厚聚合物和生物标本的透射电镜

一、三维电子成像技术在厚样品中的应用挑战

随着三维电子成像技术的发展，厚样品（如未染色生物组织、无定形聚合物）的透射电镜分析成为研究热点（图1）。传统薄层序列成像虽能重构三维结构，但复杂的样品制备流程限制了其应用。目前电子断层扫描结合计算机倾斜台技术，已成为获取厚样品三维信息的实用方案。

图1 非晶碳在100 keV和3 MeV之间的非弹性平均自由程和冰。黑色虚线表示碳ESTAR值增加了1.1倍。蓝色虚线表示碳中弹性散射的平均自由程。

二、TEM与STEM成像机制对比分析

针对低原子序数非晶材料（含水/干燥生物样本）的成像需求：

1.TEM对比机制：依赖相位衬度，适用于2-5μm物镜孔径场景

2.STEM优势：通过环形探测器实现深度分辨率，但需精确光路校准

3.分辨率实测：300kV设备可实现＜5nm总体分辨率，特征剂量100e/Ų时达1nm级

三、加速电压与物镜孔径的优化选择

3.1 电压参数实验验证（图2）

图2 300 keV电子穿过极薄（t < < λi）碳样品后的弹性散射（蓝色方格）和非弹性散射（红色圆圈）角分布的对数图。

• 300kV：适用于1-2μm样品，质量厚度对比度达投影值的2倍
• 1-3MV：支持10μm超厚样品，分辨率突破10nm阈值

3.2 孔径优化准则

• 2-5μm物镜孔径可平衡分辨率与信噪比
• 过小孔径导致衍射限制，过大则降低对比敏感度

四、辐射损伤控制与分辨率提升策略

1.损伤机制：电子轰击引发电离损伤（Eav≈45eV）

2.防护方案：

• 采用冷冻传输技术降低水合样本损伤
• 优化曝光参数（图3）

图3 300 keV电子穿过厚的（t≈4µm）非晶态碳样品后总（弹性+非弹性）散射角分布的对数图。

3.剂量-分辨率关系：100e/Ų剂量下可实现1nm特征识别

五、高能电子成像的未来发展方向

1.兆伏级加速电压与能量过滤技术结合

2.深度学习辅助的散射信号解析算法

3.基于切伦科夫辐射的广角散射补偿技术（θ＜20μrad）

技术参数速查表

参考文献：1.&nbspEgerton, R. F.;  Hayashida, M.; Malac, M., Transmission electron microscopy of thick polymer and biological specimens. Micron 2023, 169, 103449.

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