低温条件下在npSCOPE上实现相关拓扑、透射与二次离子质谱成像

《Analytical Chemistry》：Cryo-HIM-SIMS on the npSCOPE: Correlative Topographic, Transmitted and SIMS Imaging at Cryogenic Temperatures

为解决束流敏感样品（包括冷冻含水样品）在分析过程中因束流损伤和样品制备假象导致的分析难题，研究人员在npSCOPE仪器平台上集成低温系统，成功实现了20–40 keV离子束下的低温多模态（二次电子成像、扫描透射离子显微术和二次离子质谱）相关成像与分析，为近原生状态的生物样品及其他束流敏感材料的纳米尺度多模态研究提供了有潜力的解决方案。

　　

在生命科学和材料科学的前沿探索中，研究人员常常面临一个两难困境：为了看清样品的精细结构，需要使用高能量的电子束或离子束进行高分辨率成像；但这些带电粒子束携带的巨大能量，即便在成像所需的有限剂量下，也极易导致样品发生超微结构改变或化学组成变化，产生诸如粘性流动、熔化、碳再沉积等假象。这对于生物样本、有机晶体、聚合物以及纳米材料等束流敏感材料尤为致命，因为它们的微小尺寸和高表面积体积比使其更易受损。同时，对于生物样本而言，若要研究其真实的、接近原生状态的化学组成（如代谢物、药物分布），传统的树脂包埋等制备过程会造成可溶性物质的流失。玻璃化冷冻技术虽然能将含水样品保存在近原生状态，但对其进行高空间分辨率的化学分析一直是个巨大挑战。现有的化学成像方法，如能量色散X射线光谱（EDX）或电子能量损失谱（EELS），往往因所需曝光时间长而导致严重的束流损伤；而近期发展的低温纳米二次离子质谱（cryo-NanoSIMS）等方法，其空间分辨率尚未达到离子束成像的理论极限（约10纳米），难以与超高分辨结构成像数据精准关联。

为此，一个研究团队在《Analytical Chemistry》上发表论文，报道了他们在原型仪器平台npSCOPE上取得的重要进展。npSCOPE是一种基于气体场离子源（GFIS）的多模态氦离子显微镜（HIM）和二次离子质谱（SIMS）联用系统。为了实现对冷冻含水等束流敏感样品的无损、高分辨率分析，研究人员对npSCOPE进行了关键性改造：集成了一个液氮冷却的铜屏蔽仪器腔体、一个五轴低温样品台，并配备了一套专用的液氮冷却超高真空样品传输系统与湿度可控的低温手套箱。这套系统使得样品在传输和分析全程都能保持在低于-139°C的低温下，有效抑制了冰晶生长和污染物凝结。凭借其三种检测模式——二次电子（SE）成像、基于双聚焦磁扇区SIMS系统的化学分析以及扫描透射离子显微术（STIM），该仪器能够在室温和低温条件下，对同一样品区域进行形貌、体积（质量-厚度对比）和化学成分的相关成像与分析。

研究主要采用了以下几项关键技术方法：首先，对npSCOPE仪器进行了低温改造，集成定制低温样品台和冷却系统，并建立了完整的低温样品传输与制备工作流程。其次，利用二次电子成像定量评估了二氧化硅包裹的金纳米颗粒在室温和低温下的束流损伤。接着，通过扫描透射离子显微术分析了多晶金箔在降温过程中的离子通道效应，并结合蒙特卡洛模拟进行验证。然后，在室温和低温下，对暴露于硅铝钛氧化物纳米颗粒的石蜡包埋人角质形成细胞切片进行了多模态（SE、STIM、SIMS）相关成像与分析。最后，对通过冷冻聚焦镓离子束（cryo-FIB）制备的A549细胞冷冻薄片进行了低温二次电子成像和低温二次离子质谱成像，以验证对近原生生物样品进行化学分析的能力。

研究结果与讨论

低温条件对束流敏感样品分析的益处（二氧化硅包裹的金纳米颗粒）

通过对比室温和低温条件下，30 keV氦离子束对二氧化硅包裹的金纳米颗粒的连续成像，研究人员发现，在室温下，重复的束流暴露会导致纳米颗粒边界模糊、相邻颗粒间间隙减小，表明发生了束流诱导的粘性流动和颗粒聚结。而在-139°C的低温条件下，颗粒边界保持稳定，颗粒间间隙略有增加，表明材料融合被抑制，主要发生的是材料溅射移除。这证实了低温条件能显著减少束流诱导的样品形貌改变，为延长成像时间、详细分析束流敏感纳米材料提供了可能。

金箔离子通道数据

通过对多晶金箔在降温过程中进行扫描透射离子显微术成像，发现随着温度降低，所有晶粒的离子透射信号强度均增加，整个图像区域的平均强度提升了34%。结合离子植入与溅射模拟器（IMSIL）的模拟计算，该现象与低温下热散射减少、离子通道效应增强的理论预期一致。模拟结果的中位数增强（30%）与实验观测值（34%）高度吻合，验证了低温有助于改善离子通道分析，为材料科学研究提供了新工具。

室温和低温条件下对树脂包埋生物细胞切片的SE-STIM-SIMS比较研究

对暴露于硅铝钛氧化物（SiAlTiO₂）纳米颗粒的树脂包埋人角质形成细胞切片，研究人员在相同仪器参数下分别进行了室温和低温的多模态分析。结果表明，二次电子成像主要显示突出的纳米颗粒，而扫描透射离子显微术则能基于质量衬度清晰呈现未染色的生物细胞结构。二次离子质谱在两种温度下均能成功检测到代表生物基质的CN^–信号，以及代表纳米颗粒成分的Al⁺、Si⁺、Ti⁺和TiO⁺信号，成功定位了细胞内外及与细胞突起相互作用的纳米颗粒。尽管低温二次离子质谱信号强度略有降低（可能与样品表面电荷状态、电离效率及溅射产额变化有关），但定性分析证实，低温条件能够获得与室温可比的数据，且系统参数稳定。

近原生低温条件下冷冻含水薄片的分析

作为原理验证，研究团队对通过冷冻聚焦离子束制备的A549细胞冷冻薄片进行了低温二次离子质谱分析。尽管样品在存储和转移过程中表面形成了少量冰晶，但获得的二次离子质谱图仍能显示亚细胞特征的对比度。例如，¹⁶O^–和¹⁶O¹H^–信号富集于表面的小冰晶，而¹²C¹⁴N^–信号则突出了囊泡状结构，展现了低温二次离子质谱在近原生生物样品中进行元素图谱分析的可行性。这为未来将化学分析与冷冻电子断层扫描等结构数据相关联奠定了基础。

研究结论与意义

本研究成功在npSCOPE平台上集成了低温系统，实现了对束流敏感材料和冷冻含水生物样品的高分辨率、多模态成像与分析。低温条件有效降低了束流对样品的损伤，提高了成像稳定性，并通过增强离子通道效应，为材料分析提供了新视角。对树脂包埋生物切片的对比实验证明了低温与室温分析的兼容性，而对冷冻细胞薄片的低温二次离子质谱分析则首次在单一仪器内实现了对近原生生物样品的超高空间分辨率元素成像。这项工作为纳米毒理学、生物医学以及电池固-液界面等只能在低温下研究的材料体系，开辟了一条无需复杂样品制备、避免元素重排或流失的全新分析途径。通过将形貌、体相和表面元素信息在纳米尺度上相关联，该技术有望推动接近原生状态的生物和环境样品的深入理解。未来，进一步提高质量分辨率和减少样品碎片化，将是实现更完整亚细胞分子洞察的关键发展方向。