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激光原子探针层析显微镜
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激光原子探针层析显微镜
1. 发展激光原子探针层析显微镜及其医学显微手术设备
在华中科技大学骆清铭等人发明显微光学切片层析成像技术（MOST）[1]-[3]的基础上，通过莲花[4]表面形貌仿生，智造出自洁净、抗静电的玻璃实验室和袖珍实验箱，发展激光原子探针层析成像显微镜（APT）[5]-[12]科学及其产业，可能是未来的研究热点问题。
目前在显微领域，比较通用的光学干涉轮廓仪、扫描探针显微镜，包括原子力显微镜、静电力显微镜和磁场力显微镜等，以及电子显微镜等贵重设备，基本上只适用于物质、特别是薄膜表面形貌的观测和分析。对于物质内部结构的观测，特别是对于生物医学活体，如鼠脑，显微光学切片层析成像技术，具有独特的优势。骆清铭等人题为“显微光学切片层析成像获取小鼠全脑高分辨率图谱”的论文，去年12月3日在美国《科学》杂志全文发表。骆清铭等人完成的“生物功能的飞秒激光光学成像机理研究”，又获得2010年度中国自然科学二等奖（《科技日报》2011年1月18日第7版）。这些信息给我们一个明晰的答案：前些时候，曾经一度在网上传播的所谓剽窃疑惑问题，应该自行终止了。如果引入激光原子探针，可望获得特征尺寸小于0.3nm的样品表面及其内部多层结构图像；发展激光原子探针层析显微镜和相应的飞秒激光原子探针层析显微手术设备[8]，可望解决神经吻合手术难题。
美国西北大学材料科学与工程系在英国《自然》杂志上发表无机－有机界面生物材料的纳米断层扫描技术，为材料科学与生物医学的学科交叉，提供了多学科融合的范例。 牙齿和骨头等生物矿化组织是无机物与有机物的混合物，其性质取决于它们的内部结构。Lyle他们用脉冲激光原子探针断层扫描（APT）揭示上述生物材料及其人工合成物质的内部结构和化学复杂性。实验材料是一种海洋软体动物的牙齿，实验获得了显示牙齿内部有机纤维及其组成部分的高分辨率三维图像。因此，在控制有机基质与无机矿物质之间的相互作用中，APT方法很可能还有不同的功能。除了揭示自然出现的物质性质外，APT方法的应用，能给设计从生物得到启发的，有医学和工业用途的复合材料提供有用的数据。
2. 自洁净微小实验室(箱)的智造过程
（1） 采摘具有表面自洁净效应的新鲜莲花，置于恒温恒湿的低真空保鲜透明腔体内保鲜，为后续的科学实验提供原始参照物。（2） 用光学干涉轮廓仪、扫描探针显微镜或扫描电子显微镜等设备获得莲花的表面形貌图形，包括从毫米尺度、微米尺度、到纳米尺度等多尺度的组合图形。（3）用电子束曝光机、离子束刻蚀机等设备智造莲花表面形貌仿生的一次掩模板。（4）将一次模板安装在纳米压印机上，模压出不锈钢薄板基材的二次掩模板。（5）二次掩模板再装在激光显微加工设备上，投影加工，即可望获得自洁净玻璃，如：自洁净玻璃幕墙，自洁净眼镜，自洁净光学镜片；这些物件一般不容易污染，即便污染后，只要用激光干法清洗，并用一定压力的电化学反应混合气体喷射，即可达到自洁净的目的。（6）最后在自洁净玻璃表面镀一层抗静电的钝化膜，以此材料作为自洁净微小实验室（箱）的腔体材料。
上述实验室在运行时，先放置样品，然后抽真空，用激光清洗实验室（箱）内壁和样品表面，开始实验……。实验人员在自洁净实验室（箱）的外部机房工作，操控实验过程。人在符合中国国家标准GB 50073-2001的洁净厂房（实验室）环境下工作，吸进来的空气并非完全新鲜，只是部分新鲜的空气，加上噪声干扰，多种机电设备附带生成的电子云雾，都会对人的健康产生副作用，也会降低人的工作效率。同时，人的呼吸，走动，都会是一个不确定的污染源，干扰洁净厂房的正常运行。以此，我们设计出上述小型自洁净空间，包括必须洁净的设备部件，人放置实验样品和取出样品的人机交互区域，并辅之以透明的袖珍自洁净实验箱放置样品，传送样品，展示样品。如果实验样品是生物医学活体，则必需提供样品呼吸的氧气。上述自洁净实验室（箱），比现有洁净厂房的体积小了很多很多，自然节省材料，降低能量消耗，符合现在低碳、环保的时代潮流。
3． 未来展望
车轮，能源，显微镜，据说是显微科学家和显微工程师业余聊天时，多次提到的话题。显微光学切片层析成像，为我们探索物质的内部结构打开了方便之门，而且比x射线层析显微镜设备要便宜得多。可与显微光学切片层析成像相结合发展的飞秒脉冲激光原子探针层析显微镜技术，可能是未来的研究热点问题。
主要参考文献：
[1] Anan Li,* Hui Gong,* Bin Zhang,* Qingdi Wang, Cheng Yan, Jingpeng Wu, Qian Liu, Shaoqun Zeng, Qingming Luo， Micro-Optical Sectioning Tomography to Obtain a High-Resolution Atlas of the Mouse Brain，SCIENCE, Dec.3, 2010, vol. 330，p.1404-1408.
[2] Zeng Shaoqun, Luo Qingming, Zhan Chen, Lv Xiaohua, United States Patent 7,821,698, October 26, 2010, Light pulse positioning with dispersion compensation.
[3] Chance Britton, Nioka Shoko, Luo Qingming, United States Patent 5,853,370, Dec.29, 1998,Optical system and method for non-invasive imaging of biological tissue,Assignee: Non-Invasive Technology, Inc. (Philadelphia, PA)
[4] 王其超 张行言 编著，《荷花》，中国建筑工业出版社，1982年8月第1版。
[5]Lyle Gordon and Derk Joester, Nanoscale Chemical Tomography Buried Organic-Inorganic Interfaces in the Chiton tooth, Nature, vol. 469, p. 194-197 (Jan. 13, 2011).
[6] Keith Thompson, et al., Imaging of Arsenic Cottrell Atmospheres Around Silicon Defects by Three-Dimensional Atom Probe Tomography, Science , Vol. 317 no. 5843 pp. 1370-1374 (7 September 2007).
[7] Baptiste Gault , et al., Impact of laser pulsing on the reconstruction in an atom probe tomography,
Ultramicroscopy Volume 110, Issue 9, P. 1215-1222(August 2010).
[8] Ralf Schlesiger, et al, Design of a laser-assisted tomographic atom probe in Munster University, Review Scientific Instruments, vol. 81, no. 4, p 3073-1~ 3073-8 (April 2010).
[9] M Müller, DW Saxey, A Cerezo and GDW Smith, Nanoscale characterization of compound semiconductors using laser-pulsed atom probe tomography, 16th International Conference on Microscopy of Semiconducting Materials IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 209 (2010) 012026.
[10] M. K. Miller（美国橡树岭国家实验室） G. D. W. Smith（英国牛津大学）著，巩运明 沙维 译， 薛增泉 校，《原子探针显微分析――原理和应用》，北京大学出版社 1993年11月第1版.
[11] Thomas F. Kelly and Michael K. Miller, Invited Review Article: Atom probe tomography, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 78, p. 031101-1--031101-20 (March 2007).
[12] Miller MK, et al., Atom Probe Field Ion Microscopy, Oxford Science Publications, 1996.
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