配圖:將于2026年中旬安裝在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的3臺(tái)JEOL 300kV電鏡外觀。分辨率是 300kV冷凍電鏡CryoARM300II;冷凍聚焦離子束雙束CryoLamella;300kV 雙球差電鏡GrandARM2
在以往的冷凍電鏡配置方案中，研究人員往往將 200 kV 和 300 kV 的電鏡視為面向不同實(shí)驗(yàn)需求的兩類平臺(tái)。300 kV 電鏡常被認(rèn)為是高分辨、高性能、適用于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)解析的主力設(shè)備。
而 200 kV則更多被視作300 kV的配套系統(tǒng)，用于冷凍篩樣、條件優(yōu)化和初步數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。但隨著電子光學(xué)和探測(cè)器技術(shù)不斷發(fā)展，單純以加速電壓來劃分設(shè)備定位的方式正在弱化。設(shè)備怎么選，更多取決于應(yīng)用場(chǎng)景以及最終是否能提供滿足數(shù)據(jù)解析要求的電鏡數(shù)據(jù)。JEOL 新推出的CryoARM200II（JEM-Z200CA）冷凍電鏡證明了這一趨勢(shì)。
目前，已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)在JEOL CryoARM200II 上獲得了1.24 ? 的單顆粒重構(gòu)分辨率。這樣的結(jié)果幾乎與 300 kV 電鏡的高分辨數(shù)據(jù)相當(dāng)。事實(shí)上，200 kV 甚至 100 kV 在冷凍電鏡場(chǎng)景下具備原子級(jí)分辨率的潛力，在理論與實(shí)驗(yàn)層面早已有跡可循。隨著探測(cè)器、電子源、像差控制與能量過濾技術(shù)的不斷進(jìn)步，加速電壓已經(jīng)不再是決定分辨率的唯一要素。CryoARM200II所體現(xiàn)的高分辨能力，更應(yīng)被理解為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)帶來的協(xié)同優(yōu)化，而非依賴某一單獨(dú)部件的性能提升。
CryoARM200II的高分辨表現(xiàn)，首先來自JEOL公司在電子光學(xué)基礎(chǔ)層面的設(shè)計(jì)優(yōu)化。其標(biāo)配的冷場(chǎng)發(fā)射槍（CFEG），電子束能量展寬僅為 0.3 eV，使電子束相干性在高空間頻率區(qū)域保持得更加穩(wěn)定。從理論的時(shí)間相干包絡(luò)函數(shù)可以看出，在多種電鏡配置的比較中，CryoARM200II 的曲線在高頻段下降最慢，是 200 kV 平臺(tái)中表現(xiàn)最為突出的一條，也意味著它在高分辨區(qū)間能夠保留更高比例的有效對(duì)比度（圖 1）
圖1 不同電鏡配置下的時(shí)間相干包絡(luò)函數(shù)（temporal coherence envelope）理論值。這是一個(gè)用來評(píng)估顯微鏡在高空間頻率區(qū)域保持對(duì)比度能力的光學(xué)指標(biāo)。曲線下降越慢，越能在高分辨區(qū)域保留有效信號(hào)。CryoARM200II（粉色實(shí)線）是所有 200 kV 平臺(tái)里曲線最高的一條，僅次于配備了冷場(chǎng)槍的 300 kV 電鏡。
在此基礎(chǔ)上，CryoARM200II 采用了全新的高分辨極靴（HR Polepiece）設(shè)計(jì)，使球差和色差顯著降低（Cs 約 1.5 mm、Cc 約 1.8 mm），進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)高頻信息的傳遞能力。這并不僅僅停留在參數(shù)層面，而是能在真實(shí)樣品成像中得到直接驗(yàn)證。在單晶金樣品的傅里葉幅度譜中，CryoARM200II可清晰分辨出 0.566 ? 與 0.721 ? 的晶格信息，說明光學(xué)系統(tǒng)在超 1 ? 區(qū)域仍保持了良好的信息傳遞狀態(tài)，并且能夠在常規(guī)環(huán)境下穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)（圖 2）
圖2 CryoARM200II 在 200 kV 條件下對(duì)單晶金樣品成像后的傅里葉幅度譜。高頻區(qū)域中可觀察到 0.566 ? 和 0.721 ? 間距的晶格點(diǎn)，說明系統(tǒng)在實(shí)際成像條件下能夠穩(wěn)定傳遞超過 1 ? 的空間頻率信息，為后續(xù)高分辨單顆粒數(shù)據(jù)采集提供了可靠的光學(xué)基礎(chǔ)。
在經(jīng)過理論與光學(xué)驗(yàn)證后，CryoARM200II 的高分辨能力同樣能夠在實(shí)際生物樣品數(shù)據(jù)中持續(xù)體現(xiàn)。以 apoferritin 為例，最終重構(gòu)分辨率達(dá)到 1.24 ?。密度圖細(xì)節(jié)與分辨率高度吻合：主鏈與側(cè)鏈的輪廓清晰，在高閾值下可區(qū)分單個(gè)非氫原子的密度峰，差值圖中亦可看到與模型一致的氫原子信號(hào)。這些特征共同表明，CryoARM200II 的光學(xué)性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量和重構(gòu)結(jié)果之間保持良好一致，使其在 200 kV 下能夠穩(wěn)定產(chǎn)出可用于原子級(jí)建模的高質(zhì)量數(shù)據(jù)（圖 3）
圖3 CryoARM200II 在 200 kV 條件下獲得的 apoferritin 單顆粒三維重構(gòu)結(jié)果。（a）單體密度圖。（b）FSC 曲線，0.143 判據(jù)下分辨率為 1.24 ?。（c）高分辨區(qū)域的密度特征展示：在常規(guī)閾值下可見清晰的主鏈與側(cè)鏈輪廓，在更高閾值下可分辨單個(gè)非氫原子的密度峰；Fo–Fc 差值密度圖中可觀察到與模型一致的氫原子信號(hào)，表明該數(shù)據(jù)質(zhì)量已達(dá)到可靠的原子級(jí)解析水平。
這些結(jié)果不禁讓人思考，200 kV 與 300 kV 之間的邊界是否正在悄然發(fā)生變化？從應(yīng)用層面來看，與其將不同加速電壓的電鏡平臺(tái)簡(jiǎn)單對(duì)立，不如將它們視為面向不同樣品和研究需求的互補(bǔ)選擇。300 kV 依然適用于厚樣品、病毒顆粒和斷層成像等場(chǎng)景，而在單顆粒高分辨研究中，200kV已經(jīng)能夠覆蓋越來越多原本依賴300 kV加速電壓的應(yīng)用場(chǎng)景。更關(guān)鍵的是，200 kV在設(shè)備投入、配套設(shè)施和長(zhǎng)期運(yùn)行成本上通常更為可控，可以大幅降低平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)成本。
同樣值得一提的是， CryoARM200II 電鏡在100 kV 低電壓條件下也獲得了1.91 ? 的分辨率結(jié)果。這進(jìn)一步說明當(dāng)關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)和系統(tǒng)穩(wěn)定性得到充分優(yōu)化后，不同加速電壓平臺(tái)之間的界限正變得更加由“應(yīng)用需求”而非“傳統(tǒng)印象”所定義。無論是 100 kV、200 kV 還是 300 kV，它們都在各自的工作區(qū)間內(nèi)展現(xiàn)出越來越成熟的性能。對(duì)于研究者而言，這意味著更開放的實(shí)驗(yàn)策略；對(duì)于實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)而言，則意味著更靈活、更具前瞻性的建設(shè)思路。
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