AI与原子力显微镜结合,直接获得原子结构分析结果

AI与原子力显微镜结合,直接获得原子结构分析结果

研究人员开发了以最小尺度研究材料的新方法

世界各地的科学家都对开发新型材料感兴趣,以帮助人们过上更可持续、更健康的生活,但是要生产这些材料,需要对它们所构成的分子的神秘结构有详细的了解。设计人员希望用可持续的植物衍生化合物代替浪费的塑料,但是如果不了解植物化合物的分子结构,这将是一个挑战。阿尔托大学(Aalto University)开发的一项新技术应使研究人员能够获得这些基本信息。

为了实现这一目标,研究人员将通用的材料分析技术与人工智能相结合。原子力显微镜(AFM)使用难以置信的细针来测量纳米级物体的大小和形状,并且已经可以用于测量扁平的薄饼状平面分子的结构。通过在大量AFM数据上训练人工智能算法,科学家现在可以通过令人兴奋的现实应用来识别更复杂的分子。

AI与原子力显微镜结合,直接获得原子结构分析结果

AFM成像过程的示意图以及逆成像问题的建议解决方案

该团队现在能够拍摄单个3维分子的图像,并具有足够的细节,从而有可能了解分子不同部分的不同化学性质。这项工作是由阿尔托大学的研究人员在学院教授彼得·利耶罗斯(Peter Liljeroth)以及亚当·福斯特(Adam S. Foster)和朱霍·坎纳拉(Juho Kannala)教授的带领下完成的。最近发表在“科学进展”杂志上。

“研究人员目前使用的方法是猜测结构,根据AFM图像模拟并检查猜测是否正确。当存在多种可能性时,这是缓慢而困难的,最终人们无法确定是否想到了所有可能的结构。”彼得·利耶罗斯解释说。

研究人员使用了一种称为1S-camphor(樟脑)的生物分子,该分子具有众所周知的原子结构,并且作为木材工业的生物产品,与其他阿尔托研究人员对生产可持续产品感兴趣的许多分子相似。通过结合机器学习和AFM模拟,福斯特教授的团队开发了一种深度学习系统,该系统将一组AFM图像与其分子结构相匹配。首先,在模拟的AFM数据上测试了机器学习系统,分析了具有平面和非平面几何形状的各种分子。为了测试其有效性,使用了大量实验数据并取得了令人兴奋的结果:AI能够可靠、快速地解释复杂3-D分子的AFM图像,并说明其化学性质。

AI与原子力显微镜结合,直接获得原子结构分析结果

AFM图像,模拟图像和原子结构分析结果

该论文的第一作者本杰明·奥尔德里特(Benjamin Alldritt)解释说:“这项研究令人兴奋,因为它为我们提供了使用当前实验方法了解材料的新方法。通过将机器学习与AFM相结合,我们可以了解以前无法实现的3-D结构图像。此外,这种新方法在确定分子在表面上的位置方面比现有方法要快,并且比人类专家更快,更可靠。

手机装个“AI显微镜”,无脑检测果树的疾病、新鲜度

手机装个“AI显微镜”,无脑检测果树的疾病、新鲜度

随着软件和硬件技术的不断进步,越来越多的应用延伸到我们生活工作的方方面面, 比如镜头设备可以放大一些肉眼比较难看到的东西,,而藉此应用到农业生产上的应用也应运而生。

一家澳大利亚的初创公司在2020年evokeAG会议上推出了一款GoMicro微型显微镜,首席执行官西瓦姆·克里什博士(Sivam Krish)表示,这些设备最初并非用于农业,但很快发现它们可以诊断园艺生产中的病虫害,利用这款小设备诊断植物病害像用手机拍照一样容易。

手机装个“AI显微镜”,无脑检测果树的疾病、新鲜度

诊断-操作简单

该显微镜可用于害虫,叶片疾病和矿物质缺乏症以及食品质量。西瓦姆说,这个设备的优势之一是它提供了“均匀的专业照明条件”,这使得AI引擎记忆和识别变得更容易。

手机装个“AI显微镜”,无脑检测果树的疾病、新鲜度

西瓦姆说:“我们的想法是让孩子们都能轻松使用,让他们出去寻找蚂蚁、臭虫等东西。人工智能使没有技能和知识的人能够具有很高的检测能力。家庭农民和农艺师将从这项技术中获益巨大。”

AI Scope可以与任何手机或平板电脑一起使用,设备上的手电筒,能够为AI分析创建理想的照明环境,并且可以携带。他说:“在人工智能中发生的事情是,许多公司的准确率达到95-98%,这是正确的,但只有在实验室中才能做到。我们对设备所做的工作是创建类似于实验室的条件,可以在任何手机上使用。这就是它成为现场设备的巨大优点。其他的应用准确度非常低,只有60-70%,而我们可以向AI提供高质量的图像,准确度远远超过了90%。”

手机装个“AI显微镜”,无脑检测果树的疾病、新鲜度

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检测-水果新鲜度

该公司最近的一项研究还涉及到了对水果的损伤和品质的检验。西瓦姆说:“如果将香蕉放在冰箱里三天而不是放在阳光下,人工智能可以分辨出两者之间的区别。蓝莓等水果同样如此,用眼睛是很难分辨出蓝莓的区别的,另外,从芒果等不同种类水果的颜色中,显微镜能够检验它的成熟度。”

