摘要：本文讨论的直接电子探测器，其主要应用于单颗粒电子显微镜（SPEM）或冷冻电镜（cryo-EM），用于观察冷冻水合生物样品。这是一项无需晶体，就能从大量单个分子图像中获取生物大分子高分辨率（近原子级）结构的技术。

半导体工程师 2025年01月25日 10:28 北京

1 冷冻电镜与探测器

本文讨论的直接电子探测器，其主要应用于单颗粒电子显微镜（SPEM）或冷冻电镜（cryo-EM），用于观察冷冻水合生物样品。这是一项无需晶体，就能从大量单个分子图像中获取生物大分子高分辨率（近原子级）结构的技术。

冷冻电镜的现代形式起源于20世纪80年代，由Jacques Dubochet开发的在非晶态冰薄膜中快速冷冻单颗粒的方法。单颗粒图像处理程序最初应用于负染样品，随后经过改进，用于冷冻水合样品的图像处理。在直接电子探测器出现前，冷冻电镜主要依靠照相胶片获取病毒等相对较大的大分子组装体的高分辨率结构。

新开发的直接探测器及其相关的数据采集新方法，不仅能够产生更高分辨率的结构，而且所需的单颗粒数量更少。它们还可用于分析一系列此前无法研究的较小分子量的分子结构。

SPEM是一种获取玻璃态冰薄层中冷冻的单个分子图像的技术，这些分子的结构接近天然状态。由于构成分子的碳、氮、氧和氢原子散射较弱，加上辐射损伤限制了电子剂量，单个分子的图像对比度差，信噪比较低。提取高分辨率信息需要对数万张（甚至更多）单个图像进行对齐和平均。具有高对称性的分子所需图像较少，而分子量较大的分子图像对比度更高，更易于分析。

近年来，利用单颗粒冷冻电镜获得了许多出色的近原子分辨率的大分子复合物结构。Kühlbrandt（2014）评论指出，虽然从理论上预期能够达到这种前所未有的分辨率（Henderson,1995），但这一成就依然令人惊喜。尽管更好的软件和更强大的计算能力也为这一成功做出了贡献，但直接电子探测器的引入显然是最为关键的因素。基于同样的原因，一旦性能更优的探测器问世，预计还会有进一步的改进。

在过去30年中，基于荧光体耦合电荷耦合器件（CCDs）的电子探测器被应用于冷冻电镜，特别是在二维（2D）电子晶体学中。具有更高探测量子效率（DQE）的直接探测器，将改善电子晶体学、断层摄影以及单颗粒冷冻电镜的数据。基于混合探测器技术的直接探测器（如Medipix2），还使得从小型三维（3D）微晶体记录电子衍射数据成为可能。

冷冻电镜探测器所需的理想（在某些情况下是必需的）特性众多，这里仅总结最重要的几点。由于讨论的是易受辐射损伤的样品，最重要的要求是高DQE，其定义涵盖了探测效率、空间分辨率和探测器的噪声特性。探测器的DQE由输出信噪比的平方与输入信噪比的比值给出：

其中S为信号，N为噪声。需要注意的是，由于探测器总会给信号增加一些噪声，因此DQE始终小于1。当用于成像时，DQE需要包含空间分辨率的影响，当作为空间频率ω的函数时，表示为DQE(ω)：

其中MTF(ω)是空间频率的调制传递函数，NPS(ω)是归一化噪声功率谱，同样是空间频率的函数。

对于像素化探测器，奈奎斯特频率（Nyquist frequency）这一重要概念（由像素尺寸的二分之一的倒数给出）常被用于评估单个探测器的性能。奈奎斯特极限在比较不同探测器在这一空间频率下的性能时也很有用，这与不同探测器的像素尺寸无关。

备注：奈奎斯特频率(Nyquist frequency)定义为采样频率的一半，它表示可以无失真重建原始信号所需的最小采样频率。公式：fN = fs/2（fN为奈奎斯特频率，fs为采样频率）。为避免混叠失真，信号的最高频率必须低于奈奎斯特频率。

