特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨米測MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
低溫電子顯微鏡 (cryo-EM) 在生命科學(xué)領(lǐng)域取得了革命性進展，能夠提供生物分子在天然環(huán)境下的原子分辨率結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，這項技術(shù)已擴展到材料科學(xué)，因為在材料研究中，化學(xué)和物理信息同樣重要。然而，常規(guī)透射電子顯微鏡(TEM)的高能電子束雖然能實現(xiàn)原子級成像，但對于活性或弱鍵合的材料，電子束輻射和環(huán)境暴露會導(dǎo)致降解和偽影，這限制了材料在原始狀態(tài)下的準確表征。
綜述概述
有鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹院士和趙華（Wah Chiu）院士等人回顧了冷凍電鏡技術(shù)的基本原理和進展，并探討了其在材料科學(xué)中的應(yīng)用。作者討論了用于冷凍電鏡成像的樣品制備方法，并強調(diào)了利用操作冷凍技術(shù)捕獲化學(xué)反應(yīng)中間狀態(tài)的潛力。然后，描述了電子與物質(zhì)相互作用的物理原理，相關(guān)的損傷機制，以及對各種材料類型的低溫保護的有效性。還回顧了各種冷凍電鏡成像策略，包括高分辨率低劑量技術(shù)以及4D- STEM、疊層成像術(shù)和EELS等冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展。最后，探討了采用cryo-ET技術(shù)對材料進行3D成像的當前努力和未來機會。
具體內(nèi)容
低溫樣品制備
在所有TEM表征中，樣品制備都是確保在顯微鏡下檢測到未改變結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。低溫樣品制備的主要目標是獲得一個電子透明且在低溫下（通常低于–150°C）保持在或接近其原始狀態(tài)的冷凍樣品。與典型的生物低溫電鏡制備流程類似，材料科學(xué)中的敏感材料通常對空氣也敏感，低溫電鏡制備必須保護樣品免受環(huán)境條件（水分或氧氣）影響。例如，針對敏感電池材料，需要在惰性環(huán)境（如充氬氣的手套箱）中將樣品沉積到電鏡網(wǎng)格上，然后轉(zhuǎn)移到液氮中儲存。快速冷凍不僅限制分子重排，還大大減緩反應(yīng)動力學(xué)。更重要的是，通過足夠快的冷卻速率，可以動力學(xué)地捕獲壽命在亞秒級的亞穩(wěn)態(tài)反應(yīng)中間體。例如，通過“原位操作冷凍”技術(shù)，在電化學(xué)反應(yīng)（如CO2還原反應(yīng)）進行中快速浸入液態(tài)乙烷中冷凍整個裝置，從而捕獲短壽命的中間態(tài)。對于厚度達1微米或更厚的樣品，需要使用低溫聚焦離子束銑削(cryo-FIB/SEM)來制備厚度小于100 nm的電子透明薄片。
圖 冷凍電子顯微鏡樣品制備方案示例
高分辨率低溫電鏡成像與劑量控制
實現(xiàn)高分辨率成像需要嚴格的電子劑量限制，以避免改變或破壞樣品。低劑量TEM方法通過減少電子束強度和曝光時間來最小化電子劑量。常用的工作流程包括使用搜索模式定位、聚焦模式對犧牲區(qū)域聚焦，以及曝光模式進行數(shù)據(jù)采集。結(jié)合高靈敏度直接電子探測器(DEDs)，可以實現(xiàn)劑量分幀“電影模式”采集，用于后續(xù)的幀對準和校正束流引起的漂移。例如，電池固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)在干燥狀態(tài)下允許的累積劑量通常低于1000 e-?-2，而在含有玻璃化電解質(zhì)的溶脹 SEI中，允許劑量則遠低于50 e-?-2。高分辨率低溫電鏡已成功應(yīng)用于鋰電池組件（如SEI、鋰枝晶）以及對輻射極度敏感的材料，如金屬有機框架(MOFs)和鹵化物鈣鈦礦。對于MOFs，即使在低溫保護下，總劑量超過50 e-?-2也可能導(dǎo)致不可逆損傷。
