電子顯微鏡一直是尖端科學研究中不可或缺的重要工具，它提供了無與倫比的高解像度和放大能力，幫助人類探索無限的微觀世界。然而，現(xiàn)有的電子顯微鏡科技面臨著高成本、大體積，以及因為電子與研究樣本會產(chǎn)生作用并導致輻照損傷而需要極度低溫環(huán)境等不同限制。
為突破上述技術樽頸，香港城市大學（香港城大）科研團隊正在致力于研發(fā)電子束和樣本產(chǎn)生“零作用”的未來“量子電子顯微鏡”。團隊現(xiàn)階段把量子電子顯微鏡的部分零組件設計成一款可以在室溫下操作的緊湊型掃描與透射一體化電子顯微鏡，開創(chuàng)了電子顯微鏡的新紀元。他們計劃在三年內(nèi)把這革命性的高倍電子顯微鏡創(chuàng)新技術商品化，把它制造成產(chǎn)品推出市場及量產(chǎn)。
這項目名為“脈沖空心錐掃描與透射一體化電子顯微鏡的商業(yè)化計劃”，由香港城大材料科學及工程學系講座教授陳福榮教授領導，最近獲得香港特別行政區(qū)政府創(chuàng)新科技署的“產(chǎn)學研1＋計劃”（RAISe+計劃）撥款資助。該計劃旨在釋放本地大學在研究成果轉(zhuǎn)化和商品化方面的潛力。
香港城大陳福榮教授（左二）與他的研究團隊成員，包括薛又峻教授（左一）、陳巖博士（右二）和陳宇馳先生（右一），早前出席“產(chǎn)學研1+計劃”簽署儀式。（圖片來源：香港城市大學）
透射電子顯微鏡（transmission electron microscopes，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopes，SEM）是許多現(xiàn)代科研工作中必不可少的工具。從生物樣本到納米結(jié)構，TEM及SEM電子顯微鏡都能提供超高放大率及解像度的圖像，幫助科研人員研究各種材料既復雜又精密的細節(jié)。
然而，無論是透射還是掃描電子顯微鏡使用的高能量電子束，均會對脆弱的生物樣本造成嚴重的輻射損傷。故此，在結(jié)構生物學領域，科研人員便采用冷凍透射電子顯微鏡（cryo-TEM）技術，即是先把蛋白質(zhì)置于玻璃態(tài)冰層中，然后才進行觀測，以減少高能量電子束造成的輻射損傷。但缺點是冰層的引入，會對顯微成像帶來圖像雜訊，導致解像度下降。
為應對這些挑戰(zhàn)，陳福榮教授及其香港城大科研團隊基于他們在香港城大福田研究院（現(xiàn)更名為“香港城市大學物質(zhì)科學研究院（福田）”）研發(fā)出的尖端技術，創(chuàng)制了“脈沖電子空心錐照明混合TEM/SEM電子顯微鏡”。
這創(chuàng)新的顯微鏡系統(tǒng)在多方面克服及解決了現(xiàn)有電子顯微鏡的技術限制。首先，新系統(tǒng)的脈沖電子源減少了對軟材料樣本的輻射損傷，這對于保護生物樣本尤其重要；其次，透過空心錐照明技術產(chǎn)生的樣本放大圖像，其“對比度”是傳統(tǒng)透射電子顯微鏡模式所產(chǎn)生的明場圖像的四倍，遂能夠更詳細及清晰地對樣本進行成像。此外，香港城大團隊亦將利用它之前已開發(fā)出的色差和球面像差校正器（CS/SS）技術，進一步提高顯微影像的空間解像度。
而這套混合TEM及SEM的電子顯微鏡系統(tǒng)是座臺型，比傳統(tǒng)的TEM/SEM電子顯微鏡體積細小得多，而且更具成本效益。它可以在15-30 keV的低電壓范圍內(nèi)操作，亦能夠在普通室溫下進行3D蛋白分子重建和納米材料研究，較冷凍電子顯微鏡更佳。
團隊亦展示了新的電子顯微鏡系統(tǒng)在多種不同的應用場景中，均能提供極高解像度的成像，包括可以優(yōu)于10nm的超高表面解像度，對印刷電路板上的金屬接觸點、納米顆粒和其他生物樣本進行成像。
團隊相信，新設計的電子顯微鏡最終可以做到在透射模式下觀測蛋白質(zhì)和分子的3D立體結(jié)構，以及在掃描模式下觀測納米材料并應用于半導體和晶片檢測。
“與現(xiàn)有的桌上型掃描電子顯微鏡（SEM）系統(tǒng)相比，我們最新研發(fā)的脈沖電子空心錐系統(tǒng)提供了優(yōu)異的SEM電子顯微成像質(zhì)數(shù)，能夠與市場上最好的桌上型系統(tǒng)媲美?！标惛s教授續(xù)說：“此外，現(xiàn)時市場上并沒有電子顯微鏡產(chǎn)品的質(zhì)量，達致我們新系統(tǒng)的同等高質(zhì)量。我們的脈沖空心錐照明系統(tǒng)具有獨一無二的卓越性能，能夠使用透射電子顯微境（TEM）模式進行3D立體蛋白質(zhì)重建，這是現(xiàn)時桌上型SEM所無法做到的。”
香港城大陳福榮教授（左）和薛又峻教授（右）于2023年4月分享了他們在“高時間分辨電子顯微鏡”研究的最新成果及突破，這嶄新的電子顯微鏡系統(tǒng)結(jié)合了掃描和透射電子顯微鏡模式，體積小巧，又兼具高效能。（圖片來源：香港城市大學）
“在RAISe+計劃提供資金以及我們業(yè)界伙伴的支持下，我們計劃在三年內(nèi)為這款創(chuàng)新、小巧而又功能強大的混合模式電子顯微鏡建成生產(chǎn)線，以便把高質(zhì)電子顯微鏡商業(yè)化及量產(chǎn)?！标惤淌谘a充說。
陳教授長期從事材料科學和電子顯微鏡的尖端研究，是相關研究領域的翹楚。2023年4月，他和香港城大的科研團隊率先創(chuàng)建了一款結(jié)合了掃描和透射電子顯微鏡模式的“高時間分辨率電子顯微鏡”，成為全球首個達成這一重大突破及成就的大學研究團隊。
