氦离子显微镜:技术和应用进展

　　氦离子显微镜能够提供所有扫描射线法中最高空间分辨率的表面图像，以及极高的表面灵敏度。这些因素结合起来，能提供纳米级的无与伦比的样品信息。结合这个工具独特的充电控制技术，一些应用问题可以得到解决。本文介绍了一些近期的结果。

　　1 生物成像

　　美国实验室之前的一篇文章中介绍了ORION^TM氦离子显微镜(Carl Zeiss SMT, Inc., Peabody, MA) ^{[ 1]} 。目前的研究主要集中在结构生物学、病理学以及显微镜的其他类似应用中的纳米级动力学。许多生物系统的基本属性都是根据这个尺度上的行为得到的。这些样本一旦经过用于做显微镜分析的干燥处理后，其组成主要是碳水化合物。然而，在纳米尺度上收集其结构信息，需要对电子束部分透明的高电荷材料进行成像。这两个问题传统的处理方法是在样品上涂覆一层导电涂层，因此扫描电镜实际上是样品上面薄金属外壳的成像。然而这也有一个缺点，因为每一步额外的样品修饰步骤都会引入伪影和掩蔽表面细节。对于高度三维化的样本，即使使用涂层，也很难使表面不带电荷。

　　图1给出了这样一个例子。该图显示的是老鼠膝关节的胶原纤维，经临界点干燥处理并涂有Au-Pd涂层。利用扫描电子显微镜不可能达到电荷的稳定，从而得到好的成像，这可能是由于无法实现样品的均匀涂层。然而使用ORION氦离子显微镜的低能电子枪电荷中和系统，可直接得到稳定的对比度并清晰成像。纤维的条带非常脆，由氦离子显微镜提供的景深能清晰地给出样品的三维表征。同时也应注意到样品表面涂层所造成的伪影，即表面随处可见的纳米级的颗粒。虽然这个工具体现出极好的分辨率，但对于样品分析来说这种错误的信息是不可取的。

　　一个未经涂层的样品成像的例子如图2所示。在这个例子中，细胞骨架的肌动蛋白丝被研究^[2] 。样品先经变性过程去除细胞的细胞核，然后样品经临界点干燥处理但未经涂层处理。即使最小的肌动蛋白丝的高分辨成像也可以实现。图中的插图显示的蛋白丝最细处达7 nm，具有明显的螺旋结构^[3] 。虽然还需要更多的工作用来验证其性质是否正如所看到的，但这幅图显示了测定未经涂层处理的样品微小特征的能力。

　　如上所述，涂层过程能掩盖小的样品特征。研究体内吸入纳米颗粒可能对健康造成的影响正是依赖于对这些特征的准确测定。图3显示的是暴露于金属纳米颗粒中老鼠的已干燥但未经涂层处理的肾组织切片^[2]  。这个实例中，氦离子显微镜成像不仅能够得到颗粒在组织中的位置，同时也揭示出了组织中迄今为止未被发现的5 nm的孔(箭头位置)。以前的方法中样品需经金属涂层处理，掩盖了这些特征。