新型工業(yè)掃描電鏡受到越來(lái)越多的重視，高分辨率數(shù)據(jù)有海量需求,，特別是材料和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,。 然而長(zhǎng)期以來(lái),，電鏡的潛在問(wèn)題---用戶使用操作繁雜的問(wèn)題尚未解開(kāi)，一定程度上影響了儀器的普及推廣。
本文介紹工業(yè)掃描電鏡的新貴——智能電鏡。著重描述其多重的自動(dòng)化功能,。智能目的是讓電鏡成為科研和工程上得心應(yīng)手的利器，發(fā)揮工具的作用,。
新年伊始,，國(guó)產(chǎn)新型掃描電鏡如黑馬騰空而起，超高速性能達(dá)到前所未聞的新高度,。掃描電鏡成像速率實(shí)現(xiàn)雙通道100M像素/秒,。即代表表面形貌的二次電子（SE）和代表成分信息的背散射電子（BSE）同步成像,，達(dá)到2x100M像素/秒。以單通道舉例而言,，產(chǎn)生某一幅可辨認(rèn)的生物組織BSE模式圖像約花260ms,。 同樣條件下，國(guó)外某知名品牌同檔機(jī)型需花26000ms,，國(guó)產(chǎn)掃描電鏡成像速度快了一百倍,。
2x200幀/秒@512x512的高速攝像能力， 或2x60幀/秒@1024x1024即兩倍于視頻高清成像,，可實(shí)現(xiàn)捕捉動(dòng)態(tài)過(guò)程。在1.2秒內(nèi)雙通道大范圍高清成像,，對(duì)觀測(cè)一覽無(wú)遺,。電鏡一天可自動(dòng)采集產(chǎn)生2 至 8TB數(shù)據(jù)量。方便地構(gòu)建全景“地圖”集,，沒(méi)有懸念,。超微結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)成為可能。
快速生成清晰圖像是掃描電鏡的精髓,。在最佳工作距離條件下,， 新型電鏡分辨率可達(dá)1.0nm@10kV或 1.5nm@1kV。隨之而來(lái)的是老問(wèn)題：如何方便地調(diào)試操作和維護(hù)電鏡,？ 這便是智能電鏡的由來(lái),。
什么是智能電鏡？開(kāi)發(fā)智能電鏡的初衷是突破傳統(tǒng)觀念,，打消使用誤區(qū),，提供簡(jiǎn)便環(huán)境，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作,。智能電鏡功能模塊示意圖如圖一所示,。具體而言，不妨用“五個(gè)自動(dòng)”功能來(lái)概括,， 即自動(dòng)巡檢,、自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)對(duì)中,、自動(dòng)對(duì)焦,、自動(dòng)操作。
圖一 智能電鏡功能模塊示意圖
一．自動(dòng)巡檢
工業(yè)掃描電鏡的電子光學(xué)系統(tǒng)主要由電子槍,、電磁透鏡,、掃描線圈組成。電子束由電子源發(fā)出,，熱場(chǎng)發(fā)射電子槍保證有足夠的初始電子發(fā)射到樣品上,。加速電壓設(shè)在0.1 - 12kV范圍,。加速電壓越高，電子速度越快,，焦距就越長(zhǎng),，景深也越大。
電磁透鏡的磁場(chǎng)作用力不改變電子運(yùn)動(dòng)的速度,，只改變電子運(yùn)動(dòng)方向,。高速的靜電偏轉(zhuǎn)器置于物鏡內(nèi)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊,，而且保證大掃描場(chǎng)觀察時(shí)邊緣的象差較小,，以達(dá)到圖像高分辨率。 偏轉(zhuǎn)器控制光束聚焦在樣品上快速掃描,。探測(cè)器收集二次電子和背散射電子等信號(hào),。經(jīng)過(guò)放大后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可得到電子圖像信息,。
電鏡系統(tǒng)開(kāi)機(jī)自檢,。巡查之后隨即進(jìn)入工作狀態(tài)。一反以往從上至下反復(fù)調(diào)整的過(guò)程,。電鏡觀察前光學(xué)導(dǎo)航模塊會(huì)自動(dòng)地定位,、尋地和導(dǎo)航，免去耗費(fèi)大量人工在鏡前尋找觀察區(qū)域,，將工程人員從繁鎖的調(diào)試中解放出來(lái),。系統(tǒng)內(nèi)置定期全面自檢，將電子光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)到連續(xù)運(yùn)作最佳狀態(tài),。