在直接电子探测器出现之前发表的一篇关于冷冻电镜获得的高分辨率结构的综述 (Grigorieff & Harrison, 2011) 列出了九种不同的接近原子分辨率的二十面体病毒结构。该综述中选择的单颗粒样品都相当大，范围在17- 150 MDa之间，一些具有高对称性，这使得它们的取向确定更容易，因为它们产生的高对比度图像以及随后容易对多个颗粒的数据进行平均。除了一个结构外，所有引用的研究都使用了照相胶片，这在之前被认为是具有最高DQE的最佳记录介质。

如今，类似的描述最新高分辨率结构的综述，将包括大多数基于直接电子探测器的研究，通常采用背面减薄的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术。这种变化存在诸多原因，本文旨在回顾使直接电子探测器在冷冻电镜领域如此具有吸引力的一些特性。

2 探测器：间接式和直接式

“间接式”和“直接式” 探测器这两个术语的使用，比冷冻电镜探测器的研究早了十多年。最初，它们应用于X射线探测领域。直接探测指的是在气体探测器中对X射线光子进行探测，这种探测器会将入射光子的能量转换为电子-正离子对，随后在多丝正比室中经过放大后记录计数（Faruqi，1991）。而间接探测则是指入射光子被荧光体或闪烁体吸收的探测器，发出的光随后由摄像管或CCD进行探测和记录（Arndt，1986）。

在荧光体-光纤耦合CCD 探测器应用于X射线衍射实验之后，基于类似原理的探测器也被开发用于冷冻电镜，然而在300 keV的高能条件下，其高空间频率的探测量子效率（DQE）被发现比胶片还差。人们认为，对背后物理原因的理解，例如荧光体和光纤中的光散射，是导致基于CCD的间接探测器DQE较低的原因（Meyer & Kirkland，1998），这也促使了对直接探测器的研究，以避免在探测前将能量转换为光（Faruqi & Andrews，1997）。

冷冻电镜直接电子探测的研究与开发大约始于25年前，地点是英国剑桥分子生物学医学研究委员会实验室（MRC-LMB）（Faruqi，2001）。不过，由于所探测的辐射性质不同（是电子而非光子），其设计原理也完全不同。电子的主要探测介质并非气体，而是特殊掺杂的半导体材料（通常是硅）。从信号形成的角度来看，直接探测器中的信号很强，因为入射电子在硅中每沉积3.6eV 能量，平均就能产生一个电子-空穴对。由于每个入射电子能产生大量的电子-空穴对，这就使得信噪比很高。

早期使用直接探测器的尝试主要集中在Medipix2上（2003），这是一种混合像素探测器，其硅电子传感器与电子计数层是分离的。然而，尽管在较低能量（

备注：Medipix2 是由欧洲核子研究组织(CERN)的科学家团队开发的。Medipix 这个名字的由来主要基于两个词的组合：Medi:来自"Medical"(医学),因为该设备最初主要针对医学影像应用而开发，pix:来自"Pixel"(像素),反映了其像素探测器的本质特征。虽然现在Medipix的应用已经远远超出了医学领域，但这个名字仍被保留下来，成为了这个系列探测器的品牌标识。

最初为光学应用设计的CMOS技术单片有源像素传感器（Monolithic-Active Pixel Sensor，MAPS），在40和120keV 能量电子的初步试验中取得了令人鼓舞的成果。在高达400keV的电子能量下，也获得了非常理想的结果。MAPS带来最大影响的改进包括：（1）具备处理更大面积和更多像素的能力；（2）进行辐射硬化处理，使其能够在电镜中长期使用而不降低性能；（3）对传感器进行背面减薄，从而在所有空间频率下都能获得高DQE；（4）实现快速连续读出，允许以电影模式记录。

许多研究团队利用了直接探测器提供的第四个关键优势，即通过记录同一样品的时间序列图像（电影）来实现剂量分馈的能力。在新探测器不断开发的同时，新型图像处理计算机程序也在同步发展。其中，特别值得关注的是软件包 RELION（Scheres，2012），它因成功引入最大似然方法而闻名。RELION 使用统计方法处理异质样品，还能够更精确地估计单个颗粒的方向，这对于计算改进的结构至关重要。

