新型工業(yè)掃描電鏡受到越來越多的重視，高分辨率數(shù)據(jù)有海量需求，特別是材料和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 然而長期以來，電鏡的潛在問題---用戶使用操作繁雜的問題尚未解開，一定程度上影響了儀器的普及推廣。
本文介紹工業(yè)掃描電鏡的新貴——智能電鏡。著重描述其多重的自動化功能。智能目的是讓電鏡成為科研和工程上得心應(yīng)手的利器，發(fā)揮工具的作用。
新年伊始，國產(chǎn)新型掃描電鏡如黑馬騰空而起，超高速性能達(dá)到前所未聞的新高度。掃描電鏡成像速率實現(xiàn)雙通道100M像素/秒。即代表表面形貌的二次電子（SE）和代表成分信息的背散射電子（BSE）同步成像，達(dá)到2x100M像素/秒。以單通道舉例而言，產(chǎn)生某一幅可辨認(rèn)的生物組織BSE模式圖像約花260ms。 同樣條件下，國外某知名品牌同檔機型需花26000ms，國產(chǎn)掃描電鏡成像速度快了一百倍。
2x200幀/秒@512x512的高速攝像能力， 或2x60幀/秒@1024x1024即兩倍于視頻高清成像，可實現(xiàn)捕捉動態(tài)過程。在1.2秒內(nèi)雙通道大范圍高清成像，對觀測一覽無遺。電鏡一天可自動采集產(chǎn)生2 至 8TB數(shù)據(jù)量。方便地構(gòu)建全景“地圖”集，沒有懸念。超微結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu)成為可能。
快速生成清晰圖像是掃描電鏡的精髓。在最佳工作距離條件下， 新型電鏡分辨率可達(dá)1.0nm@10kV或 1.5nm@1kV。隨之而來的是老問題：如何方便地調(diào)試操作和維護(hù)電鏡？ 這便是智能電鏡的由來。
什么是智能電鏡？開發(fā)智能電鏡的初衷是突破傳統(tǒng)觀念，打消使用誤區(qū)，提供簡便環(huán)境，實現(xiàn)無人操作。智能電鏡功能模塊示意圖如圖一所示。具體而言，不妨用“五個自動”功能來概括， 即自動巡檢、自動進(jìn)料、自動對中、自動對焦、自動操作。
圖一 智能電鏡功能模塊示意圖
一．自動巡檢
工業(yè)掃描電鏡的電子光學(xué)系統(tǒng)主要由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈組成。電子束由電子源發(fā)出，熱場發(fā)射電子槍保證有足夠的初始電子發(fā)射到樣品上。加速電壓設(shè)在0.1 - 12kV范圍。加速電壓越高，電子速度越快，焦距就越長，景深也越大。
電磁透鏡的磁場作用力不改變電子運動的速度，只改變電子運動方向。高速的靜電偏轉(zhuǎn)器置于物鏡內(nèi)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且保證大掃描場觀察時邊緣的象差較小，以達(dá)到圖像高分辨率。 偏轉(zhuǎn)器控制光束聚焦在樣品上快速掃描。探測器收集二次電子和背散射電子等信號。經(jīng)過放大后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便可得到電子圖像信息。
電鏡系統(tǒng)開機自檢。巡查之后隨即進(jìn)入工作狀態(tài)。一反以往從上至下反復(fù)調(diào)整的過程。電鏡觀察前光學(xué)導(dǎo)航模塊會自動地定位、尋地和導(dǎo)航，免去耗費大量人工在鏡前尋找觀察區(qū)域，將工程人員從繁鎖的調(diào)試中解放出來。系統(tǒng)內(nèi)置定期全面自檢，將電子光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)到連續(xù)運作最佳狀態(tài)。
自動巡檢離不開支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定體系。發(fā)射源的穩(wěn)定起著首要作用。 一周發(fā)射電流波動<1%，保障了基本性能。
二．自動進(jìn)料
制備技術(shù)與電鏡緊密配合，大量的樣本在電鏡中連續(xù)觀察，是提高工作效率的關(guān)鍵之一。 以生物樣品為例，要觀察的生物樣本塊要經(jīng)過環(huán)氧包埋等樣品處理，使其變硬好切，之后在切片機上被切成幾十納米的薄片。切后的薄片落入收集水槽中被傳送帶捕獲，順次以條帶排列被收集在圓硅片上面。圓硅片上可以平整的收集幾十片乃至上百片樣品，然后承載樣品傳送入電鏡樣品臺，一次性進(jìn)行大量樣本的觀察。
典型的掃描電鏡位置控制系統(tǒng)如圖二所示。 10余厘米邊長的見方樣品臺沿著X軸和Y軸精密導(dǎo)軌行程自由位移。樣品重復(fù)定位精度達(dá)200nm。這就避免了每次重調(diào)位置的必要性。
圖二 掃描電鏡位置控制系統(tǒng)示意圖
電鏡成像要實現(xiàn)全自動化，還需要制備技術(shù)同步跟上。制備與電鏡的無縫銜接，樣品直接切片收集，必要時可采用條帶或卷盤機方式自動傳送進(jìn)入電鏡。