自動(dòng)巡檢離不開(kāi)支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定體系,。發(fā)射源的穩(wěn)定起著首要作用。 一周發(fā)射電流波動(dòng)<1%,，保障了基本性能,。
二．自動(dòng)進(jìn)料
制備技術(shù)與電鏡緊密配合，大量的樣本在電鏡中連續(xù)觀察,，是提高工作效率的關(guān)鍵之一,。 以生物樣品為例，要觀察的生物樣本塊要經(jīng)過(guò)環(huán)氧包埋等樣品處理,，使其變硬好切,，之后在切片機(jī)上被切成幾十納米的薄片。切后的薄片落入收集水槽中被傳送帶捕獲,，順次以條帶排列被收集在圓硅片上面,。圓硅片上可以平整的收集幾十片乃至上百片樣品，然后承載樣品傳送入電鏡樣品臺(tái),，一次性進(jìn)行大量樣本的觀察,。
典型的掃描電鏡位置控制系統(tǒng)如圖二所示,。 10余厘米邊長(zhǎng)的見(jiàn)方樣品臺(tái)沿著X軸和Y軸精密導(dǎo)軌行程自由位移。樣品重復(fù)定位精度達(dá)200nm,。這就避免了每次重調(diào)位置的必要性,。
圖二 掃描電鏡位置控制系統(tǒng)示意圖
電鏡成像要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，還需要制備技術(shù)同步跟上,。制備與電鏡的無(wú)縫銜接,，樣品直接切片收集，必要時(shí)可采用條帶或卷盤機(jī)方式自動(dòng)傳送進(jìn)入電鏡,。
三．自動(dòng)對(duì)中
一鍵對(duì)中成為智能電鏡的新常態(tài),。為保證電子束沿光電部件的軸線穿行，轟擊到樣品的縱向光軸必須合軸,，即光闌對(duì)中,。這既是使用者的期盼，也是電鏡設(shè)計(jì)者的境界,。
掃描電鏡發(fā)明80年以來(lái)，對(duì)中始終是困擾使用者的第一難題,。業(yè)界某些品牌電鏡,，級(jí)數(shù)多，可調(diào)點(diǎn)也隨之增加,。常規(guī)情況下,，在更換樣品、調(diào)整加速電壓和探測(cè)器類型時(shí)需要檢查光闌是否對(duì)中,。往往要打開(kāi)調(diào)焦搖擺功能,，查看高倍數(shù)下電子圖像是否上下左右擺動(dòng)。若擺動(dòng)則調(diào)節(jié)光闌對(duì)中按鈕,，直至圖像僅出現(xiàn)上下擺動(dòng),。誰(shuí)知，旋鈕越多,，帶來(lái)的麻煩也越多,。
智能電鏡反其道而行之，來(lái)了個(gè)逆襲,， 取消可調(diào)按鈕,，無(wú)需進(jìn)行人工對(duì)中電子光學(xué)系統(tǒng)，僅通過(guò)電腦屏幕上的按鍵一鍵全自動(dòng)對(duì)中,。
將電子槍,、光闌、樣品的光軸在納米級(jí)層次上重合對(duì)中,，是一場(chǎng)技術(shù)上的挑戰(zhàn),。 背后的原因是從設(shè)計(jì)到制造成品過(guò)程中,，電鏡已經(jīng)預(yù)置完成了對(duì)中的環(huán)節(jié)。自動(dòng)對(duì)中是由光電和機(jī)械相結(jié)合,、硬件和軟件相配合而實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)工程,。 而首要還是靠硬件，尤其是采取了三級(jí)調(diào)試鎖定,，一攬子徹底解決,。
光電系統(tǒng)是保障光軸對(duì)中的基礎(chǔ)。不同落點(diǎn)能量條件下,，電子束從電子源發(fā)出,，在鏡筒中運(yùn)動(dòng)直至物鏡前，始終保持一個(gè)相同較高的能量,。這樣在變換落點(diǎn)能量和變化束流時(shí),，顯微鏡內(nèi)電子束軌跡幾乎不變，因而無(wú)需大幅度地對(duì)中調(diào)節(jié),。更精細(xì)的對(duì)中調(diào)節(jié)則通過(guò)電子源與物鏡之間的自動(dòng)對(duì)中線圈來(lái)實(shí)現(xiàn),。
四．自動(dòng)對(duì)焦
掃描電鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束直徑。 所以對(duì)準(zhǔn)焦距是重要的,。高穩(wěn)定的加速電壓下,，焦距的變化是很小的。
