用激光束提高电子显微镜衬度

中国科学院物理研究所 汪力 编译自Susan Curtis. Physics，June 25，2026

本文选自《物理》2026年第8期

冷冻电子显微镜(通常称为冷冻电镜)已成为阐明复杂生物分子结构的重要工具。但即使是最先进的仪器，也难以对小型蛋白质分子进行清晰成像(这类蛋白质约占人体蛋白质总数的90%)。如今，加州大学伯克利分校的Holger Müller及其同事开发了一种基于激光的方法，用于控制电子束的相位，从而在冷冻电镜图像中获得更高的衬度。在演示实验中，该方法有效提升了小型蛋白质图像的分辨率，为生物学家探索现有技术无法触及的全新蛋白质结构铺平了道路。

激光相位板利用强激光束改变电子束的相位，使得高衬度冷冻电镜成像成为可能

冷冻电镜通过对含有数千乃至数百万个相同分子的冷冻样品进行成像从而重建出三维结构。冷冻处理使样品保持在近乎天然的状态，同时也能减轻电子束对样品的损伤。然而，电子与生物样品的相互作用很弱，这就直接限制了图像的衬度。再加上此类测量场景中较高的噪声水平，过低的图像衬度给可研究分子的大小设定了下限。

提高衬度的一种常用方法是插入所谓的相位板，这是一种将波的相位偏移一个设定量(通常用角度表示)的元件。将相位改变90°的相位板(又称四分之一波片)广泛用于光学显微镜中，以观察几乎透明的样品。光通过样品时虽未被衰减，但其中一部分光经样品衍射后会产生微小的相位变化。相位板用于偏移无衍射参考信号的相位。借助这一附加相位偏移，衍射光束与无衍射光束之间的干涉在两者抵达探测器时产生衬度。

此前的研究曾试图在冷冻电镜中复制这一方案，但事实证明，加装实体相位板会导致信号损失，甚至降低图像分辨率。为克服这一问题，Müller及其团队一直在开发基于激光的相位板，该方案由该团队于2010年首次提出。其思路是利用强激光通过受激康普顿散射与电子束相互作用，这种散射会改变构成电子束的电子波的相位。然而，要实现90°的相移，需要约400 GW/cm2的连续激光强度，此前只有脉冲激光才能达到这一水平。2021年，该团队首次通过将激光束束缚在带有凹面反射镜的光学谐振腔中，实现了这一创纪录的性能。腔内的共振效应将激光功率放大至80 kW，同时将其聚焦到6.7 µm的光斑尺寸。在如此高的强度下，维持腔内的共振条件成为一大挑战。Müller介绍了他们的解决方案，“辐射压力会将反射镜推开，因此我们需要优化多个反馈回路来抵消这种长度变化，使谐振腔精确保持在共振状态。”

早期使用旧款电子显微镜的实验验证了这一激光相位板的概念，但所得图像并未显示分辨率提升。在这次新的工作中，研究人员将激光相位板安装到一台最先进的冷冻电镜上，并使用两种样品测试了其性能。一种是醛缩酶，这是一种存在于肌肉中的蛋白质，其尺寸足够大，可用传统冷冻电镜成像；另一种是血红蛋白，这是一种存在于血液中的蛋白质，其尺寸小到足以测试现有仪器的测量下限。结果表明，激光相位板的引入对两种蛋白质的图像分辨率均有提升，但对较小血红蛋白分子的效果更为显著。在实验中，当激光开启时，血红蛋白结构的分辨率可从4.46 Å提升至3.09 Å。对于两种样品，激光相位板在成像性能上也带来了其他改进，这对一项称为“冷冻电子断层扫描”的新技术尤为重要。这种冷冻电镜断层扫描可用于对细胞内或其他复杂样品中的单个目标对象进行三维成像。

Müller认为，使用激光相位板还可能间接带来分辨率的进一步提升。在传统冷冻电镜中，电子束会被有意散焦以提供部分相位衬度，而激光相位板使这一策略变得不必要，“转向聚焦成像将使我们获得的分辨率额外提升到至少不低于当前工作所展示的改进水平。”

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