显微镜技术:我想要的真的是我需要的吗?

作者:Chris Parmenter

每当我们看到新款的跑车就有购买的冲动;每当看到邻居搬进了更好的新居,我们也同样憧憬自己可以如此。在显微镜,尤其是相差矫正透射电子显微镜的研究领域,我们也同样会产生类似的心情。十年前我开始涉足电子显微镜领域,当时我非常清楚的知道,TEM存在两种相差。这两种相差使得在200kv下能够有17皮米理论分辨率值的仪器实际只能分辨几个纳米。

我记得那还是2003年,一位电子显微镜组件经理告诉我:“光学显微镜当然也存在相差,但是这种相差可以通过增加透镜来矫正。但非常不幸的是,制作一个电磁透镜来矫正透射电镜存在的相差是不可能的,要保证透镜的完美同样也是不可能的。”在很长一段时间,这确实是电镜使用者每天都必须面对的现实。2006年在札幌的IMC上,首份电镜的修正数据被展示出来,并且在2012的EMC上,我的同事声明他自己的报告是唯一一份“没有展示矫正数据”的报告。

基于上述的这些发展和图像的清晰度,大家会不禁自问,“如果每个人都能得到一张清晰的图像,那为什么我不能?”但如果是我,经常有那么一秒,会有一个声音出现,“我真的需要它吗?我会要用它吗?”

图解:二氧化铈纳米颗粒,300kv相差矫正TEM拍摄(致谢Bert Freitag, FEI)

虽然我知道周围许多研究人员非常热衷于这些,但是我们研究所却并没有立刻置办一套矫正仪器。可能有人会问难道我们不想得到最清晰的显微图像吗?但我认为我们需要先弄清一些问题,“谁真正需要这套矫正设备?设备是否使用频繁?我们拥有这套设备的意义到底是什么?”就我目前所了解的情况来看,置办一套相差矫正设备至少需要具备如下条件:

  1. 重要的基础设施投入以满足设备的运行
  2. 至少一位有能力的全时操作人员
  3. 重要的服务委托
  4. 一系列使用者来提供设备运行的资金支持。

如果这四个条件没有具备,或者即使都具备了,一个只是从表面上判定出的好想法也不一定真正能够实现。再用汽车这个例子做类比,一辆跑车也许非常适合赚取回头率,但是一个家庭95%的汽车使用时间都是日常出行或者接送孩子上下学,跑车显然在这些方面不具备实用性和灵活性。同样的道理,选择本来每加仑燃油能跑35-45英里的大轿子车或者MPV就可以完成的日常活动,你非要选择每加仑燃油只能跑7英里的悍马就确实有点过分了。

我对矫正TEMs技术十分的尊重,但同时也必须对这个图像识别的方法进行必要的反驳。如果你使用正确的方法(详见之前的邮件)制备出足够好的样品,并且仪器设备完全符合你的实验设计,它是完全能够为你呈现出具有亚纳米尺度分辨率的精彩图像的。SALVE(亚埃米低电压电子显微镜)项目就一个典型例证,它目前在碳材料领域具有特殊的用途。

图解:SALVE显微镜拍摄的石墨烯片层图像。重印已经由作者与出版集团同意(Andrey Chuvilin, U. A. Kaiser, E. Bichoutskaia, N. A. Besley, A. N. Khlobystov (2010), 石墨烯向富勒烯的直接转化. 自然杂志化学子刊, 2:450-453, doi: 10.1038/nchem.644 版权自2010自然出版集团)

当然,矫正设备在日常基础应用和研究领域还有很多应用,其中许多应用(例如超级STEM)大家都能够从开放存取方案中进一步了解。

讲到这里,请大家千万不要误解我对于晶体清晰图像的喜爱,我确实非常非常喜欢这个想法。但我同时认为,这样的清晰图像对大多数情况下的大多数样品来说都是没有必要的,尤其对那些不达标的样品。对这个问题我们确实应该有个清楚的认识,并且应该购买我们需要的而不是想要的仪器。

原文:Microscopy and Analysis

翻译:陈闽江