对于时间不变的结构，单个电影帧图像可以简单相加得到积分图像，但成像过程中存在一个问题，即会出现一些束诱导的样品移动和辐射损伤。新的CMOS相机能够收集连续图像，计算算法可以单独处理这些图像，在积分前校正样品移动，从而产生更清晰的图像。

高 DQE 带来的更好的信噪比和图像质量，以及快速读出的综合优势，使得以电影模式收集剂量分馈图像成为可能，而这在过去使用间接探测器时是无法实现的。

3 直接电子探测器的技术原理

探测器的现代发展，特别是与冷冻电镜相关的直接探测器的发展，是在早期探测器长期实践经验的基础上逐步形成的。这些经验为理解理想的电子探测器提供了理论框架。尽管实现这样的完美探测器在未来仍有很长的路要走，这里主要讲述从间接探测器阶段结束至今的发展历程。

一些历史内容已在几年前的文章和综述中有所提及，包括胶片、基于CCD的间接探测器、基于Medipix2的混合像素探测器以及CMOS探测器的早期发展（例如Faruqi & McMullan, 2011）。因此，这里重点讨论基于背面减薄CMOS技术的单片有源像素传感器（MAPS），实践证明这是实现这一目标最为成功的技术。

3.1 基于 CMOS 技术的 MAPS

MAPS 探测器通常采用重掺杂p型硅片制造，在此基础上外延生长2至20微米的轻掺杂p型硅层。这一外延层具有高度有序性，构成了探测器的敏感层。外延层中注入了高掺杂p型层和延伸至外延层的高掺杂n型阱。n 型掺杂阱形成N + 二极管，其间距决定了探测器的像素尺寸（见图1）。

当入射的高能电子穿过外延层时，会产生低能电子-空穴对。由于外延层高度有序的晶格结构，这些自由载流子具有较长的平均自由程。其中，空穴能够自由扩散到周围层，并最终被重掺杂p阱或硅片收集，而低能电子则被上下更高掺杂p型层形成的势能梯度限制在外延层中，最终被 N +二极管收集。

图1和图3展示了 MAPS 像素的简化横截面图，图3呈现了单个像素的简化读出方案。需要指出的是，三晶体管（3T）像素设计只是众多像素设计中的一种，还有其他更为复杂的设计可用于拓展功能和提升性能。

图1 MAPS中3T像素的典型侧视图。入射电子在其轨迹上留下一串电子-空穴对。在外延层内产生的电子具有足够长的平均自由程，可以扩散到埋置在P+阱中的N+二极管，这个过程受到P型和N+型硅不同掺杂浓度所产生的轻微电位差的帮助。衬底由高掺杂硅构成，作为一个惰性结构，具有快速的电子-空穴复合特性，因此在信号产生中仅起边缘作用(Turchetta等，2001)。

图2 显示了3T CMOS探测器中单个像素的简化读出电路。如图1所示，入射电子产生电子-空穴对，电子主要在外延层内产生，但只有电子漂移到n+二极管，形成信号。在事件发生前，通过开启晶体管T1对节点A处的杂散电容进行充电，事件产生的电子使该电容放电，放电量与二极管收集的电荷量成正比。像素的电荷在行选择晶体管T2和列选择晶体管T3的帮助下读出到外部模数转换器，用于形成图像(Faruqi，2007)。

在3-T MAPS探测器中，在上部p型掺杂层中制作了三个NMOS 晶体管。其中一个晶体管用作复位，用于在N+二极管上设定固定的初始反向偏置电压。反向偏置的N +二极管如同电容器，会被外延层中足够靠近并被捕获的任何电子激发而放电。第二个晶体管配置为源极跟随器，将N+二极管上的电压传输给第三个晶体管，而第三个晶体管则用于选择特定的N +二极管电压进行读出。

