來源：測試云平臺(tái)

透射電鏡雖可達(dá)原子分辨，但電子束或環(huán)境易使敏感材料降解。冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）憑借–178 °C低溫、低劑量成像與直接電子探測器，顯著抑制損傷并保留原始狀態(tài)，還能通過plunge/operando-freeze在反應(yīng)瞬間“凍結(jié)”亞穩(wěn)中間體，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)成像與三維重構(gòu)，徹底改變了結(jié)構(gòu)解析方式。同時(shí)，結(jié)合cryo-STEM、EDS、EELS、4D-STEM及ptychography，可在納米尺度解析元素分布、化學(xué)鍵與電磁場。如今，cryo-EM的應(yīng)用已從主要關(guān)注結(jié)構(gòu)信息的結(jié)構(gòu)生物學(xué)，擴(kuò)展到同樣重視化學(xué)與物理信息的材料科學(xué)。材料比生物樣品耐劑量高1–2個(gè)量級(jí)，使cryo-ET先低分辨掃全器件，再高分辨聚焦關(guān)鍵區(qū)，從而橋接宏觀器件與原子世界，為電池等復(fù)雜體系提供三維結(jié)構(gòu)與化學(xué)信息。

成果簡介

在此，斯坦福大學(xué)崔屹院士和趙華（Wah Chiu）院士，崔一（第一作者）等人聚焦于樣品制備方法與成像策略，系統(tǒng)梳理了cryo-EM的基礎(chǔ)原理與最新進(jìn)展，并探討其在材料科學(xué)中的應(yīng)用。文章首先討論適用于cryo-EM的樣品制備方法，重點(diǎn)介紹利用operando-freezing技術(shù)捕捉化學(xué)反應(yīng)中間態(tài)的潛力。隨后闡述電子—物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制、相關(guān)損傷機(jī)理，以及cryo-EM對不同類型材料的保護(hù)效果。接著回顧多種cryo-EM成像策略，包括高分辨低劑量技術(shù)及cryo-STEM的新進(jìn)展，如4D-STEM、疊層成像（ptychography）和EELS。最后，探討將cryo-ET技術(shù)拓展至材料三維成像的現(xiàn)有努力與未來機(jī)遇。

相關(guān)文章以“Cryogenic electron microscopy and tomography for beamsensitive materials”為題發(fā)表在Nature Reviews Physics上！中科大少年班學(xué)院1600本科校友崔一（USTC1600）為本文第一作者！這也是繼Science之后，師徒兩人合作的又一重要成果！

有趣的是，2024年1月11日，崔屹和崔一曾一起發(fā)表Science正刊論文，https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5947

研究要點(diǎn)

1. 有效的樣品制備對于保持材料的原始狀態(tài)、防止成像過程中發(fā)生相變或化學(xué)反應(yīng)至關(guān)重要。

2. 先進(jìn)的快速冷凍技術(shù)已證明cryo-EM可通過在低溫下減緩或終止能源相關(guān)過程，從而捕捉其中間態(tài)；若在冷凍過程中施加外場（電場、磁場或光場），可更精確地調(diào)控這些狀態(tài)。

3. 通過低劑量技術(shù)最大限度減少電子束劑量、利用直接電子探測器最大化信噪比，并根據(jù)材料類型與樣品特性優(yōu)化成像條件，可顯著降低電子輻照損傷對 cryo-EM 成像與譜學(xué)的影響。

4. 低溫下的分析型STEM技術(shù)（如能譜EDS和電子能量損失譜EELS），結(jié)合4D-STEM 與疊層成像實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)成像，極大拓展了cryo-EM在材料科學(xué)中的應(yīng)用。

5. 冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）及先進(jìn)的數(shù)據(jù)與圖像處理方法的開發(fā)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了材料的三維成像與分析，為研究復(fù)雜材料體系開辟了新途徑。

圖文導(dǎo)讀

1.冷凍樣品制備

冷凍樣品制備是cryo-EM成功的關(guān)鍵：目標(biāo)是在<–150 °C下獲得電子透明且保持原始狀態(tài)的樣品。生物樣品通過控濕、吸液、液態(tài)乙烷plunge玻璃化，并全程液氮保護(hù)。空氣敏感的電池材料需在Ar手套箱內(nèi)完成滴樣、密封、液氮破管取網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電解液玻璃化?？焖倮鋬隹伞皟鼋Y(jié)”亞秒級(jí)亞穩(wěn)中間體，operando-freezing裝置已用于CO2RR和電池瞬態(tài)研究。厚度≤1 μm可直接plunge；更厚樣品用cryo-FIB/SEM切取2–3 μm薄片，再減薄至<100 nm，保證電子透明并保護(hù)界面。此外，并非所有束敏感材料都需冷凍，空氣穩(wěn)定體系可在室溫低劑量成像。

