吉尼斯世界紀錄誕生記：顯微鏡最高解析度是如何實現的？

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編者按

近期，《自然》雜誌上發表的一項研究，創造了顯微鏡圖像解析度的最新吉尼斯世界紀錄，達到0.04納米——大概是普通原子—原子鍵長的三分之一到五分之一，只有頭髮絲直徑的二百五十萬分之一（相當於一只螞蟻的長度和珠穆朗瑪峰高度的比值）。如此高的解析度是如何實現的，對我們認識複雜的微觀物質世界有什麼影響？陳震和姜毅是該項工作的主要參與者，他們將講述這項世界紀錄的誕生，以及該方法的應用和發展前景。

撰文 | 陳震 （美國康奈爾大學）

姜毅 （美國阿貢國家實驗室）

責編 | 李娟

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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圖像的解析度直接決定了我們認識世界的深度。例如，近視眼就無法看到較遠的事物的很多細節。而在人類認識微觀世界的過程中，顯微鏡的解析度的提高往往會革新我們對世界的看法。但是，在材料研究中廣泛使用的電子顯微鏡（以下簡稱電鏡），距離理想成像仍然相去甚遠，最好的也要差四十倍。在解蛋白質等生物大分子中廣泛使用的冷凍電鏡方面，由於生物分子很容易被電子束破壞，解析度甚至相差更遠。因此，進一步提高電鏡的解析度一直是科學家們努力的目標。

電鏡是如何成像的

大家都知道，光學顯微鏡通過光學透鏡聚焦可見光對樣品成像。而由於可見光波長較長，解析度只能達到幾百納米。用電子做顯微鏡來成像是基於量子力學的波粒二象性，也就是說，可以把通常認為是粒子的電子看成一種波，這樣電子就可以類比可見光用來成像。1933年，Ernest Ruska發明了第一台電鏡，並因此獲得了1986年諾貝爾物理學獎。

電鏡有很多種，常被用來研究原子結構圖像的是透射電鏡。我們的最新研究就是使用的透射電鏡。這種電鏡一般使用很高能量的電子，電子速度可達光速的一半。其成像原理是，當電子在經過材料時，由於散射效應，電子的路徑和分布會被改變，探測穿透材料的電子分布，就能夠得到材料的微觀結構圖像。在經過了近九十年發展後，透射電鏡已經成為一種非常先進的實驗平台，集成各種電子設備和探測器，可以獲取各種類型材料的微觀結構和化學組成等信息。

電鏡的應用局限

由於解析度的極限取決于波長，電子的波長遠小於可見光的波長，因此，電鏡發明後不久，解析度就超越了最好的光學顯微鏡。隨後，電鏡的解析度提高很快，到上世紀七八十年代，實現了直接觀測單個原子。

然而，電磁透鏡對電子的聚焦並不完美，存在很大的像差（相對於原始被成像物體，成像系統得到的圖像存在畸變和模糊等差異），電鏡的解析度遠未達到波長決定的極限。

早在1948年，就有對電磁透鏡的像差進行矯正的理論設計，但是直到1996年，由於電腦控制技術的大幅進步和電子器件穩定性的顯著提高，球差矯正器才真正被製造出來。此後，球差矯正器技術發展迅速，電鏡的解析度也飛速提高，在差不多十年內，解析度很快從0.2納米提高到0.05納米。

但是，自2008年解析度達到略好於0.05納米之後的十年，電鏡的解析度僅有非常小的提高。而進一步提高解析度非常困難，需要設計新的複雜透鏡系統，並且要求非常穩定的電磁信號和環境系統，甚至需要擔心量子擾動。

誠然，0.05納米已經遠小於普通的原子—原子間距（0.1~0.2納米），目前的解析度已經足夠解決很多材料的結構問題。不過，這種級別的解析度並非可以在所有材料體系中實現。首先，這個解析度必須使用很高能量的電子成像，很多材料無法承受如此高能量的電子，在得到結構信息之前就被電子束破壞。其次，這種解析度需要很苛刻的實驗條件，在大部分實驗室里根本無法實現。