图3 单个电子穿过像素的蒙特卡罗模拟，该电子在硅基底中发生背散射。

A：钝化层+互连层；B：外延层；C：基底。电子通过时在轨迹上产生电子-空穴对，在外延层中产生的电子扩散到收集二极管。在背散射电子轨迹的末端，由于电子能量大大降低，产生了更高浓度的电子-空穴对，这导致了更强的信号，而且信号位置也是错误的（ McMullan et al., 2009）。

施加到晶体管以及从晶体管读出的电压，通过嵌入在P型掺杂层顶部非导电氧化物层中的金属互连，传输至特定像素。最后，整个探测器覆盖一层钝化层，该钝化层由二氧化硅和/或氮化硅组成，厚度为几微米，具体数值取决于工艺技术。

CMOS探测器最基本的读出方案之一，如图2所示（Faruqi, 2007），在所谓的卷帘快门模式下，复位电压依次顺序施加到每行N +二极管。复位后，各个二极管电压的变化反映了在给定二极管附近外延层中产生的电荷量，此电荷量与入射电子数量成正比。在固定时间后，给定行中二极管的电压被读出，并在芯片上或外部的模数转换器中进行数字化。卷帘快门模式本质上是并行的，能够实现高速读出，这对于电影模式成像至关重要。对于辐射敏感样品的成像，尤其是电影模式成像，最大化信噪比至关重要。

3.2 背散射对 CMOS 探测器性能的影响

单个电子穿过传感器的外延层时会沉积少量能量，通常每微米硅产生约 80 个电子-空穴对。由于相互作用具有随机性，沉积的能量量会有所变化，某些事件贡献的能量远高于平均值。正如 McMullan（2011）所指出的，300 keV 电子的行为会带来一些问题。任何穿过外延层和衬底的电子都会留下幅度和位置明确的信号。然而，来自衬底的背散射电子可能在初始撞击点一定距离处产生信号。

图3 展示了背散射事件的模拟。由于背散射电子在硅中传播的距离更长，它们已损失能量，所以能够在第二次穿过外延层时沉积更多能量，产生比原始穿越更大的信号。由于背散射事件增加了事件的总体信号，零空间频率下的 DQE 相对保持不变，甚至略有提高。然而，较高空间频率下的 DQE 降低，因为背散射的贡献降低了分辨率，并为事件增加了额外的高频噪声。

另一个关于 300 keV 电子在硅中行为的蒙特卡罗模拟（如图4所示），说明了背散射导致 DQE 降低的原因。模拟中选择的硅总厚度为 350 微米，与典型传感器的厚度相似，而顶层为 35 微米。电子轨迹贡献 “有效” 信号，而背散射电子降低了高空间频率下的 DQE。背面减薄或移除传感器的浅灰色部分的好处在于，消除了大部分背散射轨迹（白色显示）。

图4的模拟展示了背面减薄在设计高 DQE 传感器中的重要性，这已通过实验得到验证。

图4 蒙特卡洛模拟呈现了 300 keV的电子穿过厚度为 350 微米的硅传感器时的轨迹，其中传感器顶部 35 微米（深灰色）。入射电子以黑色呈现，白色轨迹所显示的是在撞击位置之外产生信号的背散射电子，这些背散射电子会降低高空间频率下的 DQE（McMullan，2009）。此模拟表明，厚度为 35 微米的背面减薄传感器应具备更优的 DQE，这一结论已得到实验证实。

3.3 探测器使用过程中的辐射损伤

与CCD探测器，或者混合像素探测器中的辐射敏感电子层不同，CMOS探测器直接暴露于电子束之下，这使得它们更易遭受辐射损伤（Faruqi ，2005）。

在冷冻电镜实验所关注的能量范围（即最高达300keV）内，探测器所受的辐射损伤几乎完全由电离损伤造成，这取决于入射电子在传感器中沉积的总能量。在这些能量条件下，硅原子获得足够能量而被击出规则晶格的位移损伤概率极小（Bogaerts，2003）。电离的主要影响是使传感器的暗电流或漏电流增大。暗电流增大的主要后果是，随着剂量增加，传感器的动态范围减小，最终导致传感器完全无法使用。虽然高温退火或随时间推移能够部分逆转辐射损伤的影响，但这对于电镜而言并非实用的解决方案。

