一項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合了增強(qiáng)的背景校正與穩(wěn)定掃描，可揭示敏感材料的完整元素分布信息。

冷凍透射電子顯微鏡（cryo-TEM）徹底改變了科學(xué)家研究生物和有機(jī)材料的方式?？焖倮鋬鰳悠房蓪⑵浣Y(jié)構(gòu)保存在接近自然狀態(tài)。

多年來，研究人員利用該技術(shù)高分辨率地研究生物物質(zhì)的尺寸、形狀和分散情況。但冷凍電鏡有一個(gè)主要盲點(diǎn)：它難以揭示元素組成，而這是理解材料功能的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)有的解決方案，如能量過濾透射電鏡（EF-TEM）和電子能量損失譜（EELS），可以檢測(cè)元素信號(hào)，但它們存在缺點(diǎn)：經(jīng)常損傷樣品、存在圖像漂移問題，且主要用于金屬或塊體材料的研究。

超越結(jié)構(gòu)的成像

日本東北大學(xué)（Tohoku University）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已解決了這一局限。他們開發(fā)了一種新型冷凍-EELS/EF-TEM技術(shù)，能夠在冷凍溶劑中同時(shí)捕獲樣品的結(jié)構(gòu)和元素組成。

該方法使研究人員能夠在不影響圖像清晰度或損傷樣品的情況下，研究敏感的有機(jī)納米材料。

傳統(tǒng)EELS成像的問題有兩點(diǎn)：樣品內(nèi)部的冰層會(huì)增加不必要的背景信號(hào)，而掃描過程中的漂移會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。這些問題使得難以分辨所研究的實(shí)際材料，特別是在生物或軟有機(jī)樣品中。

為解決此問題，東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了“三窗口法”（3-window method），這是一種已知的EELS背景校正方法，并針對(duì)冷凍環(huán)境進(jìn)行了專門優(yōu)化。這種改進(jìn)的背景扣除有助于消除冰層的干擾，使目標(biāo)材料的元素信號(hào)清晰顯現(xiàn)。

用新工具解決漂移問題

在長(zhǎng)時(shí)間的EELS掃描中，漂移仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)此問題，該團(tuán)隊(duì)引入了一種漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，可在整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中穩(wěn)定圖像。他們還為ParallEM顯微鏡控制系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)軟件擴(kuò)展。該工具可在元素分布圖繪制過程中自動(dòng)調(diào)整能量偏移，從而簡(jiǎn)化流程。

應(yīng)用新方法后，研究人員成功地在冷凍溶劑中（高度模擬真實(shí)生物環(huán)境）可視化了小至10納米的二氧化硅納米顆粒中的硅元素分布。

他們還在羥基磷灰石（骨骼和牙齒中的一種磷酸鈣材料）顆粒上測(cè)試了該技術(shù)。該方法清晰地揭示了鈣和磷這兩種具有重要生物學(xué)意義的元素分布，同時(shí)呈現(xiàn)了顆粒的結(jié)構(gòu)。

廣闊應(yīng)用前景

能夠以如此精細(xì)的分辨率同時(shí)繪制結(jié)構(gòu)和成分分布圖，開辟了巨大的可能性。該技術(shù)現(xiàn)在可支持生物材料、醫(yī)用植入物、食品技術(shù)、催化劑甚至功能性墨水等領(lǐng)域的研究。

該研究成果于2025年7月31日發(fā)表在《分析化學(xué)》期刊上。

通過克服冷凍-EELS和EF-TEM的核心限制 —— 即漂移、損傷和背景噪聲，東北大學(xué)團(tuán)隊(duì)拓展了冷凍電鏡的應(yīng)用邊界。如今，跨學(xué)科的研究人員擁有了一種強(qiáng)大的新工具，可以在不損失樣品細(xì)節(jié)或完整性的情況下，探索納米尺度材料隱藏的化學(xué)信息。

如果朋友們喜歡，敬請(qǐng)關(guān)注“知新了了”！