使用方法

1.显微镜检测水果品质、谷物品质:

30倍范围,观察距离15毫米

2.显微镜检测真菌和病毒性疾病:

10倍范围,观察距离10毫米

未来-农业、医学

Go Micro还在继续完善园艺行业中存在的多种形式的叶病,矿物质缺乏和害虫的数据库,以便AI可以对不同菌株和不同物种进行差异化诊断。

西瓦姆博士说:“我们希望所有农民都能从中受益,因为这使他们能够便捷操作。年龄越来越大的农民会发现他们的视力正在逐渐减弱。使用这个设备诊断农作物,能使农民充满信心,安心收获。”

他补充说:“我们偶然发现了它这个功能;我们一直在开发用于儿童教育的技术,但很快我们发现了它的其他应用领域,例如农业。因此,我们与南澳大利亚研究所进行了交流,他们开始订购了数百个。我们为农民提供了这个显微镜后,他们还发推文说出了害虫和叶病。我们在南澳大利亚硕果累累,我们还使用AI进行皮肤癌诊断,水果检测等。”

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便携显微镜,成年人的大玩具

玩无可玩是现在很多成年人的状态。再好的玩具,一次过后就没什么新鲜感了。何以打发这无聊的日子?当然是找点更新鲜的玩具了。三合一电子数码显微镜了解一下,这是我新种草的玩具,高清数码显微镜,连上手机玩的不亦乐乎。

便携显微镜,成年人的大玩具

高清放大一千倍,这可是专业美容,电子工程专用的显微镜,不是随随便便的玩具。镜头内置8颗高亮LED显示灯,辅助查看,成像更好。手动对焦不虚影,拍照录像一机搞定。

便携显微镜,成年人的大玩具

相比较以前学校里的两千倍显微镜,这款更加方便也更加实用。外出携带不费力,户外玩耍轻松就搞定。 有了这个玩具,帮助自己打开了新世界的大门,从不同角度对这个世界有了新的认知。自己开心不说,孩子跟着也学到了不少知识,可比在家看电视玩手机强多了。

便携显微镜,成年人的大玩具

一个小小显微镜,带娃足不出户观察大千世界,远离手机ipad

咱们之前就开团过日本Kenko肯高的第1代显微镜,可以随身携带,让孩子们可以随时随地观察和认识微观世界,培养学习和探索精神。

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△果果用它来观察冰箱的纹路

他家的买到的妈妈们都说“买回家孩子就不肯放下”“每天装在口袋里,随时随地拿出来观察下”~

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记得咱们当年上初中生物实验课的时候,第一次用显微镜观察到洋葱表皮细胞,感觉太震撼了。从那以后,做梦都想拥有一台自己的显微镜,可以没事了就观察一下各种微小的物体。大人们对显微镜都如此感兴趣,更别说小孩子们了。

好奇心是娃探索世界的开始,我们应该想办法满足和保护他们的探索欲。如果给他们准备一个可以随身携带的显微镜,观察一下叶片啦、昆虫啦,将会为他们打开微观世界的大门。

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这次我们带来了他家的第2代显微镜STV-7,同样小巧便携,操作简单,但不同的是:

1代显微镜可以放大60-120倍,只有显微镜和手电筒功能;

2代显微镜可以放大30倍(对于孩子观察来说这个倍数也够他用了),而且它还比1代新增加了几个户外功能,就是除了可以用作显微镜之外,还能当望远镜、放大镜,指南针,钟表⏰等使用

两款显微镜这次一起开团,大家可以根据需求自由选择。相信有肯高纤维镜在手,可以让孩子们随时随地观察和认识微观世界,培养学习兴趣和探索精神。

下面主要给大家介绍新款STV-7

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Kenko的产品,在日亚上有着5星好评,很多家长表示“6岁的儿子在用,家里的老父母也很感兴趣”“很好的亲子工具”“孩子很感兴趣”。

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黑白配色的外观非常漂亮,简洁大方,放在手里像一个精致的小玩具。

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内置LED灯,视野清晰明亮,而且免制作标本,省去了切片染色等复杂的流程,超级方便。

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小蚂蚁在显微镜下,犹如一只大怪兽~

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观察树叶的纹路~

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观察衣服表面,可以看到极细的纤维~

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观察白糖颗粒~

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观察植物的花蕊~

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一片树叶、一根毛发、一只蚊子,孩子们都可以兴致勃勃地观察半天。来看看孩子们的观察效果,美轮美奂,肉眼看不到的世界,真的很美妙。

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#推荐理由#

1、小巧便携,随时随地都能用,培养孩子们的科学探索精神;

2、操作简单,3岁以上的儿童都能玩;

3、能放大30倍,搭配LED补光灯,视野清晰明亮;

4、集7大功能于一体,显微镜+望远镜+放大镜+指南针+钟表+手电筒+应急口哨,超高性价比;

5、日本专业光学品牌,值得信赖。

操作简单,易上手

这款肯高显微镜使用方法非常简单,首先了解显微镜各部分的功能。

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在观察物上放置显微镜,从侧面打开LED灯,推动正面按钮可以调节到显微镜模式,然后微微转动目镜,直至画面清晰,就可以观察啦~

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7大户外功能,超实用

1️⃣显微镜:它的本职工作,是一台显微镜,可以将物体放大至30倍,成像清晰,给孩子观察足够用了!