早期实验中使用的CMOS传感器最初是为光学天文应用设计的，因而未采用抗辐射晶体管和二极管设计（Prydderch，2003），其在电镜中的使用寿命仅为10-20krad；这样的抗辐射水平对于电镜的常规使用来说是不足的（Faruqi，2005）。通过在较低温度下运行传感器、采用不同的像素电路布局，或者缩短信号和暗电流积分的积分时间，能够降低暗电流增大带来的影响。在电影模式下记录图像时采用较短的积分时间，可使辐射损伤的影响相对没那么显著。

备注：10-20 krad 是辐射剂量的单位，其中:krad = 千拉德(kilorad)，1 krad = 10戈瑞(Gy) = 10焦耳/千克。5 krad 就可能导致人急性死亡，10-20 krad 是极高的辐射剂量,对生物体是致命的。

在微电子电路中，辐射耐受性一直是诸多应用领域的关键问题，例如反应堆工程、核物理和粒子物理等处于高辐射环境的应用。为减少或消除辐射损伤的影响，人们提出了多种像素电路设计的改进方案，其中包括使用封闭布局晶体管（ELTs）的像素布局。通过改进抗辐射像素设计、提高帧率以及在20°C下运行（降低温度会使漏电流减少，这是所有硅器件的共同特性），CMOS传感器的抗辐射能力提升了三个数量级以上，这对于实现使用寿命达一年或更久的实用探测器至关重要。

追踪冷冻电镜应用中实用探测器的设计与构建过程颇具启发性。这里重点关注了一款原型——即TEMAPS1.0探测器，该探测器后来被FEI公司开发成名为 Falcon的商业探测器。为实现 TEMAPS 的最佳设计，研究人员监测了辐射对调制传递函数（MTF）、DQE和辐射损伤等多个参数的影响。为了尽可能做出最优选择，TEMAPS 1.0 配备了 1,280×1,280 个 14μm 大小的像素，并设计了 25 个不同的 256×256 子区域，每个区域都有不同的像素布局。研究人员对所有子区域进行了详细测量，以下展示了两个最具潜力区域的结果（Guerrini，2011），剂量范围从0到5亿电子/像素，间隔为1000万电子/像素。

图 5 (A) 展示了两个选定区域在整个辐照范围内暗电流的变化情况。尽管暗电流总体呈上升趋势，但作者指出，由于传感器输出采用16位分辨率数字化，这种增加仅仅改变了背景值，在测量中能够进行调整适应。图 5 (B) 所示的电子灵敏度降低是由辐射剂量增加导致漏电流增大所引起的。图 5(C) 显示了辐射损伤对 MTF 的影响，这种影响相对较小。

图5 (A) 展示了两个选定子区域中暗电流与辐照量的变化关系，辐照量的单位为百万电子/像素。(B) 呈现了两个选定像素的灵敏度（单位为每300千电子伏电子的计数）随辐照水平的变化情况。0 Me处的首个数据点取自非背面减薄传感器，而其余所有数据点均来自背面减薄传感器。(C) 给出了一种选定像素结构在不同辐照水平下，调制传递函数（MTF）随空间频率（直至奈奎斯特频率）的变化曲线（Guerrini，2011）。

4 冷冻电镜用的实用探测器

由于直接探测技术在电镜领域具有巨大潜力，世界各地的不同研究团队同时开展了多项相关研发工作。这里仅选择了其中三个影响最大的研发项目进行介绍，但会着重详细讨论TEMAPS。

TEMAPS是在英国牛津卢瑟福阿普尔顿实验室与MRC-LMB密切合作下设计的（Guerrini，2011），该项目由包括FEI和马克斯普朗克研究所在内的欧洲联盟资助。TEMAPS具有4k×4k像素，像素尺寸为14微米，采用辐射加固像素架构，使用封闭布局晶体管。在第二个电子显微镜辐射加固传感器的研发项目中，劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）开发了一种名为LDRD-RH的探测器，该探测器基于最初为粒子物理学开发的芯片（Battaglia，2009）。第三个辐射加固传感器的研发项目由加州大学圣地亚哥分校（UCSD）与其他研究团队合作完成（Jin，2008；Milazzo，2011）。

