太好玩了！Yi Cui（崔屹）和Yi Cui（崔一）发一篇Science之后，又发Nature超级综述！

来源：测试云平台

透射电镜虽可达原子分辨，但电子束或环境易使敏感材料降解。冷冻电子显微镜（cryo-EM）凭借–178 °C低温、低剂量成像与直接电子探测器，显著抑制损伤并保留原始状态，还能通过plunge/operando-freeze在反应瞬间“冻结”亚稳中间体，实现原子级成像与三维重构，彻底改变了结构解析方式。同时，结合cryo-STEM、EDS、EELS、4D-STEM及ptychography，可在纳米尺度解析元素分布、化学键与电磁场。如今，cryo-EM的应用已从主要关注结构信息的结构生物学，扩展到同样重视化学与物理信息的材料科学。材料比生物样品耐剂量高1–2个量级，使cryo-ET先低分辨扫全器件，再高分辨聚焦关键区，从而桥接宏观器件与原子世界，为电池等复杂体系提供三维结构与化学信息。

成果简介

在此，斯坦福大学崔屹院士和赵华（Wah Chiu）院士，崔一（第一作者）等人聚焦于样品制备方法与成像策略，系统梳理了cryo-EM的基础原理与最新进展，并探讨其在材料科学中的应用。文章首先讨论适用于cryo-EM的样品制备方法，重点介绍利用operando-freezing技术捕捉化学反应中间态的潜力。随后阐述电子—物质相互作用的物理机制、相关损伤机理，以及cryo-EM对不同类型材料的保护效果。接着回顾多种cryo-EM成像策略，包括高分辨低剂量技术及cryo-STEM的新进展，如4D-STEM、叠层成像（ptychography）和EELS。最后，探讨将cryo-ET技术拓展至材料三维成像的现有努力与未来机遇。

相关文章以“Cryogenic electron microscopy and tomography for beamsensitive materials”为题发表在Nature Reviews Physics上！中科大少年班学院1600本科校友崔一（USTC1600）为本文第一作者！这也是继Science之后，师徒两人合作的又一重要成果！

有趣的是，2024年1月11日，崔屹和崔一曾一起发表Science正刊论文，https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5947

研究要点

1. 有效的样品制备对于保持材料的原始状态、防止成像过程中发生相变或化学反应至关重要。

2. 先进的快速冷冻技术已证明cryo-EM可通过在低温下减缓或终止能源相关过程，从而捕捉其中间态；若在冷冻过程中施加外场（电场、磁场或光场），可更精确地调控这些状态。

3. 通过低剂量技术最大限度减少电子束剂量、利用直接电子探测器最大化信噪比，并根据材料类型与样品特性优化成像条件，可显著降低电子辐照损伤对 cryo-EM 成像与谱学的影响。

4. 低温下的分析型STEM技术（如能谱EDS和电子能量损失谱EELS），结合4D-STEM 与叠层成像实现精细结构成像，极大拓展了cryo-EM在材料科学中的应用。

5. 冷冻电子断层扫描（cryo-ET）及先进的数据与图像处理方法的开发，进一步实现了材料的三维成像与分析，为研究复杂材料体系开辟了新途径。

图文导读

1.冷冻样品制备

冷冻样品制备是cryo-EM成功的关键：目标是在<–150 °C下获得电子透明且保持原始状态的样品。生物样品通过控湿、吸液、液态乙烷plunge玻璃化，并全程液氮保护。空气敏感的电池材料需在Ar手套箱内完成滴样、密封、液氮破管取网，实现电解液玻璃化。快速冷冻可“冻结”亚秒级亚稳中间体，operando-freezing装置已用于CO2RR和电池瞬态研究。厚度≤1 μm可直接plunge；更厚样品用cryo-FIB/SEM切取2–3 μm薄片，再减薄至<100 nm，保证电子透明并保护界面。此外，并非所有束敏感材料都需冷冻，空气稳定体系可在室温低剂量成像。