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2️⃣望远镜:把目镜拉伸出来,显微镜就变成了单筒望远镜,拥有8倍的变焦功能,能轻松、舒适地看清1000米以内的景物。

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这里还有个官方测试,白天观察400米左右的景象,还是很清楚的。

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3️⃣放大镜:把侧面的镜片放下来,它又变身9倍放大镜,放大效果也是相当可以,平时孩子用来观察地图上的小字符很好用。

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4️⃣指南针:显微镜一面内置有罗盘,指南针反应很灵敏,户外出行时可以用它来辨别方向。

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5️⃣钟表:显微镜另一面内置有电子钟表,液晶显示屏可以实时显示时间,出门在外看时间有它就够了。

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6️⃣手电筒:显微镜配有LED灯,可以在显微镜功能下做补光,也可以当简易的LED手电筒,户外活动可以当小手电筒用,夜探的好帮手。

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7️⃣应急口哨:口哨藏在显微镜的侧面,平时不起眼、不占地儿,用的时候向外掰一下就出来了。

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这些功能都是孩子去户外活动必备的工具,现在全部集中在一起,孩子户外带出去玩真的很方便。

培养观察力,激发探索欲

当孩子发现肉眼看到的东西,和在显微镜下看到的完全不一样,会觉得非常有趣,开始喜欢观察。在观察的过程中,可以帮助孩子们开发想象力,激发对科学探索的兴趣,还能培养他们对细节的观察力和好奇心,等以后学习生物知识也会很顺利啊!

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日本专业光学品牌,值得信赖

肯高作为光学产品的专业制造企业成立于1957年9月。利用先进的光学生产技术致力于摄影滤镜、工业产品以及双筒望远镜,天文望远镜等光学产品的研发和销售。

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也因为常年深耕于这个光学领域,Kenko发现,传统光学显微镜的笨重、精细并不能满足孩子日常观察、探索的需求。所以,他们克服了技术上层层的困难,设计了这款独一无二的便携显微镜,希望孩子能随时随地探索世界、发现世界、感悟美。

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走心细节,质感满满

目镜采用高清树脂镜片,不仅有非常清晰锐利的成像效果,更能保护孩子的视力。周围还有一圈眼罩,孩子们使用肉眼观测的时候,不受杂光的影响。

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外形圆润,边角都是弧形的设计,外表光滑,没有毛刺,可以放心让孩子使用。

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重量仅52g(不含电池),小巧的体积,放在包包里、口袋里一点负担也没有。走到哪玩到哪的“贴身装备”。

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而且,贴心地预留了一个挂绳孔,可以给孩子穿个绳子,出门挂脖里,比揣兜里省事、还不易丢呢。

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通过了第三方的检测,各项数据安全可靠,质量达标。

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报关单贴给大家哈,日本原装进口,可以放心购买哈~

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产品详情

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团购细节

团购周期:2月26日(周三)早7:30团完即止团购产品:肯高显微镜STV-7适合年龄: 3岁+

团购价格:138

发货地点上海(特殊时期、发货时间会有延迟,望大家理解)

发货方式:申通快递 全国包邮(新疆、西藏、内蒙古、青海、宁夏、甘肃、海南、港澳台不发货)售后问题:保持包装完整未使用可7天无理由退换货,产品质量问题以及快递导致的破损及丢件问题请点公众号菜单栏右侧的联系方式,联系在线客服,会帮您退换补寄(有质量问题就我们出运费,无质量问题客户出运费)。

用电子显微镜,就能观察细胞基因表达?

亥姆霍兹慕尼黑研究中心的研究人员开发了一种用电子显微镜观察细胞基因表达的方法。虽然电子显微镜目前提供了对细胞最详细的观察,但它无法区分哪些基因程序在单个细胞内运行。现在,通过使用不同大小的基因编程纳米球作为“多色”标记,新方法可以更近距离地观察,这甚至有助于研究记忆是如何存储在神经元网络中的。细胞究竟发生了什么?这个问题让科学家们忙了几十年。

用电子显微镜,就能观察细胞基因表达?

为了标记小结构,科学家们一直在使用荧光蛋白。这种方法工作得很好,但由于光学显微镜的分辨率相对较低而存在缺点。尽管电子显微镜可以让我们更近距离地观察,吉尔·格莱格·韦斯特迈尔教授说:到目前为止,还没有任何方法可以解决这种技术中细胞的多色遗传标记问题,这样就可以直接把不同的细胞区分开来。

纳米室作为电子显微镜的多色标签

(此处已添加圈子卡片,请到今日头条客户端查看)

韦斯特迈尔和同事们研究所谓的胶囊已经有一段时间了。这些是来自细菌的小型无毒蛋白质,封装素会自动组装成奈米小室,化学反应可以在奈米小室中进行,而不会干扰细胞的新陈代谢。根据实验条件的不同,在活细胞内通过基因编程形成不同直径的纳米室。韦斯特迈耶研究小组的菲利克斯•西格蒙德补充说:与荧光显微镜的调色板类似,该方法将几何图形转化为电子显微镜的标签。

用电子显微镜,就能观察细胞基因表达?

