冷凍傳輸電子顯微鏡（cryo-TEM）已經徹底改變了科學家研究生物及有機材料的方式。這種技術通過快速冷凍樣本，能夠在接近自然狀態下保留其結構。研究人員多年來利用這項技術，以高解析度研究生物物質的大小、形狀及分佈。然而，cryo-TEM 有一個主要的盲點，即難以揭示元素組成，這對於理解材料功能而言是至關重要的。目前的解決方案，如能量過濾 TEM（EF-TEM）和電子能量損失光譜（EELS），雖然能夠檢測元素信號，但也帶來了一些缺點，這些方法往往會造成樣本損壞，影像漂移的問題也普遍存在，且大多數用於金屬或大塊材料的分析。
在這方面，東北大學的研究團隊已經克服了這一限制。他們開發了一種新的 cryo-EELS/EF-TEM 技術，能夠在冷凍溶劑中同時捕捉樣本的結構和元素成分。這種方法使研究人員能夠在不損害影像清晰度或樣本的情況下，研究精細的有機納米材料。傳統的 EELS 成像存在的問題主要有兩個：樣本中的冰會增加不必要的背景信號，而在掃描過程中產生的漂移則會導致影像模糊。這些問題使得在生物或柔性有機樣本中解析實際材料變得困難。為了解決這些問題，東北團隊對“3 窗口方法”進行了改進，這是一種已知的 EELS 背景修正方法，並將其調整為適用於冷凍條件。這一改進的背景去除技術有助於消除冰的干擾，使得目標材料的元素信號清晰可見。
在長時間的 EELS 掃描過程中，漂移仍然是一個挑戰。為此，該團隊引入了一個漂移補償系統，能夠在數據收集過程中穩定影像。他們還為 ParallEM 顯微鏡控制系統開發了一個軟件擴展，該工具自動化了元素映射過程中的能量偏移調整，進一步簡化了工作流程。利用這一新方法，研究人員成功地可視化了直徑僅為 10 奈米的二氧化矽納米顆粒中的矽分佈，這些顆粒懸浮在冷凍溶劑中，這一環境與現實生物條件非常接近。他們還在羟基磷灰石顆粒上測試了這一技術，這是一種存在於骨骼和牙齒中的磷酸鈣材料。該方法清晰地揭示了鈣和磷的分佈，這兩種元素在生物學上具有重要意義，並與顆粒的結構一同顯現。
這項技術能夠在如此精細的解析度下映射結構和組成，為科學研究開辟了重大的可能性。這項技術現在可以支持生物材料、醫療植入物、食品技術、催化劑甚至功能性墨水等領域的研究。這些研究成果於 2025 年 7 月 31 日在《分析化學》期刊上發表。通過克服 cryo-EELS 和 EF-TEM 的核心限制，即漂移、損壞和背景噪音，東北大學團隊推動了 cryo-TEM 的極限。來自不同學科的研究人員現在有了一個強大的新工具，可以在不損失樣本細節或完整性的情況下，探索納米材料中的隱藏化學特性。
