【摘要】 本文深度解析低温扫描透射电镜技术原理，阐述其在未染色生物样本3D成像、成分定量分析中的突破性应用，探讨与材料科学的交叉创新。包含技术对比、操作指南及前沿案例。

图1. 广场电子显微镜和扫描电子显微镜的光学示意图。[1]

 

一、冷冻电镜技术的革新价值

作为2017年诺贝尔化学奖的获奖技术，低温电子显微镜（Cryo-EM）通过水介质玻璃化技术，实现了生物样本的天然态固定。这项技术不仅能完整保存样本的立体构象，更为成分定量分析提供了技术基础。值得关注的是，​低温扫描透射电镜（Cryo-STEM）​的出现，成功突破了传统透射电镜对染色样本的依赖。

 

二、Cryo-STEM的核心技术优势

2.1 非染色样本解析能力

区别于需要重金属染色的传统TEM，STEM采用聚焦电子探针扫描技术（如图1所示），通过散射电子直接检测实现：

  • 未染色生物样本的原位成像
  • 天然含水量样本的3D重构
  • 成分密度的定量映射分析

2.2 多模态成像方案

实验数据显示，STEM通过配置环形暗场探测器（ADF）与明场探测器（BF）的协同工作，可实现：

  • 轻元素组织的明场成像（分辨率达0.2nm）
  • 重元素分布的暗场信号采集
  • 相位衬度与振幅衬度的同步解析

 

三、生物材料定量分析的关键突破

3.1 电子断层扫描新维度

结合冷冻切片技术，STEM层析成像可实现：

1.300nm厚度样本的全角度扫描（±70°倾转）

2.亚细胞结构的纳米级定位（定位精度＜5nm）

3.动态过程的时序追踪（时间分辨率达毫秒级）

3.2 数据解析新范式

通过深度学习算法对散射信号进行解码，成功建立：

  • 蛋白质复合物的密度分布模型
  • 细胞膜脂质双层的定量图谱
  • 病毒颗粒的组分浓度梯度模型

 

四、跨学科应用前景展望

在材料科学领域，该技术已拓展至：

  • 高分子材料的结晶度分析
  • 纳米药物的载药量检测
  • 锂电池电解液的界面研究

目前，清华大学等机构已建立Cryo-STEM联合实验室，相关研究成果在《Nature Materials》等顶级期刊发表频次年均增长37%（数据截至2023）。

 

参考文献：[1] Zhang J, Yang H B, Zhou D, et al. Adsorption Energy in Oxygen Electrocatalysis[J]. Chemical Reviews, 2022, 122(23): 17028-17072.

 

科学指南针已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证，提供材料测试、高端测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图、数据分析、试剂耗材、行业解决方案、指南针学院等多项科研产品和服务矩阵。企业致力于为高校、科研院所、医院、研发型企业等科研工作者，提供专业、快捷、全方位的检测及科研服务。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。