PhaseT3M：基于非线性相位检索的电子冷冻断层成像实现1.6埃分辨率三维重构

《Nature Communications》：PhaseT3M: 3D imaging at 1.6 ? resolution via electron cryo-tomography with nonlinear phase retrieval

本刊推荐：为突破传统电子断层成像（ET）在辐射敏感材料三维结构解析中的分辨率限制，Lee等人开发了PhaseT3M相位检索算法。该研究通过多切片模型处理多重散射效应，结合贝叶斯优化进行像差校正，成功对负载于30纳米碳基底的Co3O4纳米颗粒实现了1.6埃分辨率的三维重构，并在HIV-1病毒颗粒数据集上验证了方法的普适性，为生物与材料科学提供了新一代原子尺度三维成像工具。

　　

在材料科学与结构生物学领域，透射电子显微镜（TEM）一直是揭示物质微观结构的关键工具。然而，传统二维投影技术无法展现三维空间的结构细节，特别是对于具有复杂缺陷、界面或异质性的样品。电子断层成像（ET）通过采集不同角度的二维投影图像重构三维结构，但面临多重散射导致的非线性对比度、辐射损伤、缺失楔效应等核心挑战。虽然扫描透射电子显微镜（STEM）断层成像可实现原子分辨率，但其高电子剂量要求与缓慢的扫描速度限制了在辐射敏感材料中的应用。

针对这些瓶颈，Juhyeok Lee等人在《Nature Communications》发表了题为"PhaseT3M: 3D imaging at 1.6 ? resolution via electron cryo-tomography with nonlinear phase retrieval"的研究。他们开发了一种基于相位检索的电子冷冻断层成像方法PhaseT3M，通过创新性地整合多切片物理模型与计算优化算法，成功实现了对无机纳米材料与生物大分子的高精度三维重构。

关键技术方法包括：1）采用多切片模型精确模拟电子与样品的多重散射过程；2）通过贝叶斯优化与梯度下降法进行亚像素级图像对齐和像差校正（包括C₃₀球差等参数）；3）利用正性约束补偿缺失楔效应；4）对HIV-1病毒颗粒数据使用EMPIAR-10164公开数据集进行验证。

实验结果

Tomography Experiment Setup

研究团队以负载于30纳米碳基底的7纳米Co₃O₄纳米颗粒为模型样品，在-65°至+65°倾斜范围内以1°间隔采集高分辨透射电镜（HRTEM）图像，每个角度采集3组不同离焦量（100 nm、250 nm、900 nm）的数据。通过运动校正、焦系列对齐、倾斜系列对齐等预处理步骤，最终利用PhaseT3M算法重构出三维静电势分布。

Experimental Tomography via Phase Retrieval

重构结果清晰区分了Co₃O₄纳米颗粒（高原子序数显示强电势）与碳支撑膜（弱电势）。三维傅里叶变换显示{422}晶面衍射点对应1.6埃分辨率，且通过正性约束成功恢复了缺失楔区域的{111}（4.6埃）和{220}（2.8埃）衍射点。剂量依赖性实验表明，在8460 e^-/?²总剂量下可达最佳分辨率，而降至118 e^-/?²时仅能保留部分晶格信息。

Simulated Tomography via Phase Retrieval

通过模拟实验验证了分辨率评估的可靠性。模拟数据重构不仅重现了1.6埃分辨率特征，还显示出实验未达到的1.4埃衍射点，差异源于实验中的剂量限制、碳背景噪声等因素。无限剂量模拟结果与真实原子模型高度吻合，证实了方法的理论有效性。

Comparative analysis of phase retrieval and conventional tomography

与同时迭代重建技术（SIRT）等传统方法相比，PhaseT3M在碳支撑膜重构完整性、纳米颗粒边界清晰度及高频信息保留方面均显著优于传统算法。相位检索重构的傅里叶图像显示更高指数衍射点，而SIRT重构存在低频信息缺失导致的边界伪影。

HIV-1 particles reconstruction

在生物样本验证中，PhaseT3M对HIV-1病毒颗粒的重构显示出更低的R因子（3.5% vs SIRT的4.7%）和更高的傅里叶环相关系数（FRC）。留一法交叉验证表明，相位检索方法能有效恢复低频频段信息，而滤波反投影（FBP）等方法因高频增强效应产生虚假锐度。

本研究通过物理模型驱动的相位检索框架，突破了传统断层成像的线性投影假设限制。PhaseT3M的核心创新在于：1）建立可解析弱散射组分（如碳支撑膜）的逆问题模型；2）通过多切片计算校正非线性散射效应；3）利用正性约束恢复缺失楔信息。该方法仅需标准冷冻电镜设备即可实现原子级分辨率，为异质性生物样本（如病毒颗粒）和辐射敏感材料的三维结构解析提供了新范式。虽然当前计算成本较高（约百倍于传统方法），但随着GPU技术的发展，这种基于第一性原理的成像方法有望成为跨学科研究的通用平台，推动材料界面、生物大分子复合体等复杂体系的三维精准解析。