IMC20特邀诺奖大会报告集锦：电子显微学在多学科发展中熠熠生辉！

2023年9月11日，四年一届、国际显微学界的奥林匹克盛会——第二十届国际显微学大会（IMC20)在韩国釜山会展中心隆重开幕。大会由韩国显微镜学会 (KSM)和国际显微学联合会 (IFSM)共同主办，会议吸引来自超过49个国家和地区的3000余名电子显微学专家学者、仪器技术专家代表参会交流。

大会报告现场

IMC20为期五天，分别在每天上午安排了一位大会特邀报告，五位大会特邀报告人依次是2017年诺贝尔化学奖获得者Richard Henderson教授、麻省理工学院材料科学与工程系Frances Ross教授、三星电子Fellow Yusin Yang、2010年诺贝尔物理学奖获得者Konstantin Novoselov教授、2017年诺贝尔化学奖获得者Joachim Frank教授。五位报告科学家分别分享了电子显微学与生命科学、材料科学、半导体、物理科学等学科的交叉发展，电子显微学在各学科的快速发展中熠熠生辉。

以下是五位大会特邀报告嘉宾简要介绍及报告摘录，以飨读者。

大会报告部分主持人（左至右）：德国马克斯-普朗克研究所生物化学研究所所长、结构生物学系主任Wolfgang Baumeister、韩国科学技术研究院（KIST）Dong-Ik Kim、英国利兹大学SuperSTEM实验室主任Quentin Ramasse

大会特邀报告嘉宾：英国剑桥大学教授、MRC分子生物实验室项目负责人、2017年诺贝尔化学奖获得者Richard Henderson

报告题目：Electron cryomicroscopy in structural biology is in a major growth phase

Richard Henderson教授是知名结构生物学家，拥有物理学背景。 他的研究轨迹始于使用 X 射线衍射的蛋白质晶体学，然后是电子晶体学，特别是细菌视紫红质研究，以及最近的单颗粒冷冻电镜 (cryoEM)。 cryoEM 现在已经达到了无需晶体即可常规获得各种大分子复合物原子结构的阶段，并且在生产率方面很可能超过 X 射线晶体学。 他现在专注于了解冷冻电镜中剩余的问题，需要解决这些问题才能使该方法发挥其理论潜力。2017年，为表彰在冷冻电镜技术方面做出的贡献，他与Joachim Frank、Jacques Dubochet共同获得2017年诺贝尔化学奖获。

生物结构的高分辨率冷冻透射电子显微镜（cryoEM）正在经历前所未有的快速发展时期。 过去 10 年的进步建立在样品制备技术和支撑、电子光学、显微镜稳定性、光源亮度、探测器效率以及计算机的图像处理和结构分析等方面的早期技术发展基础上。 这些进步共同支撑了冷冻电镜的普及和全球冷冻电镜设备的扩张，几乎呈指数级增长。 Richard Henderson报告描述了达到这一发展阶段的一些重要因素，并为哪些新的发展可以进一步提高性能提供一些指导，例如较低的样品温度、色差校正和相位板等。

除了增强冷冻电镜功能的令人着迷的技术发展之外，通常还必须做出一些妥协。 例如，断层扫描需要高样本倾斜能力，可能高达 ± 90°，但对最高分辨率的需求较少，而单颗粒冷冻电镜通常受益于高分辨率和包络函数，该包络函数原子建模的分辨率范围内不会衰减。 还迫切需要更实惠的入门级冷冻电镜。 结构生物学中的冷冻电镜似乎可能朝两个方向发展，生产用于单颗粒分析的低能量、更高分辨率的电镜，以及用于断层扫描和原位成像的高能量仪器，并有可能推出经济型（100keV的FEG和新的检测器）和高端型（完美的相位板、更低温的冷却系统、Cc校正器以及更快的冷却技术）以满足各种需求 。Richard Henderson在报告中也讨论团队正在进行的工作，以确定经济实惠的入门级单颗粒冷冻电镜的关键功能，并展示以最低成本和工作量确定结构的案例。