圍繞壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的納米級(jí)高精度樣品臺(tái),，一套光學(xué)測(cè)高部件組成的聚焦追蹤系統(tǒng)使物鏡到樣品的工作距離始終對(duì)焦,，如圖三所示。當(dāng)樣品移動(dòng)時(shí),，樣品表面到物鏡距離略有變化,，從激光測(cè)距獲取的Z軸位移信息反饋到系統(tǒng)，便實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)微調(diào)樣品臺(tái),，從而保證樣品表面到物鏡的距離不變,。一旦焦距發(fā)生變化，信息會(huì)反饋到放大回路,，實(shí)時(shí)予以補(bǔ)償,，使物鏡聚焦不變，移動(dòng)樣品依然保證清晰的圖像,。
這樣就便于在大面積掃描成像時(shí)候,，無(wú)需人工調(diào)整電子光學(xué)聚焦，可自動(dòng)地生成全景式樣品“地圖”集,。
圖三 掃描電鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)示意方塊圖
這與一般電鏡通過(guò)調(diào)整物鏡電流來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦是不同的,。 雖然改變磁透鏡聚焦線圈中的電流強(qiáng)度，可控制磁透鏡的焦距和放大倍數(shù),， 但是反復(fù)調(diào)整線圈電流來(lái)改變焦距的方法既費(fèi)事效率又不高,， 還可能引起磁場(chǎng)變化,。
五．自動(dòng)操作
傳統(tǒng)的電鏡在開(kāi)始工作前，需要進(jìn)行電子束對(duì)中→調(diào)節(jié)光闌→聚焦→亮度對(duì)比度調(diào)節(jié)等一系列常規(guī)調(diào)整過(guò)程,。
智能工業(yè)掃描電鏡系統(tǒng)從輸入到輸出始終秉承 “自動(dòng)化”概念,，給使用者一個(gè)全新視角， 走出“電鏡觀察范圍小又難調(diào)”的誤區(qū),。面對(duì)智能電鏡,，使用者僅需把樣品穩(wěn)定地放在自動(dòng)化樣品臺(tái)上，樣品就按照預(yù)定程序送進(jìn)送出,。樣品從平臺(tái)自動(dòng)推進(jìn),，進(jìn)入高真空環(huán)境，樣品位置受到導(dǎo)航控制,。樣品觀測(cè)可以自動(dòng)選擇,，無(wú)需手動(dòng)操作，大面積圖像觀察和成像就可自動(dòng)地完成,。采集的圖像可存放一邊,，隨時(shí)調(diào)進(jìn)調(diào)出待閱，并可進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重構(gòu),。
基于自動(dòng)對(duì)中自動(dòng)對(duì)焦自動(dòng)操作,，智能電鏡不妨可俗稱傻瓜機(jī)電鏡。作為參照物,，數(shù)碼相機(jī)人稱傻瓜機(jī)，無(wú)需調(diào)節(jié)光圈速度和焦距,，只需按下快門就可拍照,。另一參照物是由大哥大移動(dòng)電話更新?lián)Q代而來(lái)的智能手機(jī)，拍照時(shí)光圈焦距均已自動(dòng)識(shí)別調(diào)準(zhǔn),。普及的原因也就不言而喻了,。
結(jié)語(yǔ)
智能電鏡的理念是“簡(jiǎn)單， 一種全新的體驗(yàn)”,。電鏡向來(lái)稱為精密儀器高端裝備,，如今落地變成通用工具普及產(chǎn)品。這一華麗轉(zhuǎn)身,，是對(duì)新興產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的響應(yīng),。
顛覆傳統(tǒng)觀念是一條漫長(zhǎng)而艱辛的路。鏡筒從長(zhǎng)槍大炮演變到短小精悍,，控制旋鈕從多到無(wú),，經(jīng)歷了幾代更新。完美的設(shè)計(jì)是恰到好處,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，操作也簡(jiǎn)單,。如果設(shè)計(jì)人員缺乏親身體驗(yàn)，是難以抓住電鏡本質(zhì)的,。正如手機(jī)的快速發(fā)展,，源自設(shè)計(jì)者從實(shí)用獲得靈感，從人體工程出發(fā)挖掘潛能追求極致,。國(guó)產(chǎn)智能電鏡初出茅廬尚在路上,，期待夯實(shí)基礎(chǔ)愈加成熟，走向市場(chǎng)造福于民,。