TEMAPS的基本特性列于表1。如前文所述，FEI公司基于TEMAPS的设计生产了用于电镜的商业探测器，称为Falcon I（非背面减薄）或Falcon II（背面减薄）。图6展示了安装前的早期Falcon版本照片。

图6 商用版4k×4k探测器Falcon，可安装于电镜中。

Falcon的设计读出速度更高，达到40帧/秒，而TEMAPS为4帧/秒。Falcon I推出后不久，推出了背面减薄版本的FalconII探测器，传感器厚度约50微米，在所有空间频率下都具有更好的DQE。最近，进一步背面减薄至约30微米的Falcon III已经推出，在所有空间频率下具有更好的DQE。

LDRD-RH探测器已由Gatan公司开发成商业版本，称为K2 Summit，包括计数模式。最后，UCSD的研发成果已由Direct Electron公司商业化，该公司销售多种探测器，包括DE-20探测器。

表1 用于透射电子显微镜的4k×4k TEM APS传感器规格，猎鹰I、II和III型的原型机

4.1 电子计数：对MTF和DQE的改进

电子在传感器中沉积能量的可变性是导致 DQE 降低的主要因素之一。每个事件沉积的能量遵循朗道分布，该分布具有平均值，但存在一个长尾，即某些电子沉积的能量比平均值高出数倍。图7 展示了这种分布的一个示例。有研究指出，通过将输出标准化为1（即通过计数电子），可以减少或消除能量沉积可变性的影响。这样做的效果是，无论沉积的能量多少，都给记录的电子赋予相同的权重（即 1）。

备注：朗道分布不符合高斯分布，存在大能量损失的小概率事件，统计涨落较大

图7呈现了三种商用探测器在300keV下实验测定的此类事件的朗道曲线。朗道分布数据源自 Gatan K2 Summit、Direct Electron DE20和 Falcon II记录的单电子事件。由于在实际操作中无法从一个事件区域内分离出多个电子的信息，因此必须将电子通量降低到在每帧期间给定像素中出现多于一个电子的概率极低的水平。由于图像必须由更多的帧累积而成，所以帧率必须足够高，以避免过长的曝光时间。

图 7 在300 keV 条件下从三种探测器的 256 x 256 像素区域获取的单电子事件：(A) DE - 20，(B) Falcon II 和 (C) K2 Summit。这三种探测器的朗道分布图以及预期的标准化朗道分布图如 (D) 所示。McMullan (2014) 。

Battaglia等人（2009）估计，对于10微米的像素，每个单电子事件的簇大小通常为4- 5个像素，中心（或种子）像素中包含45%的电荷。他们采用质心法尽可能准确地获取入射电子的撞击位置，并得出结论：簇成像比模拟读出方法将点扩散函数改善了2倍。

虽然该原型的DQE未给出，但采用计数方式的Gatan商用版本（K2 Summit）的DQE已与其他两种非计数探测器一起被测量（McMullan ，2014）。尽管这种方法（即质心法）在X射线探测中被广泛应用，但对于电子探测来说可能不太适用，因为入射电子沉积的电荷分布更加分散和不对称，特别是在外延层较厚或像素较小的情况下。

McMullan等人尝试了多种单电子图像处理的替代方法，以确定在各种空间频率下能获得最高DQE的最佳分析模式，从而确定主电子的撞击位置。使用峰值位置或加权质心时，在低空间频率下DQE有所改善，但在奈奎斯特频率下效果不佳，即该方法只取得了部分成功。最成功的方法是：在识别出种子像素（信号最大的像素）后，将信号高于预设阈值的相邻像素的电荷相加并重新归一化为 1，得到一个有效的概率分布，用于计算入射电子的撞击位置，这种方法在所有频率下都获得了更高的 DQE。