大会特邀报告嘉宾：美国麻省理工学院教授、美国显微学会会士Frances M. Ross

报告题目：Ultra high vacuum transmission electron microscopy: an old and new frontier

Frances Ross是麻省理工学院材料科学与工程系的Ellen Swallow Richards教授。其工作包括使用原位透射电镜来研究材料沉积和相变。Ross在剑桥大学获得学士和博士学位，并在AT&T贝尔实验室做博士后。她获得了许多奖项和荣誉，2018年，她被授予国际显微学联合会Hatsujiro Hashimoto Medal奖章。还包括当选为美国物理学会、材料研究学会、美国科学促进会、美国显微学会、美国真空学会和皇家显微学会的会士等。

在透射电镜中，样品周围的真空度应该达到什么程度？尽管大多数电镜保持着相当高的真空度， Ross认为，超高真空（压力低约三个数量级）是一个值得追求的目标，它会产生多种益处。超高真空TEM最早出现在40多年前，其动机是在不受氧气或碳的污染条件下，对清洁表面的成像和衍射进行研究。这些仪器实现了一类独特的原位TEM实验，从量化表面重建到在化学气相沉积、反应外延和空气敏感金属氧化过程中进行动态测量等。但超高压带来的机遇甚至比这些重要的表面反应和晶体生长现象更为广泛。如通过最小化表面污染来提高图像的可解释性；碳积聚减少为光谱学研究带来便利；如果不存在反应性背景气体，则束损伤机制可能不存在或减少等。这些好处是以实验复杂性为代价的。特别是实现超高压条件需要一个具有集成样品清洁和改性的可烘烤系统，通常通过定制样品支架和连接到显微镜的侧室来实现。超高压要求与仪器稳定性、像差校正和高性能光谱学等需求的兼容程度一直是一个悬而未决的问题。最近的技术发展让大家有理由保持乐观，Ross报告讨论了在超高真空环境中高性能透射电镜的策略和潜在结果。关于超高压透射电镜定量晶体的能力，Ross分享了化学气相沉积、半导体纳米线生长、2D/3D材料界面研究等三个研究案例。并对超高真空透射电镜接下来的发展充满期待，认为电镜技术的发展可以应用于加速新材料的发现、使用和集成方面的持续进步。原位液体电镜技术的不断发展，为理解液体中的现象提供了机会，超高真空简化了流程，并允许访问和测量材料反应。虽然需要面临定量、成本、复杂性等挑战，但与电镜技术进步相结合，未来几年值得期待。

大会特邀报告嘉宾：三星电子Fellow Yusin Yang

报告题目：Past, Present, and Future of Metrology and Inspection Technologies in Semiconductor

Yusin Yang博士是三星电子有限公司的Fellow，自2000年加入三星电子以来，他一直致力于开发用于存储器半导体设备的测量和检测（MI）技术，直到2019年。从2020年开始，他的工作扩展到了逻辑器件领域。2022年被任命为公司Fellow后，现在负责为整个半导体设备制定测量和检测技术战略。他的研究重点是开发用于检测纳米级缺陷和测量亚纳米级图案结构的在线MI技术，特别是针对下一代半导体设备。这项技术包括从光学到电镜的各种微观领域，拓展了可应用的光谱范围。在光学显微镜方面，他的研究重点是开发对比度增强技术以增强虚拟分辨率。在电镜方面，他正在开发多束技术以克服电子束扫描速度的不足。为了测量亚表面纳米级结构，通常采用光谱椭圆偏振法（SE）和高压扫描电镜技术。为了进一步发展这些技术，他正在研究使用人工智能算法的高级耦合波分析（RCWA）方法。作为使用SEM技术的未来应用，他的研究包括三维SEM概念的开发。他拥有超过140项专利，并在半导体MI技术领域发表了多篇论文。未来，他致力于开发创新的MI方法，为下一代3D半导体设备提供潜力。

