作者：袁俊

文章指导：文韬（研究员）

　　透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）是我们观察和分析微观世界的有力工具。20世纪30年代，伴随着量子力学的诞生，人们意识到可以利用具有极短波长的电子束成像，以得到极小的分辨率极限 (resolution limitation) 。1933年，西门子公司制造了人类历史上第一台商业化的TEM（Siemens EM-1）（图1左）。1986年，电子显微镜的设计者Ernst Ruska获得了诺贝尔物理学奖（图1右）。经过数十年的发展，目前TEM的点分辨率已经超过了0.05 nm（M. Bischoff, et al. Microscopy and Microanalysis, 2008, 14(5): 469-477.），可以实现对单个原子的观察。

 图1. 左：第一款商业化的电子显微镜Siemens EM-1，现藏于德国慕尼黑的德意志博物馆；右：TEM的主要发明者Ernst Ruska (1906-1988)。

　　但是，同大多数的显微镜一样，TEM得到的也都是平面图像。换言之，我们所看到的TEM照片都是三维结构在二维平面上的投影。这种情况下，样品结构在成像过程中的投影会发生重叠。一方面，重叠的图像可能会造成观察中“假象”（图2）；另一方面，观察维度的限制导致我们无法通过普通的TEM图像获取样品在厚度方向上（z方向）的信息。这种效应也被称为“投影极限 (projection limitation)”。

图2. 由于投影的关系，二维图像无法正确反映真实的三维结构，甚至会造成“假象”。

　　为了克服这一局限，研究者建立了一类方法，可以从二维的平面图像出发，以得到三维的立体图像。这种方法可以还原所观察对象的三维结构，因此称为“三维重构 (3D reconstruction)”。事实上，目前三维重构技术已经发展的比较成熟。例如，医院用于进行影像诊断学检查的CT就是一种利用X-射线作为光源的三维重构技术。

　　TEM三维重构的方法起源于1968年，由DeRosier和Klug首先提出其核心概念和方法 [DeRosier and Klug. Nature, 1968, 217, 130]。三维重构的基本原理基于“中央截面定量 (The Central Section Theorem)”：三维物体沿电子束方向投影的傅立叶变换是该物体所对应的傅立叶空间中通过中心且垂直于投影方向的一个截面。基于这一理论，当我们有足够数量的、来自不同方向的投影时，就可以通过数学运算得到原始的三维结构。

　　目前主要有三种实现TEM三维重构的方法：“单颗粒分析”(single particle analysis, SPA)、“电子晶体学”(electron crystallography, EC) 以及“电子断层扫描”(Electron Tomography, ET)。单颗粒分析目前主要是和冷冻透射电子显微镜 (cryo-TEM) 配合，用于分析生物样品，如蛋白质、病毒等。由于很多生物分子的功能实际上是取决于自身的空间结构（如蛋白质的第四级结构），所以得到高分辨率的三维结构信息可以在很大程度上帮助我们了解其作用机理。电子晶体学主要针对具有二维结晶结构的生物样品，如膜蛋白分子等，通过结合电子衍射和明场照片得到三维结构。电子断层扫描是通过倾转样品，得到一系列不同角度的二维照片，进而得到其三维结构。前两种方法对样品有特殊的要求，第三种方法的适用性更广一些。

 图3. 三种透射电子显微镜三维重构的方法。

　　三维重构不仅可以得到样品的结构信息，通过与元素分析手段（如EDX等）相结合，还可以得到不同元素在三维空间中的分布信息。这在杂化材料的研究中具有重要的应用价值。

　　透射电子显微镜三维重构技术，很好地弥补了普通照片在成像维度上的不足；将冷冻电镜和元素分析等手段有机地集合在一起，极大地增强了电子显微学的研究手段，特别是为具有多尺度结构的软物质的研究提供了一种有力的工具。

（文/袁俊 指导/文韬  华南软物质科学与技术高等研究院）