比度，但关键的是，他们的方法背后的新数学理论表明，在每个探测位置探测到的第一个电子能为建立图像提供大量信息，但随后的电子撞击到相同点所提供的信息回报会迅速减少。而标本上的每个电子都会带来同样的损坏风险。

从根本上说，这种新方法意味着你可以在成像效率最高的时候“关闭”照明，只需要更少的电子就能生成质量相似或更好的图像。

但是，仅有理论是无法实现减少辐射模式的。为了实现这一目标，研究小组与 IDES Ltd.共同申请了一项技术（Tempo STEM）的专利，该技术结合了高科技“光束消隐器”，在样品的每个测量点达到所需的精度后关闭光束。

Lewys Jones博士是都柏林圣三一学院物理学院的Ussher助理教授、爱尔兰皇家学会-科学基金会大学研究员，也是SFI先进材料和生物工程研究中心AMBER的研究员，他领导的团队在《科学》杂志上发表了这篇研究文章。

他说：“以如此令人兴奋的方式将两种已经非常先进的技术结合在一起，是显微镜功能的一次真正飞跃。让显微镜专家能够在纳秒级的时间内'空白'或'关闭'电子束，以应对实时事件，这在以前是从未有过的。我们的方法降低了生成高质量图像所需的总体辐射剂量，消除了只会带来递减回报的过量剂量，并避免了对样品造成不必要的损害。”

三一学院的Jon Peters博士是这项工作的第一作者。他说：“从辐射的角度来看，我们往往认为电子是相对温和的，但当电子以光速的 75% 左右的速度射向微小的生物样本时，对这些样本造成损害就不足为奇了。这一直是显微镜的一个主要问题，因为你得到的图像可能无法使用，或者更糟，会产生误导。如果你需要对未来的电池材料或催化剂开发做出决策，这显然是个问题。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-08-microscopy-breakthrough-imaging-sensitive-materials.html

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado8579