新型扫描电镜的发展趋势和典型应用

作者： 费宗莲

新型高通量扫描电子束显微镜（High-throughput SEM）是一种超高速、高分辨、全自动、快速成像、场发射电子显微分析设备，对促进我国产业发展有着重要意义和实用价值。

当前，我国战略型产业急需先进的高通量扫描电镜，为创新提供有力工具。本文描述新型工业扫描电镜的设计理念、市场发展趋势、功能特性和应用前景。

一、新型工业扫描电镜的发展趋势

目前显微镜行业主流仍处在着重解决“眼见为实”的问题，而工业电镜致力于工业和民用领域能不能用和好不好用的问题，却鲜为人知。科学家与工程师对电镜有着不同的需求。近年来面向工业应用的扫描电镜市场悄然而起，发展趋势体现在以下诸多方面：

1.客户定制化。 量身定制的专用化、高效能、多用途电镜受到工业界青睐。使用者关心电镜的四个基本要素：成像速度、分辨率、分析能力和适用性。电镜的应用并不局限于科研实验，更多体现在工程上的可行性。

2.产品国产化。经过十多年的技术沉淀积累，比国外同档产品快百倍的商用化扫描电镜正在推向市场。从中国制造走向中国创造，是国内电镜人必经之路。国外产品垄断市场的局面或许从工业电镜率先打开缺口。

3.市场细分化。按照行业类型细分，从传统的通用机型向专用领域特定机型发展。例如，在生命科学领域观察大面积生物切片的低能扫描电镜、半导体领域晶圆片质量检测的专用扫描电镜、材料制造领域的颗粒度分析扫描电镜、空气环境质量监测和成分分析电镜等，各具特色。

4.信息一体化。在普通扫描电镜系统上集成多种探测设备，建立多元信息共享综合分析平台。例如，引入聚焦离子束（FIB）系统，与不同类别的光学显微镜构成光电联合分析平台。 又如集成X射线能谱仪（EDS）、波谱仪（WDS）、电子背散衍射（EBSD）分析探头、拉曼光谱分析仪、扫描透射电子显微镜（STEM）探测器，构成融合多种探测手段的平台系统。

5.成像高速化。传统扫描电子束显微镜的一大瓶颈是速度不够快，源于在单位时间内产生的信息有限。而大面积数据采集和成像是要求在短时间内产生海量数据。例如，生物神经切片图像采集、半导体失效性分析等领域均需要扫描电镜实现高通量化。从而，多束扫描电镜和单束高通量扫描电镜成为扫描电镜领域的研究热点。

6.检测原位化。各个研究领域的发展要求电镜能观察更多类型样品，还希望是在原位条件下观察样品。各种原位样品台或样品杆可使扫描电镜能在原位电学、原位加热、原位液相和气相、原位受力等条件下分析样品。低能扫描电镜（LV-SEM）可以观察非导电型样品而无需镀金。环境扫描电镜（E-SEM）可在低真空或近大气环境下观察含水含气样品。

7.调试自动化。免除调试是所有电镜人的呼声。也许令人难以置信，有的国外知名品牌电镜在用户场地安装后竟然需要花两个月时间来调试，难怪叫人望而却步。因此，摆脱繁杂的人工调整，提高使用效率，实现无人值守、自动换样连续工作，降低维护成本，是设计到制造的首要任务。

8.驱动智能化。 随着海量数据的采集和成像，智能技术驱动的电镜，与行业的自定义数据处理和模式识别软件相结合，可构成专业定制、界面友好的智能交互系统，快速精准地形成期待的结果模型。

9.应用普及化。 随着人们认识的改观，电镜不再是锁在实验室的神器， 而是可以走进每所高校每个企业的通用装备。精细程度从微米级到纳米级，成像速度从几十秒到毫秒，操作从人工到自动，自然打开了电镜的禁区， 降低了使用门槛。电镜的普及可谓是一场惠民工程。

二、新型工业扫描电镜的功能特性

新型工业电镜首先新在新理念。历来电镜被视为阳春白雪，只有少数科学家去触摸。国内电镜人从设计开始，不忘初心牢记使命，誓将“高大上”的电镜赶下神坛，在工业界的一线实际工程中发挥作用。

纵观如火如荼的人工智能，背后离不开大数据。工业界和生命医学领域的大数据存储筛选和分析，离不开高通量电镜海量数据的采集能力。可见，电镜能完成的是0和1的问题，是核心所在。