圖 使用低劑量冷凍EM的束敏感材料的高分辨率成像
低溫掃描透射電鏡和分析方法
低溫掃描透射電鏡(Cryo-STEM) 是對 TEM 的有力補充，用于結(jié)構(gòu)、化學(xué)和電子特性的表征。4D-STEM通過在每個掃描位置記錄2D衍射圖樣，生成4D數(shù)據(jù)集，從而高空間精度地提取局部結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)信息，如晶向和應(yīng)變。低溫4D-STEM已應(yīng)用于聚合物半導(dǎo)體，以納米分辨率繪制π-π堆疊取向圖。電子疊層成像 (Electron ptychography)是一種劑量高效的高分辨率成像策略，它通過計算重建樣品的復(fù)透射函數(shù)（捕獲振幅和相位信息），在低劑量條件下實現(xiàn)亞埃級的橫向分辨率，并且對輕元素具有卓越的敏感性。在可比的總電子劑量下(~20 e-?-2)，低溫疊層成像在生物顆粒上表現(xiàn)出比傳統(tǒng)低溫TEM更高的空間分辨率。電子能量損失譜(EELS)是一種基于非彈性散射的分析技術(shù)，提供有關(guān)鍵合環(huán)境、元素價態(tài)和局部電子結(jié)構(gòu)的信息。Cryo-STEM-EELS已被用于檢測電池運行過程中氫化鋰(LiH)的形成，并分析通過原位操作冷凍捕獲的瞬態(tài)電催化反應(yīng)中間體（如Cu1+態(tài)）。
圖 cryo-STEM在材料研究中的應(yīng)用實例
低溫電子斷層掃描
低溫電子斷層掃描(Cryo-ET)是一種新興技術(shù)，通過在傾斜系列中記錄2D投影圖像來重建3D結(jié)構(gòu)，能夠以納米級分辨率進行3D成像，并有望彌合宏觀器件和原子結(jié)構(gòu)之間的差距。Cryo-ET的數(shù)據(jù)采集面臨“缺失楔角”問題，這是由于有限的傾斜范圍（通常在–60°到+60°之間）導(dǎo)致的傅里葉空間信息缺失，從而在3D重建中產(chǎn)生偽影。與生物樣品相比，材料樣品可以承受更高的總劑量，這在每個投影圖像中提供了更高的信噪比，簡化了重建。Cryo-ET已成功應(yīng)用于揭示鋰金屬枝晶及其固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)的3D納米級異質(zhì)性，并結(jié)合光譜技術(shù)（如 Cryo-STEM-EDS/EELS）來理解材料降解機制和化學(xué)演變。深度學(xué)習(xí)方法，如U-Net和生成對抗網(wǎng)絡(luò)，正被應(yīng)用于低溫ET工作流程中，以提高去噪效果并解決缺失楔角問題。
圖 低溫電子斷層掃描
總結(jié)與展望
未來，低溫電鏡在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用將受益于樣品制備協(xié)議（包括玻璃化、原位操作冷凍和cryo-FIB銑削）、成像條件、儀器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的持續(xù)進步。將Cryo-EM和Cryo-ET與4D-STEM、疊層成像和EELS整合，將能夠在同一標本內(nèi)進行結(jié)構(gòu)、成分和電子特性的多模態(tài)分析。為了確保可靠的解釋，必須通過標準化流程（包括臨界劑量確定、精確劑量控制）來最小化偽影。此外，將低溫電鏡與機器學(xué)習(xí)和自動化數(shù)據(jù)采集結(jié)合，有望加速數(shù)據(jù)解釋和推廣其在材料研究社區(qū)中的應(yīng)用。
參考文獻：
Cui, Y., Zhang, Z., Sinclair, R. et al. Cryogenic electron microscopy and tomography for beam-sensitive materials. Nat Rev Phys (2025).
https://doi.org/10.1038/s42254-025-00896-4