为了在电子显微镜下获得强烈的对比度,研究人员使用了氧化铁酶,它可以被封装在胶囊的内部。如果铁离子通过纳米室的孔隙进入内腔,二价铁离子被酶氧化成三价铁离子。这就产生了留在内部的不溶性氧化铁。金属能产生良好的反差,因为它们“吞噬”电子——就像x射线图像中的致密骨头能强烈吸收x射线一样。这种特殊的封装材料特性使它们在图像中清晰可见。

跟随神经束

用新方法,研究人员现在也将研究神经回路,尽管电子显微镜的分辨率令人印象深刻,但这种方法不能可靠地分辨出大脑中某些类型的神经元。有了新报告基因,可以给特定的细胞贴上标签,然后读出哪种神经细胞构成了哪种连接,以及这些细胞处于何种状态。因此,这项新技术也可以帮助揭示大脑的确切接线图,并进一步研究记忆是如何存储在神经元网络中的。

电子显微镜下的世界,你能认出它们吗

电子显微镜下的世界,你能认出它们吗

高倍数下的跳蛛眼睛,恐怖

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这是放大的臭虫

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螨虫到底什么样?长这样

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放大8000倍的骨癌细胞

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这是显微镜下的宝石甲虫

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进一步放大后的宝石甲虫甲壳

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携带幼虫的蚂蚁

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在这个尺度,小鼠脑血管是这样的

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树叶的气孔,以前只在教科书上听说过

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虎斑猛水蚤,本身是很微小的生物

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显微镜下的世界,与肉眼所看到的是不一样的,这组照片是显微镜下的人体组织,图为显微镜下人体肺内表面的样子,那些空腔就是肺泡。

电子显微镜下的世界,你能认出它们吗

显微镜下舌头上的味蕾

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显微镜下人体中反常的肺癌细胞

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显微镜下血细胞-红血球。这些表面凹的细胞承担着将氧气送往身体各处的任务。

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显微镜下人类卵细胞

电子显微镜下的世界,你能认出它们吗

显微镜下普肯野神经元。

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显微镜下6天大的胚胎

电子显微镜下的世界,你能认出它们吗

显微镜下没有良好护理的头发。

电子显微镜分辨率创造新的世界纪录,一个硫原子的缺失都能检测到

电子显微镜分辨率创造新的世界纪录,一个硫原子的缺失都能检测到

图说:两张二硫化钼(MoS2)的照片,一幅旋转了6.8度。单个原子的间距从原子键全长到完全重叠时的间距不等。来源:康奈尔大学

7月19日,美国康奈尔大学应用和工程物理系教授David Muller、John L. Wetherill,物理学教授Sol Gruner和Veit Elser合作在《自然》杂志上发表题为”Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution”的文章。文章称,研究人员凭借电子显微镜(电镜)像素阵列检测器(EMPAD),使电镜达到了0.39Å的分辨率,刷新了世界记录。

电镜虽然能观测到单个原子,但即使在这个分辨率下,它也并不能把一切都看得清清楚楚。电镜的镜片具有称为像差的内在缺陷。为此人们开发了像差校正器,正如Muller所说,它就像“显微镜的眼镜”。而为了校正多个像差,需要一个不断扩展的校正元件收集器。这就像将眼镜戴在眼镜上一样笨拙。Muller等的工作成功地解决了这个问题。

电子波长比可见光的波长小许多倍,但电镜镜头并没有相应的分辨率。分辨率在很大程度上取决于镜头的数值孔径。数值孔径是“f数”的倒数:f数越小,分辨率越高。提高电镜分辨率的传统方法是增加透镜的数值孔径和电子束的能量。过去的分辨率记录是通过像差校正透镜和超高光束能量——300千电子伏特(keV)—— 来获得亚埃(Å, ångström )分辨率的。原子键长通常在1-2Å之间,亚埃分辨率可以让人们轻松观测到单个原子。

研究小组使用了EMPAD和Ptychography技术来提高电镜的分辨率:当电子束扫描样品时,探测器在重叠步骤中收集散射电子的全位置和动量分布,然后根据得到的4维数据集来重建图像。最后达到了0.39Å的分辨率。为了保证样品结构完整性,他们使用了更低的光束能量(80 keV),这种情况下仅使用像差校正透镜就能达到0.98Å的分辨率。在这种分辨率下,样品中即便是一个硫原子的缺失都能检测到。

由于分辨率小于最小原子键,因而需要为EMPAD方法提供一种新的测试对象。于是他们堆叠了两张MoS2照片,一张略微歪斜,这样两片原子的距离从完整的原子键长到重叠时的距离不等。

康奈尔大学校内的电镜已经进行了EMPAD改造,它们可以记录各种强度——从单个电子到包含数十万甚至一百万个电子的强光束。

编译:伊幻 审稿:西莫 编辑:张梦

来源:https://phys.org/news/2018-07-electron-microscope-detector-resolution.html

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

01、光学显微镜以可见光为介质,电子显微镜以电子束为介质,由于电子束波长远较可见光小,故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍,扫描式显微镜可放大到10000倍以上。