圖1：冷凍電鏡樣品制備的方案

2.高分辨cryo-EM與劑量控制

高分辨cryo-EM必須在極低電子劑量下成像，以避免束敏感材料損傷。常規(guī)低劑量流程分搜索、對焦、曝光三步，配合SerialEM自動(dòng)控制和DED電影模式采集，再通過幀對齊與平均算法提升圖像質(zhì)量。鋰電池SEI的劑量閾值：干燥態(tài)<1 000 e- ?-2，含玻璃化電解液時(shí)<50 e- ?-2；碳酸酯電解液在~50 e- ?-2即產(chǎn)生氫氣泡，醚類需100–200 e- ?-2。劑量分次成像已揭示干燥 SEI 的馬賽克/多層結(jié)構(gòu)及溶脹態(tài)非晶特征，并用于研究枝晶、正極界面等。MOF、鈣鈦礦等低原子序數(shù)材料更易受損，需 <25–10 e- ?-2的cryo-TEM/STEM才能保持框架或晶格完整。此外，結(jié)合operando-freeze 技術(shù)，可在單顆粒水平捕捉光致相分離等瞬態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)原子-納米級(jí)時(shí)間分辨分析。

圖2：采用低劑量cryo-EM技術(shù)對光束敏感材料進(jìn)行高分辨率成像

3.Cryo-STEM與分析方法

Cryo-STEM通過掃描亞納米電子探針并同時(shí)采集多種信號(hào)，為低溫、束敏感材料提供結(jié)構(gòu)-化學(xué)-電子一體化表征。4D-STEM以像素級(jí)衍射圖構(gòu)建四維數(shù)據(jù)集，可提取取向、應(yīng)變、相分布，需GPU加速處理。對束敏感樣品采用~2 nm探針、~10 nm步長，低溫與DED 提升劑量效率，已用于聚合物、鋰電池及鈣鈦礦等。疊層成像利用4D-STEM的相干衍射，在低劑量下實(shí)現(xiàn)亞埃分辨和3D輕元素成像，但算法復(fù)雜、采集時(shí)間長，需更快探測器與穩(wěn)定冷臺(tái)。Cryo-EELS 通過非彈性散射解析鍵合、價(jià)態(tài)和電子結(jié)構(gòu)，低溫抑制損傷，已原位捕捉電池LiH、Cu-CO2RR 中間體，并揭示量子材料的低溫電子相。三者互補(bǔ)，為束敏感體系提供近原生、原子級(jí)全面信息。

圖3：cryo-EM在材料研究中的應(yīng)用

4.冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）技術(shù)

冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）通過?60°至+60°連續(xù)傾斜樣品，采集2D投影后計(jì)算重構(gòu)3D結(jié)構(gòu)，角增量0.5–5°，并采用劑量對稱方案兼顧分辨率與輻照劑量。受機(jī)械與樣品厚度限制，存在“缺失楔”偽影，可用雙軸斷層縮減為缺失金字塔，但需進(jìn)一步降低單張劑量。 采集后先校正束致漂移、CTF，再用加權(quán)反投影、ART或SIRT算法重建。cryo-ET起源于生物大分子，現(xiàn)已拓展至聚合物、電池等無機(jī)材料；因材料耐輻照（有機(jī)電解液約100 e- ?-2），可獲得高信噪比，已揭示鋰枝晶-SEI 的 LiH 短期生長與 SEI 長期擴(kuò)展兩種老化模式。 此外，STEM 斷層（HAADF-STEM）結(jié)合EDS/EELS可實(shí)現(xiàn)元素級(jí)3D成像，用于解析硅負(fù)極表面化學(xué)演化，但需標(biāo)定cryo-STEM劑量。深度學(xué)習(xí)（U-Net 去噪、GAN 補(bǔ)全缺失楔）與高性能計(jì)算正推動(dòng)實(shí)時(shí)、高保真、自動(dòng)化的 3D 重構(gòu)，跨學(xué)科融合將催生自適應(yīng)cryo-ET 系統(tǒng)。

圖4：低溫電子斷層掃描

結(jié)論展望

綜上所述，冷凍電鏡在材料科學(xué)中的廣泛應(yīng)用將得益于樣品制備、成像條件、儀器與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。玻璃化、operando冷凍及cryo-FIB等低溫樣品制備手段的改進(jìn)，將實(shí)現(xiàn)更高時(shí)間分辨的動(dòng)態(tài)過程與反應(yīng)路徑研究。將cryo-EM/cryo-ET與4D-STEM、疊層成像和 EELS 整合，可在同一試樣上同步獲取結(jié)構(gòu)、成分與電子性質(zhì)的多模態(tài)信息。為確保復(fù)雜數(shù)據(jù)的可靠解釋，需通過標(biāo)準(zhǔn)化流程（關(guān)鍵劑量標(biāo)定、區(qū)域一致性、精確劑量控制）最大限度減少人為假象。同時(shí)應(yīng)分析多個(gè)區(qū)域和樣品，降低操作者偏差并提升可重復(fù)性。借助高穩(wěn)定低溫樣品臺(tái)、新一代直接電子探測器（DED）及實(shí)時(shí)校正算法，可有效抑制樣品漂移和束流不穩(wěn)等儀器假象。此外，cryo-EM與機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的融合，將加速數(shù)據(jù)解析并擴(kuò)大其在材料研究社區(qū)的普及。

文獻(xiàn)信息

Yi Cui, Zewen Zhang, Robert Sinclair, Wah Chiu*, Yi Cui*,Cryogenic electron microscopy and tomography for beamsensitive materials,Nature Reviews Physics, https://doi.org/10.1038/s42254-025-00896-4

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