图8展示了使用计数方法相较于模拟读出方法在 MTF (ω) 和DQE (ω)上的改进。图 8 (A) 显示了计数模式相比模拟模式在 MTF (ω) 随空间频率变化方面的改进，图 8(B) 显示了 DQE (ω) 随空间频率变化的类似改进。在两种计数模式下测得的DQE (ω) 显著提高，这是由于在较高频率下噪声功率贡献（NPS (ω)）较低，从而导致了更高的 DQE，尤其是在较高频率下。

图 8由于重整化单事件成像导致的调制传递函数（MTF）和探测量子效率（DQE）随空间频率的改善。

Battaglia (2009) 在单事件处理中采用了略有不同的方法。他们使用了像素尺寸为 10 微米的 CMOS 传感器。通过Geant 4的模拟，他们估计一个事件会占用少于5个像素，其中中心像素包含45%的电荷。在识别出事件中信号最强的种子像素后，他们对事件簇拟合高斯分布并使用簇的质心。这种程序此前曾用于在多丝气体探测器中定位 X 射线光子的撞击位置 (Faruqi，1988)，其精度优于像素间距，有效提高了探测器的空间分辨率。这种改进反映在计数模式下获得的图像中。

类似的用于定位单电子事件质心的算法在K2 Summit 中被 Gatan 应用于该探测器的商业版本，用于超分辨率模式。为了应对帧内计数率的降低并保持足够短的总曝光时间，内部读出设计为400帧/秒。在超分辨率模式下，质心计算精确到亚像素级别，这个数值被存储并用于图像。与模拟 (积分模式) 读出相比，单电子计数模式在所有空间频率下的 DQE 都显示出显著改善，提高了约2倍，这与测试结果相符 (McMullan ，2014)。

4.2 K2探测器电子计数对DQE改进（相比模拟读出）

第一个具有计数功能的商用直接电子探测器是由Gatan推出的K2 Summit。K2 Summit基于Gatan和LBNL之前的工作，该探测器的内部读出速度为 400 帧 / 秒，经过电子处理获得事件质心后的外部输出为40帧/秒。

图 9 (A) 显示了电子计数相比模拟读出在空间频率函数上的DQE改进。图表显示计数模式下的 DQE 在所有空间频率下都明显高于模拟读出，并且延伸超过奈奎斯特频率。作为对比，还显示了Gatan US4000 Ultrascan CCD相机的DQE数据，这突出显示了所有基于CMOS的探测器 (无论是否有电子计数选项) 的 DQE 改进。如预期的那样，较高的计数率会导致一些计数损失，这种效应如图 9(B) 所示 (Li ，2013)。

图 9 (A) K2 Summit 在线性 (模拟) 模式、计数模式下的 DQE 随空间频率的变化，以及与 Ultrascan CCD 的比较。(B) 输入和输出率之间的关系，在5电子/像素/秒之前呈线性关系，但在更高计数率下会出现一些损失。

总之，电子计数模式可以进一步改善信噪比和DQE，但需要较低的入射电子通量。

5 总结

直接电子探测器是现代冷冻电镜中的关键组件，它通过直接探测入射电子而非将电子转换为光子来工作。这项技术的核心是基于CMOS的单片有源像素传感器(MAPS)，通过背面减薄和抗辐射设计等创新，显著提升了探测量子效率(DQE)。探测器可以工作在电影模式下，实现剂量分馈成像，并且某些型号支持电子计数模式，进一步改善了图像质量。这些技术进步使冷冻电镜能够获得前所未有的高分辨率生物大分子结构。

Agard, D., Cheng, Y., Glaeser, R. M., & Subramaniam, S. (2014). Single-particle cryoelectron microscopy (cryo-EM): Progress, challenges, and perspectives for further improvement. Advances in Imaging and Electron Physics, 185, 113–137.

M.Campbell 10 years of the Medipix2 collaboration Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (2011)

A.R.Faruqi1, R.Henderson, G.McMullan Progress and Development of Direct Detectors for Electron Cryomicroscopy 2015

M. Battaglia et al.A rad-hard CMOS active pixel sensor for electron microscopy Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A (2009)

X.-C.Baiet al.How cryo-EM is revolutionizing structural biology Trends in Biochemical Sciences (2015)

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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