图  新型工业高通量扫描电镜系统示意方块图

典型的工业高通量扫描电镜系统组成如图所示。 从以上方块图可以看出， 工业扫描电镜系统从输入到输出始终贯穿一个“自动化”概念。样品从平台自动推进，进入高真空环境，样品观测可以自动选择，样品位置得到控制，无需手动调试。

电镜控制功能是多层次的。电子束由电子源发出，通过电磁透镜聚焦在样品上，并受到偏转器作用，在样品上扫描。

样品上产生二次电子和背散射电子等信号，由相应的高效探测器收集，便得到电子图像信息。经过数据处理，便可成像。二次电子信号着重观测形貌形态特征。对于生物样品观察，衬度好的背散射电子信号尤为重要，可定性地进行成分分析。

偏转器和物镜构成复合组件，保证大扫描场观察时边缘的象差较小，即不发生大的场曲和畸变，以达到高分辨率。

新型工业扫描电镜具备视频级（25 帧）成像速度。如果传统电镜10秒生成一幅可辨认的图像，新型电镜200毫秒成像，即提高了50倍的成像速率。一天电镜自动产生2TB数据量，成为现实。

重要的一点是，系统安装后自动进行调试，随即进入工作状态。新型电镜颠覆了“电镜难调”的老观念，将工程人员从繁杂的操作中解放出来，而且得到令人满意的成像效果。

三、新型扫描电镜的应用前景

高通量电镜应用范围很广。 不妨试举几个国家级科研项目为例，或许可以起到典型示范作用，对工业和民用的电镜推广应用有所启示。

1.用于生命科学的脑科学和神经科学高通量测绘。

脑连接组图谱可谓最复杂的生物结构之一。大面积3D脑神经图谱绘制是生命科学研究重要一环。通常将微小动物的脑切成2D切片，置于扫描电镜中进行观察，生成一系列2D的图像数据后，绘制成3D神经图谱。解决快速获取海量级的电镜图像数据是关键的一环。

高通量三维重构电镜技术与超薄自动序列切片机相配合，问题迎刃而解。生物切片超高速电镜三维影像系统，应运而生。高效率地收集获取生物微观结构的海量数据，结合智能分析，造就生物脑神经微观结构三维重构，可为解析脑结构和功能奠定基础。

2.为材料基因组高通量材料制备与表征技术服务。

全国首届材料基因组高峰论坛刚在广州落下帷幕。材料基因组研究目的是将先进材料的发现、开发、制造和使用速度有大幅提高，这就要进行大量的材料实验。“材料高通量实验”是在短时间内完成大量样品的制备与表征。核心是将传统材料研究中采用的顺序迭代方法改为并行处理，从量变到质变。

高通量电镜可成为材料试验获取海量数据和快速分析的有效工具。高通量实验为材料模拟计算提供海量基础数据，充实材料数据库。同时，为材料模拟计算的结果提供验证，优化计算模型，加速材料的筛选和优化。高速X射线能谱分析仪（EDS）等探头与电镜一体化结合，更利于提高观测和分析材料的速度，有助于缩短材料创新周期，降低材料研制成本。

3. 用于生物医学领域的分子肿瘤学研究。

超高速电镜的应用有望推动肿瘤形态学的进展，并对功能研究也会有一定的支撑作用。分子肿瘤学研究借助于高通量检测成像速率快，分辨率高的特点，加上支持大平面样本拍摄，过程自动化，可为智能分析乃至建立医学图像库创造条件。

围绕“肿瘤转移过程的超微3D结构重建与分析”专题， 电镜可探索到更多未知现象，如超微结构特征分析、分子定位微位移分析、分子相互作用分析等。 进而可实现对肿瘤发生与进展过程中关键生物学步骤的动态高分辨率组织结构成像与3D立体重构，对特征性肿瘤细胞或亚细胞结构的超微立体结构重建。 通过观测细胞超微结构变化，无疑有助于判断肿瘤代谢、增殖、运动等功能的改变。

结语

随着2017年诺贝尔化学奖揭晓授予电镜科学家，电镜技术走向台前。为发展新兴产业包括材料和生物医学所需要的普适、精准、快速的高通量扫描电镜仪器，如今成为业界关注亮点。

扫描电镜的电子光学原理虽揭示已久，电镜百年发展远比不上近半个世纪以来IT行业计算机、半导体、互联网、移动通讯、人工智能发展神速。症结有待探究。秘诀之一乃在于设计理念和真正做出好用的产品。 按照不同领域所需， 贴近用户定制产品，性能达到高质量，操作简单便利，将是国产工业电镜的优势。国内自主创新的高通量场发射扫描电镜，达到世界先进水平，这必将掀开电镜市场新的一页。