搭建用氦原子观察的显微镜
向样品发射小原子不会破坏易损的样品
有时，我们观察物体所需的“光线”可能会对其造成损坏。这就是剑桥大学和澳大利亚纽卡斯尔大学正在联合开发的一种新型显微镜的灵感来源。
科学家们已经有了大量的成像方法。光学显微镜通过透镜聚焦光线，可以分辨小至约 0.3 微米的特征。扫描电子显微镜利用电子束，可达到约 1 纳米或更高的分辨率。分辨率最高的显微镜是扫描隧道显微镜。在这种显微镜中，探针尖端正好通过样品表面上方。根据量子力学原理，电子在尖端与样品表面之间产生“隧道”效应，从而形成电流并生成计算机图像。这类显微镜可以观察到直径只有几分之一纳米的单个原子。
与现有的成像方法不同，新型扫描氦显微镜不会用高能量原子束轰击样品，也不会与样品发生电反应或化学反应。
扫描氦显微镜 (SHeM)。（图片所有权：剑桥大学）
但是，所有这些方法都有各自的缺点。最重要的是，光线和电子可能会损坏样品。某些材料（例如冰和蜡）会融化。生物样品（例如皮肤样本）的结构可能会受损。电子不仅会冲击细菌生物膜，而且会冲击光伏器件和晶体管等有机电子元件。
因此，剑桥大学实验物理学教授 Andrew Jardine 的实验室和纽卡斯尔大学物理学教授 Paul Dastoor 的实验室正在联合开发扫描氦显微镜 (SHeM)。除了来自这两所大学他们的同事外，还有几位国际合作者，包括来自挪威卑尔根 Bodil Holst 教授团队的成员，也参与了此次开发。他们一起发明了一种新型显微镜。这种显微镜利用中性氦原子而非光线或电子来拍摄图像。
电子显微镜还需要喷涂一层导电物质（例如金）来隔离样品，而这可能会遮盖下面的材料。光学显微镜中使用的光子在反射前会穿透到样品表面之下，使表面结构的图像变得模糊。使用氦原子则避免了此类挑战。这些团队已经使用 SHeM 对生物膜等敏感生物样品和 PPE 织物等绝缘体进行成像。
氦原子携带的能量比光子或电子要少得多。这些原子还具有电中性和化学惰性，因此，它们既不会以高能量轰击样品，也不会与样品发生电反应或化学反应。
独特的仪器
这种新型显微镜采用的是一种非常古老的技术：针孔。早在 2,000 多年前，亚里士多德等学者就知道所谓的暗箱，这是一种利用小孔聚焦成像的装置。现在，研究人员正在使用比针尖小得多的“针孔”来收窄原子射线，从而为远远超出肉眼观察能力的微小物体生成图像。
除了使用针孔外，剑桥大学的实验室多年来还应用了较宽的中性氦原子束来研究物体表面的基本结构和动力学。他们将直径为几毫米的宽氦原子束瞄准样品。通过散射原子的角分布和速度变化，他们能够解读表面原子的位置和运动。但几十年来，人们一直希望用氦原子直接对精细的表面结构成像。来自欧洲的一个大型项目就涉及这种技术。
该团队自制的探测器可对进入的氦原子的百分之一计数，而商用设备只能对百万分之一计数。
氦原子束穿过截取锥和针孔撞击所要研究的样品。（图像改编自 Taxonomy through the lens of neutral helium microscopy，作者：Myles, T.A.、Eder, S.D.、Barr, M.G. 等 依据 CC BY 4.0 协议授权。）
根据量子力学的原理，物质就像光一样表现为波。氦原子的波长比光子短，因此，氦显微镜具有更高的理论分辨率。“人人都想直接发挥这项技术的全部潜力，”Jardine 实验室的博士生 Sam Lambrick 表示。“人们试图打造一台能够一蹴而就的复杂机器。”可问题是，氦原子束不能用光学透镜聚焦，因为原子无法穿过透镜；它们也不能用电场或磁场聚焦，因为原子不带电。
方案之一是打造一面原子镜，这是一种能让原子发生精确偏转的曲面镜。但事实证明，打造一面足够平滑的原子镜极其困难。“要打造这样一面原子镜谈何容易。”因此，Jardine 的实验室选择了一条捷径。“最终，我们改用了这种针孔方法。我们成功了。”
这种显微镜始于一个连接着喷嘴的高压氦气瓶。原子以超音速扩散到真空中向截取锥靠近。截取锥是一个带有小孔的锥状物。只有从喷嘴笔直喷出的氦原子束才能通过截取锥。氦原子束随后穿过直径只有几分之一微米的针孔。穿过针孔后，这些原子以 45 度角撞击附着在可移动平台上的样品。
当氦原子撞击样品时，它们受样品表面电子的排斥，向不同方向散射。沿一组特定方向反射的原子会收集在探测器中并进行计数，用于提供单个像素的亮度。然后移动样品，让原子束扫描样品表面，从而逐个像素地生成图像。