?顯微鏡解析度的發展歷史，David Muller製作

提高電鏡解析度的新途徑

早在1969年，Hopper, W. 提出了另外一種基於衍射的成像理論。在材料中，由於干涉效應，衍射盤重疊產生的強度強弱變化包含了材料結構的相位信息，因此，可以利用某種數學方法從衍射圖反解出實空間的結構。這種方法就是我們最近的研究所採用方法的起源，稱為ptychography，這個英文詞來源於希臘文「摺疊」，因此在這裡翻譯為層疊衍射成像技術。

層疊衍射成像技術的最大優勢在於，理想情況下，不需要使用用於成像的電磁透鏡，因此也稱為無透鏡成像技術（現有的數學處理方法尚不夠完善，仍需要較好的物理透鏡的輔助）。該方法其實也提供了一種非常有效的突破成像透鏡像差對解析度限制的途徑。在X射線成像領域，由於物理透鏡的加工技術所限，進一步提高解析度非常困難，而可以比較容易提高解析度的層疊衍射成像非常有用，因此，在很多同步輻射中心都建有專門的利用層疊衍射成像的線站。但是，在電鏡中，由於受到成像系統穩定性，以及二維面探測相機在讀取速度和動態範圍等方面的制約，這種技術在電子顯微學領域沒有得到廣泛關注。

該技術的實驗設置如下圖所示，通過移動電子束掃描樣品，記錄從不同位置得到的衍射圖，得到包含位置和動量信息的四維數據。由於這種匯聚束衍射圖的中心透射斑非常強，衍射斑非常弱，強度差很容易高達上千倍，這樣就要求探測相機具有非常大的動態範圍和非常高的靈敏度。並且需要在原子尺度保持穩定性，因此也要求相機的讀取速度足夠快。同時滿足這些條件的相機在技術實現上是非常困難的。

成功實現電鏡最高解析度的突破

從十幾年前開始，康奈爾大學的David Muller教授和Sol Gruner教授課題組就開始合作研發用於衍射成像的二維面探測相機。

最開始進展並不順利，第一台相機直接使用用於探測X射線的晶元，只實現了快的讀取速度和高的靈敏度，非但沒有實現高的動態範圍，甚至無法承受高能電子束輻照，很快就被電子束破壞而無法繼續工作。

為了突破這一點，新一代的電鏡像素陣列相機（EMPAD）改進了設計，於2015年正式安裝於電鏡中。EMPAD具有一到一百萬電子的超大的線性響應範圍，雜訊小於一百四十分之一個電子，具有完全的單電子靈敏度，讀取速度可達1100幀每秒，使其非常適合掃描衍射成像。在開始的應用中，David Muller課題組利用該相機，採用納米束衍射技術，實現了二維材料超高精度應變測量和鐵電體極化等成像。

?實現解析度紀錄的透射電鏡，圖片來源於美國康奈爾大學CCMR網站

由於該相機的動態響應範圍高達一百萬電子，為真正採用層疊衍射成像技術提高解析度提供了可能性。然而，提高解析度，特別是突破現有電鏡最高的解析度仍非易事。在接近百分之一納米的尺度，非常微小的擾動就會完全破壞成像系統的解析度。該相機仍然有提高的空間，首先，該相機一般工作時採集圖像的速度在每秒500-1000幀，仍然比通常使用的點探測器（例如，環形暗場相機）慢1000倍。較慢的採集速度會帶來較大的樣品漂移和輻照損傷。同時，在實際實現中，層疊衍射成像演算法要求儘可能準確地知道各種實驗參數，不希望有明顯的樣品漂移和掃描雜訊。另外，因為目前電鏡的解析度已經好於通常的原子—原子間距，尋找合適的樣品來標定更高的解析度也是一個問題。