三．自動對中
一鍵對中成為智能電鏡的新常態(tài)。為保證電子束沿光電部件的軸線穿行，轟擊到樣品的縱向光軸必須合軸，即光闌對中。這既是使用者的期盼，也是電鏡設(shè)計者的境界。
掃描電鏡發(fā)明80年以來，對中始終是困擾使用者的第一難題。業(yè)界某些品牌電鏡，級數(shù)多，可調(diào)點也隨之增加。常規(guī)情況下，在更換樣品、調(diào)整加速電壓和探測器類型時需要檢查光闌是否對中。往往要打開調(diào)焦搖擺功能，查看高倍數(shù)下電子圖像是否上下左右擺動。若擺動則調(diào)節(jié)光闌對中按鈕，直至圖像僅出現(xiàn)上下擺動。誰知，旋鈕越多，帶來的麻煩也越多。
智能電鏡反其道而行之，來了個逆襲， 取消可調(diào)按鈕，無需進(jìn)行人工對中電子光學(xué)系統(tǒng)，僅通過電腦屏幕上的按鍵一鍵全自動對中。
將電子槍、光闌、樣品的光軸在納米級層次上重合對中，是一場技術(shù)上的挑戰(zhàn)。 背后的原因是從設(shè)計到制造成品過程中，電鏡已經(jīng)預(yù)置完成了對中的環(huán)節(jié)。自動對中是由光電和機械相結(jié)合、硬件和軟件相配合而實現(xiàn)的系統(tǒng)工程。 而首要還是靠硬件，尤其是采取了三級調(diào)試鎖定，一攬子徹底解決。
光電系統(tǒng)是保障光軸對中的基礎(chǔ)。不同落點能量條件下，電子束從電子源發(fā)出，在鏡筒中運動直至物鏡前，始終保持一個相同較高的能量。這樣在變換落點能量和變化束流時，顯微鏡內(nèi)電子束軌跡幾乎不變，因而無需大幅度地對中調(diào)節(jié)。更精細(xì)的對中調(diào)節(jié)則通過電子源與物鏡之間的自動對中線圈來實現(xiàn)。
四．自動對焦
掃描電鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束直徑。 所以對準(zhǔn)焦距是重要的。高穩(wěn)定的加速電壓下，焦距的變化是很小的。
圍繞壓電陶瓷驅(qū)動的納米級高精度樣品臺，一套光學(xué)測高部件組成的聚焦追蹤系統(tǒng)使物鏡到樣品的工作距離始終對焦，如圖三所示。當(dāng)樣品移動時，樣品表面到物鏡距離略有變化，從激光測距獲取的Z軸位移信息反饋到系統(tǒng)，便實時驅(qū)動微調(diào)樣品臺，從而保證樣品表面到物鏡的距離不變。一旦焦距發(fā)生變化，信息會反饋到放大回路，實時予以補償，使物鏡聚焦不變，移動樣品依然保證清晰的圖像。
這樣就便于在大面積掃描成像時候，無需人工調(diào)整電子光學(xué)聚焦，可自動地生成全景式樣品“地圖”集。
圖三 掃描電鏡自動對焦系統(tǒng)示意方塊圖
這與一般電鏡通過調(diào)整物鏡電流來實現(xiàn)聚焦是不同的。 雖然改變磁透鏡聚焦線圈中的電流強度，可控制磁透鏡的焦距和放大倍數(shù)， 但是反復(fù)調(diào)整線圈電流來改變焦距的方法既費事效率又不高， 還可能引起磁場變化。
五．自動操作
傳統(tǒng)的電鏡在開始工作前，需要進(jìn)行電子束對中→調(diào)節(jié)光闌→聚焦→亮度對比度調(diào)節(jié)等一系列常規(guī)調(diào)整過程。
智能工業(yè)掃描電鏡系統(tǒng)從輸入到輸出始終秉承 “自動化”概念，給使用者一個全新視角， 走出“電鏡觀察范圍小又難調(diào)”的誤區(qū)。面對智能電鏡，使用者僅需把樣品穩(wěn)定地放在自動化樣品臺上，樣品就按照預(yù)定程序送進(jìn)送出。樣品從平臺自動推進(jìn)，進(jìn)入高真空環(huán)境，樣品位置受到導(dǎo)航控制。樣品觀測可以自動選擇，無需手動操作，大面積圖像觀察和成像就可自動地完成。采集的圖像可存放一邊，隨時調(diào)進(jìn)調(diào)出待閱，并可進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)。
基于自動對中自動對焦自動操作，智能電鏡不妨可俗稱傻瓜機電鏡。作為參照物，數(shù)碼相機人稱傻瓜機，無需調(diào)節(jié)光圈速度和焦距，只需按下快門就可拍照。另一參照物是由大哥大移動電話更新?lián)Q代而來的智能手機，拍照時光圈焦距均已自動識別調(diào)準(zhǔn)。普及的原因也就不言而喻了。
結(jié)語
智能電鏡的理念是“簡單， 一種全新的體驗”。電鏡向來稱為精密儀器高端裝備，如今落地變成通用工具普及產(chǎn)品。這一華麗轉(zhuǎn)身，是對新興產(chǎn)業(yè)市場的響應(yīng)。
顛覆傳統(tǒng)觀念是一條漫長而艱辛的路。鏡筒從長槍大炮演變到短小精悍，控制旋鈕從多到無，經(jīng)歷了幾代更新。完美的設(shè)計是恰到好處，結(jié)構(gòu)簡單，操作也簡單。如果設(shè)計人員缺乏親身體驗，是難以抓住電鏡本質(zhì)的。正如手機的快速發(fā)展，源自設(shè)計者從實用獲得靈感，從人體工程出發(fā)挖掘潛能追求極致。國產(chǎn)智能電鏡初出茅廬尚在路上，期待夯實基礎(chǔ)愈加成熟，走向市場造福于民。