02、根据de Broglie波动理论,电子的波长仅与加速电压有关:λe=h / mv= h / (2qmV)1/2=12.2 / (V)1/2 (Å),在 10 KV 的加速电压之下,电子的波长仅为0.12Å,远低于可见光的4000 – 7000Å,所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越许多,但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100Å之间,电子与原子核的弹性散射 (Elastic Scattering) 与非弹性散射 (Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大,因此一般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。

03、扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深(depth of field),约为光学显微镜的300倍,使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。

04、扫描式电子显微镜,其系统设计由上而下,由电子枪 (Electron Gun) 发射电子束,经过一组磁透镜聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后,用遮蔽孔径 (Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸(Beam Size)后,通过一组控制电子束的扫描线圈,再透过物镜 (Objective Lens) 聚焦,打在样品上,在样品的上侧装有讯号接收器,用以择取二次电子 (Secondary Electron) 或背向散射电子 (Backscattered Electron) 成像。

05、电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 要小,目前常用的种类计有三种,钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射 (Field Emission),不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。

06、热游离方式电子枪有钨(W)灯丝及六硼化镧(LaB6)灯丝两种,它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(work function)能障而逃离。对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数,但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作,以减少材料的挥发,所以在操作温度不提高的状况下,就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。

07、价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝,以热游离 (Thermionization) 式来发射电子,电子能量散布为 2 eV,钨的功函数约为4.5eV,钨灯丝系一直径约100μm,弯曲成V形的细线,操作温度约2700K,电流密度为1.75A/cm2,在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小,使用寿命约为40~80小时。

08、六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为2.4eV,较钨丝为低,因此同样的电流密度,使用LaB6只要在1500K即可达到,而且亮度更高,因此使用寿命便比钨丝高出许多,电子能量散布为 1 eV,比钨丝要好。但因LaB6在加热时活性很强,所以必须在较好的真空环境下操作,因此仪器的购置费用较高。

09、场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 – 100 倍,同时电子能量散布仅为0.2 – 0.3 eV,所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪,其分辨率可高达 1nm 以下。

10、场发射电子枪可细分成三种:冷场发射式(cold field emission , FE),热场发射式(thermal field emission ,TF),及肖基发射式(Schottky emission ,SE)

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

11、当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时,会有可观数量的电子发射出来,此过程叫做场发射,其原理是高电场使电子的电位障碍产生Schottky效应,亦即使能障宽度变窄,高度变低,因此电子可直接”穿隧”通过此狭窄能障并离开阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来,因此可得极细而又具高电流密度的电子束,其亮度可达热游离电子枪的数百倍,或甚至千倍。

12、场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料,以能承受高电场所加诸在阴极尖端的高机械应力,钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射枪通常以上下一组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静电场,能对电子产生聚焦效果,所以不再需要韦氏罩或栅极。第一(上)阳极主要是改变场发射的拔出电压(extraction voltage),以控制针尖场发射的电流强度,而第二(下)阳极主要是决定加速电压,以将电子加速至所需要的能量。

13、要从极细的钨针尖场发射电子,金属表面必需完全干净,无任何外来材料的原子或分子在其表面,即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射,所以场发射电子枪必需保持超高真空度,来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格极为高昂,所以一般除非需要高分辨率SEM,否则较少采用场发射电子枪。

14、冷场发射式最大的优点为电子束直径最小,亮度最高,因此影像分辨率最优。能量散布最小,故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附,而降低场发射电流,并使发射电流不稳定,冷场发射式电子枪必需在10-10 torr的真空度下操作,虽然如此,还是需要定时短暂加热针尖至2500K(此过程叫做flashing),以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。

15、热场发式电子枪是在1800K温度下操作,避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面,所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度,并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似,但其电子能量散布却比冷式大3~5倍,影像分辨率较差,通常较不常使用。

16、肖基发射式的操作温度为1800K,它系在钨(100)单晶上镀ZrO覆盖层,ZrO将功函数从纯钨的4.5eV降至2.8eV,而外加高电场更使电位障壁变窄变低,使得电子很容易以热能的方式跳过能障(并非穿隧效应),逃出针尖表面,所需真空度约10-8~10-9torr。其发射电流稳定度佳,而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小,仅稍逊于冷场发射式电子枪。其电子源直径比冷式大,所以影像分辨率也比冷场发射式稍差一点。

17、场发射放大倍率由25倍到650000倍,在使用加速电压15kV时,分辨率可达到1nm,加速电压1kV时,分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放大倍率可到200000倍,实际操作时,大部份均在20000倍时影像便不清楚了,但如果样品的表面形貌及导电度合适,最大倍率650000倍是可以达成的。

18、由于对真空的要求较高,有些仪器在电子枪及磁透镜部份配备了3组离子泵(ion pump),在样品室中,配置了2组扩散泵(diffusion pump),在机体外,以1组机械泵负责粗抽,所以有6组大小不同的真空泵来达成超高真空的要求,另外在样品另有以液态氮冷却的冷阱(cold trap),协助保持样品室的真空度。

19、平时操作,若要将样品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr),则抽真空的时间将变长而降低仪器的便利性,更增加仪器购置成本,因此一些仪器设计了阶段式真空(step vacuum),亦即使电子枪、磁透镜及样品室的真空度依序降低,并分成三个部份来读取真空计读数,如此可将样品保持在真空度10-5pa的环境下即可操作。平时待机或更换样品时,为防止电子枪污染,皆使用真空阀(gun valve)将电子枪及磁透镜部份与样品室隔离,实际观察时再打开使电子束通过而打击到样品。