因此，優化實驗條件、校正實驗參數、找到合適的樣品以及解決演算法中的各種參數設定等都花費了我們很多的時間和精力。最終，我們選擇單層二硫化鉬在衍射頻率空間標定解析度，選擇一種小旋轉角的雙層二硫化鉬在實空間展示解析度。其實，在頻譜空間已經展示出，該方法和實驗數據已經達到了超高解析度。但是在電子顯微學領域，真正在實空間圖像上分辨出近距離的原子間距才是更為信服的解析度標定方法。而帶有旋轉角的雙層二硫化鉬投影到平面上，提供了從兩層原子完全重合到出現一定的原子錯位，產生了0到大約0.2納米連續變化的投影原子間距，因此非常適合用來標定解析度。經過大量實驗嘗試和數據分析，最終，我們實現了0.04納米的新的解析度世界紀錄。

?該工作得到的最高解析度的圖像。材料為具有小的旋轉角的雙層二硫化鉬，中間圖為實驗圖，周圍為結構模型

應用前景

該工作發表之後，引起了很大反響。《自然》雜誌專門邀請該領域的開拓者之一Rodenburg, J.撰寫了《突破紀錄的顯微鏡》（A record-breaking microscope）的評論。多家主流科研評論網站都發表了評論文章。例如，Chemistry world發表了《以最高解析度對二維材料拍照》（2D materials captured at highest ever resolution）的評論。Science Alert發表了《新的顯微學方法實現了單原子成像的新紀錄》（A Genius Microscopy Method Just Set a Record in Imaging Individual Atoms）的評論。http://Phys.org則轉載了康奈爾大學網站上發表的《電鏡探測器實現了解析度紀錄》（Electron microscope detector achieves record resolution）。並且，吉尼斯紀錄也收錄了該結果為最新的解析度世界紀錄。

Rodenburg在《自然》的評論中說道，該工作首次證實了層疊衍射成像方法可以超越最好的物理成像透鏡，產生了新的解析度世界紀錄。這麼高的解析度，並且是使用低能量低劑量的電子成像，對容易被電子束破壞的「脆弱」材料的結構表徵意義重大。

我們的研究工作展示了層疊衍射成像技術的可行性和潛力，真正將該方法推向實用化。相信該方法很快會被廣泛應用於解決很多類型材料的微觀結構問題，例如二維材料、能源材料和多孔材料等。目前還在迅速發展的三維重構演算法，加上該方法具有的高的解析度和相位襯度，也給三維全息結構重構提供了一種可行性。另外，初步的研究表明，該方法有望趕上甚至超越目前通用的冷凍電鏡的單顆粒成像技術，可能對生物大分子結構的測定產生革命性的影響，有望在解決癌症等困擾生物學和醫學多年的疾病上做出貢獻。

從最初被提出到真正實用化，層疊衍射成像技術的發展經過了七十年，即使從上世紀九十年代出現明確的實現方案算起，也經過了將近三十年。最初發展該方法的研究者的眼光和堅持非常值得欽佩。要知道該方法需要大量的計算機計算，在上世紀九十年代，根本無法想見電子計算機可以發展到現在這種程度，更無法預見電鏡和探測相機可以達到該方法的要求。

事實上，學術研究上不乏這樣的事例和研究者。發明或發展一種很有用的工具或方法，有時候可能比使用現有的工具或方法解決一個實際問題更有價值。當然，發展工具或方法也可能比解決一個實際問題困難得多。因此，科研評價在看重解決實際問題的研究的同時，也應該鼓勵研發新的方法和工具。

1. Jiang, Y., Chen, Z., Muller, D., et al. Nature 559, 343-349 (2018).

2. Hopper, W., Acta Crystallographica A 25, 495-501 (1969).

3. Rodenburg, J, Faulkner, H., Applied Physics Letters 85, 4795 (2004).

4. Pfeiffer, F., Nature Photon, 12, 9-17 (2018).

5. Rodenburg, J. Nature News & Views, 559, 334-335 (2018).

製版編輯 | 皮皮魚

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