作为日本科学技术振兴机构（以下简称 JST）基础研究项目的一部分，米乐m6官方网站（以下简称 AIST）纳米管应用研究中心开发了一种能够分析有机和生物分子的电子显微镜。
这种新型电子显微镜极大地提高了单分子、单原子的元素分析技术，特别是实现了钙单原子的元素分析。具体来说，一个全新的球面像差通过设计并结合校正机构（Delta型像差校正机构），通常具有200至1000千伏（kV）电压的电子显微镜加速电压至30-60kV。
通过采用这项技术，可以观察单个有机分子和生物分子，而这些分子以前很脆弱并且难以使用高压电子束进行观察。其中，可以在单原子水平上检测钙等生物材料中重要的轻元素，这是传统技术无法实现的。
这项研究是与国家材料科学研究所 (NIMS) 纳米测量中心首席研究员 Hiroshi Kimoto 和 JEOL 有限公司光电设备部门团队负责人 Toshikatsu Kanayama 合作进行的。
该研究成果于2009年7月5日（英国时间）发表在英国科学杂志《自然化学''上。
该成果是通过以下项目、研究领域和研究课题获得的。
战略性创意研究推进项目团队型研究（CREST）
研究领域：「现象の解明と応用に资する新しい计测・分析基盘技术」
（研究主管：田中道吉，东北大学名誉教授）
研究标题：开发低加速度、高灵敏度电子显微镜，能够在分子和原子水平上观察软物质
研究总监：末永一友
（产业技术综合研究所纳米管应用研究中心研究组组长）
研究期间：2006年10月-2012年3月
在这一领域，JST旨在探索作为物质和材料相关科学技术发展驱动力的新原理，并创造新测量和分析的基础技术，从而有助于发现和阐明新现象。在上述研究项目中，我们正在开发一种以低加速度电子显微镜和新像差校正技术为中心的电子显微镜，以便能够使用电子显微镜观察有机分子和生物分子等“由轻元素构成的非周期材料（软物质）”，这在以前是不可能的。
近年来，在分子生物学领域，为了从根本上了解生物功能，对直接观察单个分子的单分子成像技术，以及研究元素在分子内如何分布的元素图谱技术的需求迅速增加。
与光学显微镜等相比，电子显微镜具有非常高的空间分辨率电子能量损失谱 (EELS)的电子能谱技术相结合，也可以进行元素映射。然而，对易受电子束损坏的生物分子进行高分辨率元素测绘的成功例子很少。这是因为，为了在电子显微镜中实现高空间分辨率，通常将加速电压设定为200kV以上的高值，生物分子在能够进行观察之前就被电子束破坏（被电子束破坏）。
为了使用电子显微镜实现生物分子的元素图谱，该研究小组接受了开发新技术的挑战，该技术可以通过将加速电压设置为显着低于平常（30至60 kV）来减少电子束损伤，同时实现约01纳米（nm）的足够空间分辨率。
首先，作为开发低加速电子显微镜的第一步，我们研究了球面像差和五阶几何像差这一发展的关键点是引入了三级十二极的多极透镜。当使用两级六极透镜进行传统球面像差校正时，可以将球面像差降至零，但高阶几何像差（球面像差除外）显着出现，这限制了电子显微镜的分辨率。为了克服这个问题，我们设计了一种新机制，不仅可以同时校正球面像差（三阶几何像差），还可以校正高阶几何像差（高达四阶和五阶）。传统上使用两级镜头时强调的五阶几何像差，现在可以通过使用三级镜头以良好平衡的方式校正。这是世界上第一个能够完全校正五阶几何像差的机构技术。
下一个碳纳米管含有4种金属原子富勒烯分子受到限制（图 3）。所选择的金属原子包括钙(Ca)、镧(La)、铈(Ce)和铒(Er)。我们特别关注钙，因为在生物体内，钙原子的运动对于研究称为离子通道的蛋白质的结构和功能非常重要，离子通道控制着神经传递。已经进行了许多研究来调查离子通道的结构，但由于离子通道在观察过程中变得极其脆弱，因此从未有过对每个通道进行元素分析的例子。希望这种方法能够应用于像这样的观察物体，这些物体已经破碎，用常规方法根本看不到。
图 4、5 和 6 显示了每个单个原子的观测结果。这些观察结果表明，在不破坏分子的情况下分析多种元素的单个原子已经成为可能。
例如，图 4 显示了钙原子的元素映射图像。左边的图像是正常的电子显微镜图像，没有观察到钙原子，但是当你查看右边的元素映射图像时，检测到了七个钙原子。这七个钙原子中的每一个都位于左侧电子显微镜图像中的富勒烯分子中。
图5是在60kV加速电压下拍摄的含有铒原子的碳纳米管的电子显微镜图像。可以看出，在200kV加速电压下使用普通电子显微镜图像拍摄时容易被破坏的分子，使用新型电子显微镜却几乎没有被破坏地观察到。