20、场发射式电子枪的电子产生率与真空度有密切的关系,其使用寿命也随真空度变差而急剧缩短,因此在样品制备上必须非常注意水气,或固定用的碳胶或银胶是否烤干,以免在观察的过程中,真空陡然变差而影响灯丝寿命,甚至系统当机。

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

21、在电子显微镜中须考虑到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波长散布像差(即色散像差,chromatic aberration)。

22、面像差为物镜中主要缺陷,不易校正,因偏离透镜光轴之电子束偏折较大,其成像点较沿轴电子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透镜为近。

23、散光像差由透镜磁场不对称而来,使电子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同点上。散光像差一般用散光像差补偿器(stigmator)产生与散光像差大小相同、方向相反的像差校正,目前电子显微镜其聚光镜及物镜各有一组散光像差补偿器。

24、光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于电子束通过小光圈电子束产生衍射现象,使用大光圈可以改善。

25、色散像差(Chromatic aberration):因通过透镜电子束能量差异,使得电子束聚焦后并不在同一点上。

26、电子束和样品作用体积(interaction volume),作用体积约有数个微米(μm)深,其深度大过宽度而形状类似梨子。此形状乃源于弹性和非弹性碰撞的结果。低原子量的材料,非弹性碰撞较可能,电子较易穿进材料内部,较少向边侧碰撞,而形成梨子的颈部,当穿透的电子丧失能量变成较低能量时,弹性碰撞较可能,结果电子行进方向偏向侧边而形成较大的梨形区域。

27、在固定电子能量时,作用体积和原子序成反比,乃因弹性碰撞之截面积和原子序成正比,以致电子较易偏离原来途径而不能深入样品。

28、电子束能量越大,弹性碰撞截面积越小,电子行走路径倾向直线而可深入样品,作用体积变大。

29、电子束和样品的作用有两类,一为弹性碰撞,几乎没有损失能量,另一为非弹性碰撞,入射电子束会将部份能量传给样品,而产生二次电子、背向散射电子、俄歇电子、X光、长波电磁放射、电子-空位对等。这些信号可供SEM运用者有二次电子、背向散射电子、X光、阴极发光、吸收电子及电子束引起电流(EBIC)等。

30、二次电子(Secondary Electrons):电子束和样品作用,可将传导能带(conduction band)的电子击出,此即为二次电子,其能量约 < 50eV。由于是低能量电子,所以只有在距离样品表面约50~500?深度范围内所产生之二次电子,才有机会逃离样品表面而被侦测到。由于二次电子产生的数量,会受到样品表面起伏状况影响,所以二次电子影像可以观察出样品表面之形貌特征。

31、背向散射电子(Backscattered Electrons):入射电子与样品子发生弹性碰撞,而逃离样品表面的高能量电子,其动能等于或略小于入射电子的能量。背向散射电子产生的数量,会因样品元素种类不同而有差异,样品中平均原子序越高的区域,释放出来的背向散射电子越多,背向散射电子影像也就越亮,因此背向散射电子影像有时又称为原子序对比影像。由于背向散射电子产生于距样品表面约5000?的深度范围内,由于入射电子进入样品内部较深,电子束已被散射开来,因此背向散射电子影像分辨率不及二次电子影像。

32、X光:入射电子和样品进行非弹性碰撞可产生连续X光和特征X光,前者系入射电子减速所放出的连续光谱,形成背景决定最少分析之量,后者系特定能阶间之能量差,可藉以分析成分元素。

33、电子束引致电流(Electron-beam induced Current , EBIC):当一个p-n接面(Junction )经电子束照射后,会产生过多的电子-空位对,这些载子扩散时被p-n接面的电场收集,外加线路时即会产生电流。

34、阴极发光(Cathodoluminescence):当电子束产生之电子-空位对再结合时,会放出各种波长电磁波,此为阴极发光(CL),不同材料发出不同颜色之光。

35、样品电流(Specimen Current):电子束射到样品上时,一部份产生二次电子及背向散射电子,另一部份则留在样品里,当样品接地时即产生样品电流。

36、电子侦测器有两种,一种是闪烁计数器侦测器(Scintillator),常用于侦测能量较低的二次电子,另一种是固态侦测器(solid state detector),则用于侦测能量较高的反射电子。

37、影响电子显微镜影像品质的因素:A. 电子枪的种类:使用场发射、LaB6或钨丝的电子枪。B. 电磁透镜的完美度。C. 电磁透镜的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lensD. 样品室的洁净度: 避免粉尘、水气、油气等污染。E. 操作条件: 加速电压、工作电流、仪器调整、样品处理、真空度。F. 环境因素: 振动、磁场、噪音、接地。

38、如何做好SEM的影像,一般由样品的种类和所要的结果来决定观察条件,调整适当的加速电压、工作距离 (WD)、适当的样品倾斜,选择适当的侦测器、调整合适的电子束电流。

