[閒聊] 更快、更銳利的四維度電子顯微鏡
編輯 finn 報導
1999年的諾貝爾化學獎得主Ahmed Zewail ，領導加州理工學院的研究小組，結合超快雷
射和電子脈衝，發展出可以同時具備奈米和飛秒(10^-15s)的空間時間解析力的電子顯微
鏡。他將此技術稱為：四維度電子顯微鏡。
細胞反應過程或細胞表面往往是科學家最感興趣的現象，但是傳統的顯微鏡在觀察這些反
應時，常常需要使用會中斷反應過程或破壞細胞表面的樣品製備技術。不僅如此，以往的
顯微鏡通常都需要數秒鐘以上的曝光時間，因而無法觀察反應過程的每一個階段。Zewail
的研究小組，將超快雷射技術整合到電子顯微鏡上，當入射於樣品上的雷射脈衝與電子束
同調時，便可以利用超快光學技術，將電子成像或光譜的時間解析度提高至飛秒等級。
Zewail表示，此技術最大的特點在於，它不但維持了電子顯微鏡的超高三維空間解析力，
同時可以具有超快的光學成像能力。也因此他將這個新的電子顯微技術稱為：四維度電子
顯微鏡。 其實早在2年前，Zewail的研究小組就已經利用此四維度電子顯微技術進行超快
電子繞射實驗，發現不同密度的氧化鋅奈米線陣列，在光激發下所產生的異向結構膨脹不
但大小不同，膨脹的時間長短也不相同(1)。他們在去年更進一步應用此技術所發展的光
致近場電子顯微鏡(photo-induced near-field electron microscopy, PINEM)，成功地
在近飛秒尺度下觀察奈米碳管和銀奈米線的近場電場分佈變化(2)。今年四月，他們把目
標轉向直徑500奈米同時帶有約50奈米外殼層的蛋白質囊泡，利用PINEM技術，可以透過改
變特定參數例如雷射的極化以及囊泡的方位，進而選擇囊泡殼層中欲成像的準確位置(3)
。如此一來，將不再需要做標定或是特殊的樣品製備技術來觀察細胞中的微小粒子，如核
酸醣小體。六月，Zewail的研究小組發表了四維電子斷層攝影術(4D electron
tomography)，對環形奈米碳管進行兩種不同振動模式的動態觀察(4)，共振頻率高達30百
萬赫茲。
Zewail團隊所發展的技術將可以應用到非常多的研究領域，如今對生物學家而言，剩下的
難題恐怕是，欲觀察的樣品不但需要能夠放在高真空的環境下，同時還要能夠承受20萬伏
特電子束的照射。
原始論文
(1) Yang D-S, Lao C, & Zewail AH (2008) 4D Electron Diffraction Reveals
Correlated Unidirectional Behavior in Zinc Oxide Nanowires. Science
321:1660-1664.
(2) Barwick B, Flannigan DJ, & Zewail AH (2009) Photon-induced near-field
electron microscopy. Nature 462:902-906.
(3) Flannigan DJ, Barwick B, & Zewail AH (2010) Biological imaging with 4D
ultrafast electron microscopy. Proceedings of the National Academy of
Sciences 107:9933-9937.
(4) Kwon O-H & Zewail AH (2010) 4D Electron Tomography. Science 328:1668-1673
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