半导体制造过程中的MI（计量和检测）技术主要基于光学显微镜、扫描电镜和光谱学发展而来。光学显微镜技术用于检测导致器件故障的结构缺陷和颗粒。为了改善较小缺陷的检测，通过减小光的波长、增加入射光功率和提高光学探测器灵敏度来开发。除了分辨率外，对比度在提高缺陷检测方面也很重要，因此各种空间孔径控制技术已经发展起来，以提高光学图像的对比度。SEM技术最初用于测量图案尺寸，随着扫描速度的提高，其应用范围扩大到检测纳米级图案异常和电气开路或短路缺陷。然而，SEM技术仍然显示出其速度限制，特别是在大批量制造中。光学光谱技术已被用于测量薄膜的厚度，并发展为测量三维结构，因为在RCWA解析方法的帮助下，该技术扩展到了光谱椭圆偏振光谱。

随着半导体器件的设计规则缩小到不到10纳米，MI技术面临着检测纳米级图案缺陷和测量纳米结构的特别技术困难。为了克服MI的局限性，VUV和EUV技术被认为是一种光学显微镜和多电子束技术可以成为提高SEM检测速度的另一种选择。在发展算法技术的帮助下，SE信号和SEM成像分析与AI技术相结合，克服了传统SE和SEM测量技术的局限性。在大数据工程时代，数据处理在MI技术中变得越来越重要。它逐渐发展为从数据中获取重要信息并监控半导体工艺。此外，从信息中提取知识以分析工艺的弱点，将是使用AI的一种核心未来技术。报告中，Yusin Yang回顾了MI技术、人机交互技术的发展过程，并讨论了未来有前景的MI技术、人机交互技术。并表示，CD计量方面，STORM技术已经成为的未来热点技术，相关学术研究正在迅速应用于半导体工业领域，需要对更小的荧光材料进行更有选择性的学术研究。而检测技术方面，EUV和X-ray成为热点技术，相关学术研究正在迅速应用于半导体工业领域，需要解决的技术问题包括无透镜成像、三维结构的相位成像、更好的桌面源、更高的探测器灵敏度、超高分辨率等。

大会特邀报告嘉宾：新加坡国立大学教授、2010年诺贝尔物理学奖获得者Konstantin Novoselov

报告题目：Materials for the future

Konstantin Novoselov教授于1974年8月出生于俄罗斯。他因2004年在曼彻斯特大学成功分离石墨烯而闻名，是凝聚态物理学、介观物理学和纳米技术领域的专家。自2014年以来，Konstantin Novoselov每年都被列入世界上被引用次数最多的研究员名单。他在2010年因在石墨烯领域的成就而被授予诺贝尔物理学奖。目前担任新加坡功能智能材料研究所主任，并在新加坡国立大学担任谭钦团百年教授。Konstantin Novoselov毕业于莫斯科物理技术学院，并在荷兰奈梅亨大学完成了博士学位研究，之后于2001年搬到了曼彻斯特大学，2019年加入了新加坡国立大学。已发表400多篇经过同行评审的研究论文。并获得了许多奖项，包括尼古拉斯·库尔提奖（2007年）、国际纯粹与应用科学联盟奖（2008年）、麻省理工学院科技评论青年创新者奖（2008年）、欧洲物理学奖（2008年）、晶体学联盟布拉斯奖（2011年）、皇家学会凯恩奖（2012年）、约翰·冯·诺依曼计算机协会约翰·冯·诺依曼教授奖（2022年）等等。他在2012年的新年荣誉名单中被授予爵士头衔。

石墨烯和二维材料尽管是相对较新的材料，但已经在研究、开发和应用中占据了稳固的地位。在这些晶体中已经发现了许多令人兴奋的现象，而且它们还在不断地带来令人兴奋的结果。然而，二维材料最重要的特征可能是它们提供了一种形成按需范德华异质结构的可能性，在这种异质结构中，单个二维晶体堆叠在一起，形成一种新颖的三维结构，其组成(以及它们的性质)可以用原子精度来控制。这开辟了一个新的研究方向：按需材料。所得到的异质结构的性能可以以非常高的精度进行设计。参数的空间如此之大，以至于机器学习方法的使用变得至关重要。此外，由于这种异质结构中的单个组件通过许多通道(弹性，范德华，电子等)相互作用，形成了简并的能量格局，导致许多竞争相，这为设计不同状态之间的特定相变开辟了道路，从而也研究了这种结构中的非平衡现象。

