電子顯微鏡一直是尖端科學(xué)研究中不可或缺的重要工具，它提供了無與倫比的高解像度和放大能力，幫助人類探索無限的微觀世界。然而，現(xiàn)有的電子顯微鏡科技面臨著高成本、大體積，以及因?yàn)殡娮优c研究樣本會產(chǎn)生作用並導(dǎo)致輻照損傷而需要極度低溫環(huán)境等不同限制。

為突破上述技術(shù)樽頸，香港城市大學(xué)（城大）科研團(tuán)隊(duì)正在致力於研發(fā)電子束和樣本產(chǎn)生「零作用」的未來「量子電子顯微鏡」。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)階段把量子電子顯微鏡的部分零組件設(shè)計成一款可以在室溫下操作的緊湊型掃描與透射一體化電子顯微鏡，開創(chuàng)了電子顯微鏡的新紀(jì)元。他們計劃在三年內(nèi)把這革命性的高倍電子顯微鏡創(chuàng)新技術(shù)商品化，把它製造成產(chǎn)品推出市場及量產(chǎn)。

這項(xiàng)目名為「脈衝空心錐掃描與透射一體化電子顯微鏡的商業(yè)化計劃」，由城大材料科學(xué)及工程學(xué)系講座教授陳福榮教授領(lǐng)導(dǎo)，最近獲得香港特別行政區(qū)政府創(chuàng)新科技署的「產(chǎn)學(xué)研1＋計劃」（RAISe+計劃）撥款資助。該計劃旨在釋放本地大學(xué)在研究成果轉(zhuǎn)化和商品化方面的潛力。

透射電子顯微鏡（transmission electron microscopes，TEM）和掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopes，SEM）是許多現(xiàn)代科研工作中必不可少的工具。從生物樣本到納米結(jié)構(gòu)，TEM及SEM電子顯微鏡都能提供超高放大率及解像度的圖像，幫助科研人員研究各種材料既複雜又精密的細(xì)節(jié)。

然而，無論是透射還是掃描電子顯微鏡使用的高能量電子束，均會對脆弱的生物樣本造成嚴(yán)重的輻射損傷。故此，在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，科研人員便採用冷凍透射電子顯微鏡（cryo-TEM）技術(shù)，即是先把蛋白質(zhì)置於玻璃態(tài)冰層中，然後才進(jìn)行觀測，以減少高能量電子束造成的輻射損傷。但缺點(diǎn)是冰層的引入，會對顯微成像帶來圖像雜訊，導(dǎo)致解像度下降。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，陳福榮教授及其香港城大科研團(tuán)隊(duì)基於他們在城大福田研究（現(xiàn)更名為「香港城市大學(xué)物質(zhì)科學(xué)研究院（福田）」）研發(fā)出的尖端技術(shù)，創(chuàng)製了「脈衝電子空心錐照明混合TEM/SEM電子顯微鏡」。

這創(chuàng)新的顯微鏡系統(tǒng)在多方面克服及解決了現(xiàn)有電子顯微鏡的技術(shù)限制。首先，新系統(tǒng)的脈衝電子源減少了對軟材料樣本的輻射損傷，這對於保護(hù)生物樣本尤其重要；其次，透過空心錐照明技術(shù)產(chǎn)生的樣本放大圖像，其「對比度」是傳統(tǒng)透射電子顯微鏡模式所產(chǎn)生的明場圖像的四倍，遂能夠更詳細(xì)及清晰地對樣本進(jìn)行成像。此外，城大團(tuán)隊(duì)亦將利用它之前已開發(fā)出的色差和球面像差校正器（CS/SS）技術(shù)，進(jìn)一步提高顯微影像的空間解像度。

而這套混合TEM及SEM的電子顯微鏡系統(tǒng)是座枱型，比傳統(tǒng)的TEM/SEM電子顯微鏡體積細(xì)小得多，而且更具成本效益。它可以在15-30 keV的低電壓範(fàn)圍內(nèi)操作，亦能夠在普通室溫下進(jìn)行3D蛋白分子重建和納米材料研究，較冷凍電子顯微鏡更佳。

團(tuán)隊(duì)亦展示了新的電子顯微鏡系統(tǒng)在多種不同的應(yīng)用場景中，均能提供極高解像度的成像，包括可以優(yōu)於 10nm 的超高表面解像度，對印刷電路板上的金屬接觸點(diǎn)、納米顆粒和其他生物樣本進(jìn)行成像。

團(tuán)隊(duì)相信，新設(shè)計的電子顯微鏡最終可以做到在透射模式下觀測蛋白質(zhì)和分子的3D立體結(jié)構(gòu)，以及在掃描模式下觀測納米材料並應(yīng)用於半導(dǎo)體和晶片檢測。

「與現(xiàn)有的桌上型掃描電子顯微鏡（SEM）系統(tǒng)相比，我們最新研發(fā)的脈衝電子空心錐系統(tǒng)提供了優(yōu)異的SEM電子顯微成像質(zhì)數(shù)，能夠與市場上最好的桌上型系統(tǒng)媲美。」陳福榮教授續(xù)說：「此外，現(xiàn)時市場上並沒有電子顯微鏡產(chǎn)品的質(zhì)量，達(dá)致我們新系統(tǒng)的同等高質(zhì)量。我們的脈衝空心錐照明系統(tǒng)具有獨(dú)一無二的卓越性能，能夠使用透射電子顯微境（TEM）模式進(jìn)行3D立體蛋白質(zhì)重建，這是現(xiàn)時桌上型SEM所無法做到的。」。

「在RAISe+計劃提供資金以及我們業(yè)界夥伴的支持下，我們計劃在三年內(nèi)為這款創(chuàng)新、小巧而又功能強(qiáng)大的混合模式電子顯微鏡建成生產(chǎn)線，以便把高質(zhì)電子顯微鏡商業(yè)化及量產(chǎn)。」陳教授補(bǔ)充說。

陳教授長期從事材料科學(xué)和電子顯微鏡的尖端研究，是相關(guān)研究領(lǐng)域的翹楚。2023年4月，他和城大的科研團(tuán)隊(duì)率先創(chuàng)建了一款結(jié)合了掃描和透射電子顯微鏡模式的「高時間分辨率電子顯微鏡」，成為全球首個達(dá)成這一重大突破及成就的大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。