39、一般来说,加速电压提高,电子束波长越短,理论上,只考虑电子束直径的大小,加速电压愈大,可得到愈小的聚焦电子束,因而提高分辨率,然而提高加速电压却有一些不可忽视的缺点:A. 无法看到样品表面的微细结构。B. 会出现不寻常的边缘效应。C. 电荷累积的可能性增高。D. 样品损伤的可能性增高。因此适当的加速电压调整,才可获得最清晰的影像。

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

40、适当的工作距离的选择,可以得到最好的影像。较短的工作距离,电子讯号接收较佳,可以得到较高的分辨率,但是景深缩短。较长的工作距离,分辨率较差,但是影像景深较长,表面起伏较大的样品可得到较均匀清晰的影像。

41、SEM样品若为金属或导电性良好,则表面不需任何处理,可直接观察。若为非导体,则需镀上一层金属膜或碳膜协助样品导电,膜层应均匀无明显特征,以避免干扰样品表面。金属膜较碳膜容易镀,适用于SEM影像观察,通常为Au或Au-Pd合金或Pt。而碳膜较适于X光微区分析,主要是因为碳的原子序低,可以减少X光吸收。

42、SEM样品制备一般原则为: A. 显露出所欲分析的位置。 B. 表面导电性良好,需能排除电荷。 C. 不得有松动的粉末或碎屑(以避免抽真空时粉末飞扬污染镜柱体)。 D. 需耐热,不得有熔融蒸发的现象。 E. 不能含液状或胶状物质,以免挥发。 F. 非导体表面需镀金(影像观察)或镀碳(成份分析)。

43、镀导电膜的选择,在放大倍率低于1000倍时,可以镀一层较厚的Au,以提高导电度。 放大倍率低于10000倍时,可以镀一层Au来增加导电度。放大倍率低于100000倍时,可以镀一层Pt或Au-Pd合金,在超过100000时,以镀一层超薄的Pt或Cr膜较佳。

44、电子束与样品作用,当内层电子被击出后,外层电子掉入原子内层电子轨道而放出X光,不同原子序,不同能阶电子所产生的X光各不相同,称为特征X光,分析特征X光,可分析样品元素成份。

45、分析特征X光的方式,可分析特征X光的能量分布,称为EDS,或分析特征X光的波长,称为WDS。X光能谱的分辨率,在EDS中约有100~200eV的分辨率,在WDS中则有5~ 10eV的分辨率。由于EDS的分辨率较WDS差,因此在能谱的解析上,较易产生重迭的情形。

46、由于电子束与样品作用的作用体积(interaction volume)的关系,特征X光的产生和作用体积的大小有关,因此在平面的样品中,EDS或WDS的空间分辨率,受限于作用体积的大小。

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

帮你入门|关于电子显微镜的46个知识点

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

看看新型冠状病毒 “身份证”照,果然不愧冠状病毒之名!

美国蒙大拿州汉密尔顿市的落基山实验室于在扫描和透射电子显微镜上制作了新型冠状病毒的图像。落基山实验室的研究者Emmie de Wit博士提供了病毒样本,电子显微镜师Elizabeth Fischer制作了图像,落基山实验室视觉医学艺术办公室对图像进行了数字化着色。

新型冠状病毒的图像看起来与MERS冠状病毒(中东呼吸综合征冠状病毒,2012年出现)或SARS冠状病毒(严重急性呼吸综合征冠状病毒,2002年出现)没有太大区别。这并不奇怪:冠状病毒表面的尖刺赋予了这个病毒家族的名字—corona,拉丁语是“冠”的意思,大多数冠状病毒都会有类似冠的外观。

这些图像突出显示了覆盖病毒的尖峰,这是冠状病毒的一个标志性特征,冠状病毒家族的名字也是由此而得名。这些图像经过数字着色,以帮助视觉上分离病毒与周围细胞,并说明病毒是如何复制和从细胞表面出现的。一下我们就来看看新型冠状病毒的证件照吧!

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

美国的一个实验室制作了迄今为止在全球传播的新型冠状病毒最详细的图像。数码彩色图像清晰地显示了这种病毒的皇冠状外观。其形状与2002年的SARS病毒及其相似。

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

这张扫描电子显微镜图像显示了从美国一名患者身上分离出来的新型冠状病毒(橙色),从实验室培养的细胞(绿色)表面出现。

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

这张透射电子显微镜图像显示了刚从实验室培养的细胞表面释放出来的新型冠状病毒颗粒。

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

从实验室培养物中生长出来的病毒的扫描电镜图像。这些图片是由美国国家过敏和传染病研究所发布的。

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

从实验室培养生长的新型冠状病毒的扫描电子显微镜图像。电子显微镜利用一束能量来拍摄物体的详细照片,这些物体太小,普通显微镜看不见。

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

新型冠状病毒的透射电子显微镜图像。该病毒的图像已被着色,使其更易于查看。病毒表面的树冠状形状清晰可见。

新型冠状病毒最清晰电子显微镜图像公布,和SARS真是孪生兄弟

SARS病毒电子显微镜图像,看起来和新型冠状病毒真的是孪生兄弟!