尽管石墨烯和二维材料是相对较新的材料，但它们已经在研究、开发和应用中占据了稳固的地位。这些晶体中已经发现了一些令人振奋的现象，并且它们继续定期带来令人惊喜的成果。然而，二维材料最重要的特征可能是它们提供了一种形成按需的范德华异质结构的可能性，其中，单个二维晶体堆叠在一起，形成具有原子精度控制的新型三维结构。这开启了新的研究方向——按需材料。由此产生的异质结构的属性可以非常精确地设计。参数空间如此之大，使用机器学习方法变得至关重要。此外，由于这种异质结构中的各个组件通过多种渠道（弹性、范德华、电子等）相互作用——形成了一个退化的能量景观，导致了许多相互竞争的相位，这为在不同状态之间设计特定的相位过渡打开了道路，从而也可以研究这些结构中的非平衡现象。

大会特邀报告嘉宾：哥伦比亚大学教授、2017年诺贝尔化学奖获得者Joachim Frank（图自网络）

报告题目：The Determination of Molecular Motion by Cryo-Electron Microscopy

Joachim Frank是哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学系以及生物科学系的教授。他在弗莱堡大学获得物理学学士学位，在慕尼黑大学获得物理学硕士学位，在慕尼黑马克斯·普朗克研究所分子生物学研究所沃尔特·霍普教授的指导下从事研究生学习，并于1970年获得慕尼黑工业大学物理学博士学位。一个为期两年的Harkness Fellowship让他能够在美国的三个实验室开发软件并开展研究，其中包括喷气推进实验室。1973年，他加入剑桥大学的卡文迪什实验室，担任研究组组长，主要研究图像处理和电镜图像形成的部分相干性。1975年，他加入纽约州卫生部门实验室和研究部门（后更名为Wadsworth中心），担任高级研究科学家，领导一个与1.2 MV电镜相关的图像处理小组。在这里，他开发了电子断层扫描程序，并开创了结构生物学的新途径，从溶液中单个分子的电子显微图像中检索出结构信息。1985年，他还加入了新成立的纽约州立大学奥尔巴尼分校公共卫生学院的生物医学科学系。1998年至2017年期间，Frank博士获得了霍华德·休斯医学研究所的资助。2008年，他担任了哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理学系以及生物科学系的教授，一直担任该职位至今。Joachim Frank撰写或合著了300多篇关于图像处理、低温电镜和蛋白质合成结构方面的原创出版物。他是美国国家科学院、美国微生物学会、美国艺术与科学学院和美国科学促进协会的成员。他因在生物分子的低温电镜发展和蛋白质合成研究方面的贡献而荣获2014年富兰克林生命科学奖章。2017年，他与Richard Henderson 和 Marin van Heel共同获得了威利生物医学科学奖。同年，他与Richard Henderson 与 Jacques Dubochet一起获得诺贝尔化学奖。

生物分子在天然环境和溶液中具有天然的灵活性。一般认为，这种灵活性在功能上很重要，就像结构本身一样，是进化选择的结果。单颗粒冷冻电镜通常研究在处于单一状态或处于热平衡中经常出现的几个状态的生物分子。这些研究及其选择依赖于最大似然分类，与所有K均值方法类似，它在状态的多维分布中寻找聚类，但无法在连续体的背景下呈现它们之间的关系。大家更感兴趣的是对连续体中各种状态进行详尽的研究，因为它为我们提供了分子自由能景观的信息，并为最终确定其功能轨迹提供重要参考。绘制这种自由能景观图的一种方法基于几何机器学习，并以ManifoldEM命名。报告中，Joachim Frank分享了这种方法以及部分结果。关于在非平衡系统中分子与配体相互作用的动力学信息的恢复，在过去二十年中已经开发了几种时间分辨冷冻电镜实验方法。报告也介绍了使用新型微流体芯片的方法（该芯片覆盖10至1000毫秒的时间范围），以及其实验室最近取得的研究成果。