图1：冷冻电镜样品制备的方案

2.高分辨cryo-EM与剂量控制

高分辨cryo-EM必须在极低电子剂量下成像，以避免束敏感材料损伤。常规低剂量流程分搜索、对焦、曝光三步，配合SerialEM自动控制和DED电影模式采集，再通过帧对齐与平均算法提升图像质量。锂电池SEI的剂量阈值：干燥态<1 000 e- Å-2，含玻璃化电解液时<50 e- Å-2；碳酸酯电解液在~50 e- Å-2即产生氢气泡，醚类需100–200 e- Å-2。剂量分次成像已揭示干燥 SEI 的马赛克/多层结构及溶胀态非晶特征，并用于研究枝晶、正极界面等。MOF、钙钛矿等低原子序数材料更易受损，需 <25–10 e- Å-2的cryo-TEM/STEM才能保持框架或晶格完整。此外，结合operando-freeze 技术，可在单颗粒水平捕捉光致相分离等瞬态过程，实现原子-纳米级时间分辨分析。

图2：采用低剂量cryo-EM技术对光束敏感材料进行高分辨率成像

3.Cryo-STEM与分析方法

Cryo-STEM通过扫描亚纳米电子探针并同时采集多种信号，为低温、束敏感材料提供结构-化学-电子一体化表征。4D-STEM以像素级衍射图构建四维数据集，可提取取向、应变、相分布，需GPU加速处理。对束敏感样品采用~2 nm探针、~10 nm步长，低温与DED 提升剂量效率，已用于聚合物、锂电池及钙钛矿等。叠层成像利用4D-STEM的相干衍射，在低剂量下实现亚埃分辨和3D轻元素成像，但算法复杂、采集时间长，需更快探测器与稳定冷台。Cryo-EELS 通过非弹性散射解析键合、价态和电子结构，低温抑制损伤，已原位捕捉电池LiH、Cu-CO2RR 中间体，并揭示量子材料的低温电子相。三者互补，为束敏感体系提供近原生、原子级全面信息。

图3：cryo-EM在材料研究中的应用

4.冷冻电子断层扫描（cryo-ET）技术

冷冻电子断层扫描（cryo-ET）通过−60°至+60°连续倾斜样品，采集2D投影后计算重构3D结构，角增量0.5–5°，并采用剂量对称方案兼顾分辨率与辐照剂量。受机械与样品厚度限制，存在“缺失楔”伪影，可用双轴断层缩减为缺失金字塔，但需进一步降低单张剂量。 采集后先校正束致漂移、CTF，再用加权反投影、ART或SIRT算法重建。cryo-ET起源于生物大分子，现已拓展至聚合物、电池等无机材料；因材料耐辐照（有机电解液约100 e- Å-2），可获得高信噪比，已揭示锂枝晶-SEI 的 LiH 短期生长与 SEI 长期扩展两种老化模式。 此外，STEM 断层（HAADF-STEM）结合EDS/EELS可实现元素级3D成像，用于解析硅负极表面化学演化，但需标定cryo-STEM剂量。深度学习（U-Net 去噪、GAN 补全缺失楔）与高性能计算正推动实时、高保真、自动化的 3D 重构，跨学科融合将催生自适应cryo-ET 系统。

图4：低温电子断层扫描

结论展望

综上所述，冷冻电镜在材料科学中的广泛应用将得益于样品制备、成像条件、仪器与数据处理技术的持续进步。玻璃化、operando冷冻及cryo-FIB等低温样品制备手段的改进，将实现更高时间分辨的动态过程与反应路径研究。将cryo-EM/cryo-ET与4D-STEM、叠层成像和 EELS 整合，可在同一试样上同步获取结构、成分与电子性质的多模态信息。为确保复杂数据的可靠解释，需通过标准化流程（关键剂量标定、区域一致性、精确剂量控制）最大限度减少人为假象。同时应分析多个区域和样品，降低操作者偏差并提升可重复性。借助高稳定低温样品台、新一代直接电子探测器（DED）及实时校正算法，可有效抑制样品漂移和束流不稳等仪器假象。此外，cryo-EM与机器学习、自动数据采集的融合，将加速数据解析并扩大其在材料研究社区的普及。

文献信息

Yi Cui, Zewen Zhang, Robert Sinclair, Wah Chiu*, Yi Cui*,Cryogenic electron microscopy and tomography for beamsensitive materials,Nature Reviews Physics, https://doi.org/10.1038/s42254-025-00896-4

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