另外，可以将不同的元素拍摄为具有不同颜色的元素图。图6是含有两种原子的碳纳米管的元素图：镧和铒。这表明，即使存在两种或多种元素，也可以映射每个原子的分布状态。
球差校正等色差校正对于光学显微镜和相机镜头来说已经是一项自然技术，但对于电子显微镜来说尚未建立。各种像差校正技术对于提高电子显微镜的性能至关重要，而这些技术的开发是目前世界各地正在积极竞争的最新技术。
尽管新开发的技术具有革命性，除了现有的球差校正技术之外，还校正了五阶几何像差，但电子显微镜仍然存在色差，这是一种限制分辨率的极其重要的像差。通过开发这种色差校正技术，我们将继续研究将电子显微镜应用于更广泛的纳米材料和生物材料观察。
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| 图1配备Delta型像差校正机构（AIST）的新型电子显微镜的外观照片 |
使用光的光学显微镜一般无法识别小于光波长的结构，但电子显微镜中用于照明（光源）的电子束的波长可以通过改变加速电压来改变。在儿童显微镜使用的100至200 kV加速电压下，波长约为00037 nm至00025 nm（施加的电压越高，波长越短），这比光的波长短得多，使得可以获得更小的结构和原子水平（几纳米）的信息。此外，电子显微镜的镜头使用由电磁体组合而成的磁场透镜，而不是玻璃。这里是电子束电子镜头收敛或发散形成放大的图像。
电子显微镜大致分为透射电子显微镜，其中来自电子枪的电子束照射到待观察的样品上，穿过薄样品的电子与荧光屏碰撞以获得样品的放大图像。显微镜有两种类型：扫描电子显微镜 (TEM)，将电子照射到厚样品的表面，捕获反射或发射的电子，并通过显示设备观察它们。本次开发的目标是透射电子显微镜。透射电子显微镜有两种类型：常规TEM和扫描透射电子显微镜（STEM），新开发的δ像差校正机构可以应用于这两种类型。
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| 图2 Delta型像差校正机制及其效果（Ronchigram）
左：无像差校正机制
中：现有的像差校正机制（2级六极杆）
右：新型Delta型像差校正机构（三级12极）
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Ronchigram（镜头后焦平面）的均匀对比度越宽，像差校正的效果就越大。新的德尔塔校正机制提供的会聚角大约是现有像差校正机制的两倍。会聚角越宽，电子显微镜的分辨率越好。
在没有像差校正机构的电子显微镜中，镜头只能在11 mrad的狭窄区域内使用。当使用现有的像差校正机制时，面积扩大到34 mrad，但六边形形状表明五阶几何像差（六重对称的像散）限制了分辨率。当使用 Delta 型像差校正机制时，六边形图案从 Ronchigram 中消失，并且在更广泛的区域（约 71 mrad）上获得均匀的对比度。 （mrad：毫弧度，角度单位。1弧度约为5729度）这样做的原因是，当使用两级六极透镜时，每个透镜都强调六重对称像散（五阶几何像差），而在三级十二极透镜的情况下，三个透镜相互抵消了彼此的六重对称像散，从而产生了广泛且均匀的对比度。
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| 图3 含有各种金属原子的富勒烯分子 |
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图4 含金属钙的富勒烯元素图图像（左）（右）
右侧彩色显示中的黄色部分是钙，红色部分是碳。七个钙原子（箭头）被正确检测到。
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图5用新型电子显微镜拍摄的含有金属铒的富勒烯的电子显微镜图像
由于加速电压低（60kV），富勒烯分子在没有破裂的情况下被拍照。 |
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图6 碳纳米管中金属原子的元素图示例
(a)：电子显微镜暗场图像。两种金属原子闪闪发光。
(b)(c)(d)：分别为镧 (La)、铒 (Er) 和碳 (C) 的元素图图像。
(e)：根据这些分析结果创建的结构模型图。
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