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

一年一度的尼康 2019 小世界显微摄影比赛又来啦~

1975 年创立初期,尼康小世界显微摄影比赛想要成为一个介绍和展示的渠道,将通过光学显微镜摄影的人们介绍给世界各地的观众,并为其成果而喝彩。

如今,小世界显微摄影比赛已经成功举办了 44 个年头,为来自各种科学学科的显微照相师提供了最佳的展示平台。

第一名

今年获得第一名的作品由显微镜学技术员特蕾莎·兹戈达(Teresa Zgoda)和刚刚大学毕业的特蕾莎·库格勒(Teresa Kugler)两人合力完成。显微镜学让他们将自己对于艺术和科学的热爱完美地结合了起来。

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:荧光乌龟胚胎

作者:特蕾莎·兹戈达,特蕾莎·库格勒(Teresa Zgoda & Teresa Kugler)

地点:坎贝尔大厅,纽约,美国

技术:立体显微镜和荧光显微镜

物镜放大倍数:5 倍

创作这张照片对于他们来说是一个很大的挑战,因为这只乌龟胚胎超过一英寸长且厚,想要确保整只乌龟都被拍入照片里需要足够的时间和极高的精准度。

此外,使用放大镜意味着焦平面上每次只能显示乌龟胚胎身上的一小部分。我们最后看到的这张照片是由成百上千张照片堆叠和拼接后编辑而成的。

第二名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:三只喇叭虫(单细胞淡水原生动物)

作者:Dr. Igor Siwanowicz

机构:霍华德·休斯医学研究所,美国

技术:未提及

物镜放大倍数:40 倍

第三名

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名称:正在发育神经和骨骼的短吻鳄胚胎

作者:Daniel Smith Paredes, Dr. Bhart-Anjan S. Bhullar

机构:耶鲁大学地质学和地球物理学系

技术:免疫荧光

物镜放大倍数:10 倍

第四名

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名称:雄性蚊子

作者:Jan Rosenboom

机构:罗斯托克大学,德国

技术:焦点合成

物镜放大倍数:6.3 倍

第五名

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名称:雪花

作者:Caleb Foster

机构:迦勒·福斯特摄影,佛蒙特州,美国

技术:透射光

物镜放大倍数:4 倍

第六名

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名称:小白毛蜘蛛

作者:Javier Rupérez

地点:阿尔马查尔,马拉加,西班牙

技术:反射光, 图像堆叠

物镜放大倍数:20 倍

第七名

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名称:康乃馨雄蕊

作者:Dr. Guillermo Lopez Lopez

地点:阿利坎特,西班牙

技术:焦点合成

物镜放大倍数:3倍

第八名

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名称:冻住的水滴

作者:Garzon Christian

地点:屈安坦县,阿摩尔滨海省,法国

技术:入射光

物镜放大倍数:8 倍

第九名

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名称:郁金香花蕾横切面

作者:Andrei Savitsky

机构:切尔卡瑟,乌克兰

技术:反射光

物镜放大倍数:1 倍

第十名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:牛肺动脉内皮细胞有丝分裂末期

作者:Jason M. Kirk

机构:贝勒医学院,美国

技术:提高分辨率的共聚焦

物镜放大倍数:63 倍

第十一名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:成年雌性果蝇的一对卵巢;卵泡细胞由绿色荧光蛋白(品红色)标记

作者:Dr. Yujun Chen, Dr. Jocelyn McDonald

机构:堪萨斯州立大学生物学系,美国

技术:共聚焦

物镜放大倍数:10 倍

第十二名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:幼虫蚊子

作者:Anne Algar

地址:豪恩斯洛,英国

技术:暗视野显微镜,偏光,图像堆叠

物镜放大倍数:4 倍

第十三名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:赤铜矿

作者:Dr. Emilio Carabajal Márquez

地点:马德里,西班牙

技术:焦点合成

物镜放大倍数:20 倍

第十四名

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名称:雌性斜纹杜蒙蒂(山猫)蜘蛛

作者:Antoine Franck

机构:法国农业发展研究中心

技术:焦点合成

物镜放大倍数:1 倍

第十五名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:怀孕的大型蚤(小型浮游甲壳类动物)

作者:Marek Miś

机构:Marek Mis 摄影,波兰

器材:改良的暗视野显微镜,偏光,图像堆叠

物镜放大倍率:4 倍

第十六名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:未知

作者:Dr. Razvan Cornel Constantin

地点:布加勒斯特,罗马尼亚

器材:焦点合成,反射光

物镜放大倍率:50 倍

第十七名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:维生素 C

作者:Karl Deckart

机构:埃肯塔尔,德国

技术:明视野显微镜,偏振光

物镜放大倍数:4 倍

第十八名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:悬浮于石英矿物中的方石英晶体

作者:E. Billie Hughes

地点:泰国曼谷

技术:暗视野显微镜

物镜放大倍数:40 倍

第十九名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:加州双斑蛸胚胎

作者:Martyna Lukoseviciute, Dr. Carrie Albertin

机构:牛津大学韦瑟罗尔分子医学研究所

技术:共聚焦,图像拼接

物镜放大倍数:5 倍

第二十名

看了这些照片才知道,显微镜下的世界竟然这么精彩

名称:心肌梗塞后,小鼠心脏的血管

作者:Simon Merz, Lea Bornemann, Sebastian Korste

机构:德国埃森大学医院实验免疫学与影像研究所

技术:灯片荧光显微镜

物镜放大倍率:2 倍

图片来源:https://www.nikonsmallworld.com/

编辑:张丹雨