Jardine 表示，探测器是最难搭建的设备之一。他们需要用到一种质谱仪。质谱仪根据粒子的质量对其进行分离：通常是在磁场中使粒子发生偏转，并引导具有一定质量（氦为 4 个原子质量单位）的粒子撞击计数器。
但商用设备只能探测到百万分之一的氦原子。在质谱仪中，第一阶段是用一个快速运动的电子“撞掉”另一个电子来电离原子。不过，氦原子很难电离。剑桥大学的探测器专为氦原子打造，因此，它去除电子的效率要高得多。这款设备探测到的进入氦原子是百分之一，而不是百万分之一。“这是我们自制的设备，”Jardine 表示，“因此性能不太稳定。不过，我们目前正在开发新的版本，它的性能要稳定得多。”
追踪原子
为了控制其定制套件，剑桥大学的团队使用 MATLAB® 编写了自定义代码。“我们使用的一些设备提供了适用于 MATLAB 的驱动程序，”Lambrick 表示。该代码会指示显微镜将载物台向左移动 5 微米，或者记录载物台位置或探测器信号。MATLAB 语言还提供了很大的灵活性。
“当你做研究时，你不希望受限于别人设计程序运行机器的方式。”
“当你做研究时，”Jardine 表示，“你不希望受限于别人设计程序运行机器的方式。”他还说道，他们的软件定制是一种独特的研究方法。“这种研究方法与众不同。你不会陷入这种循环：10 年前，有人认为，你只想做这些实验，于是你就只能做这些实验。”例如，这种灵活性让他们可以整合多项测量结果，或使用同一软件环境执行调试和常规操作。
个人防护装备 (PPE) 织物的扫描氦显微镜图像。（图片所有权：剑桥大学）
这种灵活性还让他们可以脚本形式运行多层指令：对一个像素执行一系列操作，然后移动平台再对下一个像素执行这些操作。Lambrick 在 MATLAB 中使用 App 设计工具，使实验室里的所有人都能通过用户界面访问最常用的脚本。他可以创建一个窗口，然后将按钮和框体拖放到位，并将它们连接到脚本。
该团队还使用 MATLAB 对机器进行仿真，并更好地了解其设计和运行情况。Lambrick 创建了一个光线追踪框架，以通过虚拟显微镜发送虚拟原子，然后更改显微镜或样品，再重新运行仿真。对于计算量大的方面，他可以用 C 语言编写代码，然后在 MATLAB 中使用 MEX 函数调用这些 C 代码。
光线追踪帮助他们解释了他们在真实显微镜下看到的结果。“许多结构可能非常复杂，其中可能有很深的孔隙，”Lambrick 表示。“我们想更好地了解这些深度特征将如何影响对比度。”
在一个实验中，他们观察了样品中一系列精密加工的沟槽。随着沟槽越来越深，它们陷入“阴影”之中，看起来更暗，直到其深度超过宽度，又变得明亮起来。在那之后，这些沟槽都呈现相同的浅灰色。
“第一次看到这张图时，我们觉得它非常不合逻辑，”Lambrick 表示。然后，他们运行了光线追踪模型。他们发现，在深槽中，氦原子频繁地反弹。最终，许多氦原子朝探测器方向逃逸，从而产生了亮度。然后，该团队会查看生物医学研究人员用来培养组织样品的多孔支架，了解他们到底在观察什么。看似亮点的东西其实就是深孔。
该团队还使用仿真来改进显微镜的设计。他们可以在 CAD 程序中绘制零部件，将文件导入 MATLAB，并对其进行测试。如果一切都按计划进行，他们会将文件发送给车间。否则，他们会进行优化，并重复这些操作。
目前，他们正在探索一项升级方案，那就是用所谓的波带片替换针孔。波带片不是一个单孔，而是形成靶心图案的一系列同心圆形狭缝。这些狭缝会使原子发生略微衍射以接近焦点，而研究人员将焦点正好对准样品。波带片可将显微镜的分辨率从 1 微米提升到 10 纳米，提高了 100 倍。该团队还在构建带有四个探测器（而不是一个探测器）的 SHeM 版本，以实现 3D 成像。
用于 SHeM 的 App Builder 控制软件。（图片所有权：剑桥大学）
到目前为止，他们已经搭建完三台显微镜（两台在他们的实验室，一台在纽卡斯尔大学他们的合作者那里）。挪威卑尔根、印度海得拉巴和美国俄勒冈州波特兰的实验室也搭建了类似的机器。Jardine 希望将该设备商业化，使其得到更广泛的应用。一些研究人员已经在利用它们进行探索性研究。纽卡斯尔团队通过观察树叶和鲨鱼皮肤表面的细微结构为物种分类提供了依据。
Jardine 表示还会有更多的发现，但关于他们正在搭建的工具，他们还有很多东西要学。“它可以用来开展很多有趣的科学和工程研究。”
