利用4D-STEM方法检测非晶态冰中金属纳米粒子的分析：一项数值研究

《Micron》：Analysis of 4D-STEM Methods for Detecting Metallic Nanoparticles in Amorphous Ice: A Numerical Study

纳米颗粒在冷冻透射电镜中的检测方法研究。使用ePIE、NMF和VDF分析4D-STEM数据，评估不同冰厚度（10-100nm）和电子流量（500-10^5 e/?2）下的检测性能。结果表明VDF在低剂量下最优但依赖晶体取向，NMF自动化程度高但需足够数据，ePIE能实现原子级分辨率但受计算复杂度限制。建议结合NMF自动分割与VDF优化定位提升检测效率。

　　金属纳米颗粒在现代医学中扮演着至关重要的角色，它们不仅在增强对比度方面具有显著作用，还广泛应用于治疗和诊断领域。例如，金纳米颗粒可以用于癌症治疗，通过将抗癌药物或抗原附着在其表面，实现靶向输送；或者通过增强癌细胞对辐射治疗的敏感性，提高治疗效果。铁氧化物纳米颗粒则因其在磁共振成像中的潜力而受到关注。随着合成技术的进步，纳米颗粒的尺寸分布可以被更精确地控制，从而降低治疗效果的不确定性并拓展其在临床中的应用。然而，随着纳米颗粒尺寸的减小，其在生物系统中的检测和量化变得更具挑战性，尤其是在与生物细胞相互作用时。

电子显微镜（EM）技术的发展为纳米颗粒的表征提供了强有力的工具，特别是通过改进的像差校正器、单色器、场发射枪以及直接电子探测器等设备，使得分辨率的极限得到了显著提升。然而，这些技术在应用于对电子束敏感的材料时仍面临诸多困难。高能电子可能通过多种机制，如击出损伤、辐射分解、加热和充电，对原子结构造成破坏。为了减少这种损伤，通常会在电子束照射前将样本进行玻璃化处理，这样虽然能够保留样本的结构和化学特性，但增加了样本的厚度，从而提高了多重散射的概率，降低了图像的对比度。

因此，研究如何在厚冰环境中有效检测金属纳米颗粒显得尤为重要。在这项研究中，采用了三种不同的分析方法：扩展的ptychographic迭代引擎（ePIE）、非负矩阵分解（NMF）和虚拟暗场成像（VDF）。这些方法分别代表了不同的分析范式：ePIE用于相位检索和图像重建，NMF用于无监督的信号分解，而VDF则通过选择性整合特定的倒空间区域来增强对比度。通过对比这些方法在不同冰厚度和电子束流密度下的表现，研究者希望找到一种最适合厚冰环境中纳米颗粒检测的策略。

在传统扫描透射电子显微镜（STEM）中，环形探测器会将散射电子的强度整合在一个固定的角范围内，从而减少了每个探针位置的衍射信息。而像素化探测器则能够记录每个扫描位置的完整衍射图案，形成四维数据集（二维扫描位置和二维倒空间），这为后续的分析提供了更大的灵活性。这种方法允许在不使用固定探测器配置的情况下，通过虚拟整合来应用各种对比度机制，从而实现对纳米颗粒的全面研究。

虚拟暗场成像（VDF）通过在倒空间中选择特定区域的强度整合，可以显著提高纳米颗粒的对比度。对于嵌入在非晶冰中的晶体纳米颗粒，如果整合区域定位在布拉格反射的位置，那么在探针位置与纳米颗粒重叠时，将产生较高的对比度，而非晶区域则贡献较少的强度。然而，这种方法的有效性取决于整合区域的正确定位以及纳米颗粒的晶格方向是否与入射束相匹配。如果纳米颗粒随机取向，那么某些整合区域可能无法满足布拉格条件，从而降低检测的可靠性。

ePIE方法通过迭代相位检索，从重叠的衍射图案中重建出复杂值的探针和物体函数。该方法能够提供原子级别的结构信息，尤其在低冰厚度和高电子束流密度下表现良好。然而，当冰层厚度增加时，多重散射的影响增强，这可能会影响ePIE的重建效果。此外，低电子束流密度下，由于信号强度不足，ePIE的迭代过程可能变得不稳定，甚至产生非数字（NaN）值。这表明在低剂量情况下，ePIE的适用性受到一定限制。

相比之下，NMF方法通过分解数据矩阵，将混合信号拆解为独立的成分。这种方法无需对纳米颗粒的取向或结构进行预设，因此具有一定的无监督特性。NMF在低剂量下仍能保持较好的分解效果，表现出对稀疏数据的良好适应性。然而，NMF的分解结果依赖于对样本微结构的先验知识，特别是在样本复杂度较高时，需要更多的成分来准确描述。因此，NMF在面对具有厚度梯度、取向变化或多种相态的样本时，可能会面临一定的局限性。

VDF方法则在低剂量下表现出最佳的纳米颗粒对比度，尤其是在5×102电子/?2的剂量水平下，纳米颗粒的边界仍然清晰可见。然而，VDF的性能高度依赖于纳米颗粒的取向，这在实际样本中是一个显著的挑战。因为纳米颗粒通常在非晶冰中随机取向，这可能导致某些布拉格条件无法满足，从而影响检测的可靠性。为了克服这一问题，可以采用多种策略，如获取多个VDF图像并整合，或者利用NMF分解自动识别布拉格反射位置，从而优化VDF的整合区域。

通过模拟不同冰厚度（10 nm、50 nm、100 nm）和不同电子束流密度（500至10?电子/?2）下的四维STEM数据集，研究者评估了这三种方法的性能。结果表明，随着冰厚度的增加和电子束流密度的降低，纳米颗粒的可见性逐步下降。然而，VDF在低剂量下仍能提供最佳的对比度，这表明其在厚冰环境下的检测能力可能优于其他两种方法。同时，ePIE在高剂量下能够提供原子级别的结构信息，这在某些情况下可能是不可或缺的。而NMF则在低剂量下表现出更好的稳定性，尽管其空间分辨率可能不如ePIE。

这些模拟虽然未能完全涵盖实际实验中的所有因素，如非弹性散射、样本几何形状、热效应和探测器特性等，但它们为在厚冰环境中检测金属纳米颗粒提供了重要的理论依据。通过对比这些方法在不同条件下的表现，研究者可以为未来的实验设计提供指导，尤其是在如何平衡剂量、分辨率和检测可靠性方面。

总之，这项研究展示了在厚冰环境中检测金属纳米颗粒的多种方法，并指出了它们各自的优势和局限性。尽管ePIE在高剂量下能够实现原子级别的结构重建，但在低剂量或厚冰条件下其性能受到限制。NMF则在低剂量下表现出良好的稳定性，但其解析能力受限于样本的微结构复杂度。而VDF在低剂量下能够提供最佳的对比度，但其检测可靠性依赖于纳米颗粒的取向。这些发现不仅有助于理解金属纳米颗粒在生物系统中的行为，也为未来开发更高效的检测方法提供了方向。