矿物‒微生物相互作用研究的新利器：三维原子探针（APT）

A New Tool for Unraveling Mineral⁃Microbe Interactions: Atom Probe Tomography (APT)

摘要

矿物‒微生物相互作用是地球系统中最为活跃的地质动力之一，对地球演化过程具有深远的影响，也是矿物学和地质微生物学领域最重要的交叉研究方向之一.要全面正确理解微生物与矿物之间的相互作用，重点之一在于揭示超微尺度下微生物如何影响矿物表面结构和物质组成的变化.尽管近年来矿物‒微生物相互作用的研究取得了显著进展，但由于该相互作用涉及更小尺度的微观过程，在纳米甚至亚纳米尺度同时表征矿物结构、化学成分和微生物残存印记等方面仍面临巨大挑战，因此许多原理性和机制性问题依然亟待解决.近年来新兴的三维原子探针（APT）技术突破了这一分析极限，可在亚纳米（近原子）尺度实现对几乎所有元素/同位素同时成像与定量分析（检测限为10^‒6），可为重建矿物‒微生物相互作用过程提供近原子尺度、高灵敏度分析.APT最初是在材料科学领域发展并得到广泛应用，近年来该技术在地球科学领域受到日益增多的关注.本文概述了APT的原理、发展和样品制备等基本内容，介绍了生物矿化的概念及相关研究，并重点讨论了APT技术在微生物矿化、地质微生物的残存信号识别、生物材料等矿物‒微生物相互作用领域的重要应用.最后，客观总结了当前APT技术在矿物‒微生物相互作用研究中的局限性和面临的问题，并展望这种超级原位微区分析技术在矿物‒微生物研究领域的未来发展方向.

Abstract

Mineral-microbe interaction (MMI) is one of the most dynamic geological processes driving the evolution of Earth’s system, profoundly influencing Earth life’s evolutionary processes. MMIs are also a key research focus in mineralogy and geomicrobiology. To fully understand the interactions between microbes and minerals, one of the critical areas is to decode how microorganisms affect the structural and compositional changes on mineral surfaces at an ultra-microscopic scale. Although significant progress has been made in the MMI studies in recent years, major challenges still remain due to the microscopic processes occurring at nanoscale and even sub-nanoscale levels. Simultaneous characterization of mineral structures, chemical compositions, and microbial remnants at these scales remains difficult, leaving many fundamental mechanistic questions unresolved. The emerging three-dimensional atom probe technology (APT) overcomes these limitations. APT enables near-atomic scale imaging and quantitative analysis of nearly all elements/isotopes simultaneously, with a detection limit as low as 10⁻⁶. This provides near-atomic scale, high-sensitivity analysis for research into mineral-microbe interactions. Originally developed and widely applied in materials science, APT has attracted increasing attention in the field of Earth sciences in recent years. This paper provides an overview of the principles, development, and sample preparation involved in APT, introduces the concept of biomineralization and related studies, and focuses on the key applications of APT technology in fields such as microbial mineralization, identifying geological microbial remnants, and biomaterials related to mineral-microbe interactions. Finally, we objectively summarize the current limitations and challenges of APT technology in the study of mineral-microbe interactions and explore the future development directions of this advanced in-situ micro-area technique in the field of mineral-microbe research.

Graphical abstract

关键词

生物矿化 / 地质微生物 / 生物矿物 / 生物材料 / 跨圈层研究 / 纳米科学 / 矿物学.

Key words

biomineralization / geomicrobiology / biominerals / biomaterials / cross⁃sphere research / nanoscience / mineralogy

0 引言

矿物是地球各个圈层的基本物质组成，是同微生物在各个尺度上相互作用的最基本的地质载体.微生物类型丰富、数量巨大，是联系其他生物和环境的重要纽带（谢树成等， 2012）.矿物和微生物都是地球上重要的自然资源，它们之间的相互作用广泛存在，并且是矿物学和地质微生物学的核心研究内容之一（Dong， 2010）.人们对矿物世界与生物圈（尤其是微生物圈）之间的相互作用越来越感兴趣，其研究成果在提升地球宜居性方面具有重要的应用前景（袁鹏，2018；陆现彩等，2019；鲁安怀等，2025）.矿物‒微生物相互作用是地球表层系统中最为活跃的地质动力之一，对地球演化过程起到了重要作用.一方面，矿物对微生物具有正向和负向的双重影响，正面影响包括物理和化学保护、提供养分和能量等（Jacoby et al.， 2017； Moore et al.， 2017）；负面影响则包括矿物释放的有毒物质和氧化压力等.另一方面，微生物的代谢活动直接影响矿物的溶解、转化和沉淀，从而引发基因控制或代谢诱导的生物矿化过程（Dong et al.， 2022）.矿物‒微生物相互作用是一个极其广泛、涉及多时空尺度的研究主题，不仅跨越了从地球初期到当代的时间跨度，还涵盖了从原子大小到整个地球的空间尺度.这一过程会在岩石记录中留下独特的标志，包括形态、矿物成分与结构、元素组成和同位素分馏特征，以及特殊有机化合物及其组合等（Chan et al.， 2019）.这些独特的标志证明了矿物与微生物之间在过去发生的相互作用.自地球生命起源以来，矿物与微生物在地质时间尺度上共同演化，生物与地球环境也一直发生相互作用.生物演化与地球环境变迁长久以来存在协同演化关系，生物的物种多样性和地球系统的功能复杂性方面都得到了提升 （Hazen et al.， 2008； 谢树成等， 2023， 2024）.矿物‒微生物相互作用在推动重大地质事件中起到了关键作用，例如大氧化事件（GOE）和多种重要矿床的形成（Konhauser et al.， 2011； Lyons et al.， 2014）.在现代时间尺度上，矿物与微生物的种类和数量呈现井喷式增长，两者之间的相互作用也达到了前所未有的广度和深度.因此，深入研究地质尺度下的矿物‒微生物相互作用，对揭示地球环境与生命的演化历程，解析气候与环境的变化规律具有重要意义.

全面正确理解地质体系中微生物与矿物之间的相互作用，关键在于查明生物在影响矿物时矿物表面的结构和成分如何发生变化.换句话说，观察微生物和矿物在微纳米甚至原子尺度上如何接近并相互作用是至关重要的.矿物‒微生物相互作用通常发生在微纳米尺度上，这对研究这一关键过程的分析仪器和平台提出了极高的要求.过去，研究矿物‒微生物相互作用的技术手段主要包括：透射电子显微镜（TEM）、电子能量损失谱（EELS）等.前者因其高分辨率、多功能性以及能够细致观察微生物与矿物相互作用的能力，一直以来都是该领域的主要研究工具（Ransom et al.， 1999； Miot et al.， 2014； 刘娟等， 2018）.然而，由于常规TEM观察需要高真空环境，生物材料和含水矿物（如黏土矿物）在进行TEM观察之前必须经过固定、脱水、嵌入和切片处理，这些制样过程可能会破坏矿物‒微生物界面原始的空间关系.电子能量损失谱（EELS）技术被广泛应用于矿物学和材料研究中，用于确定金属元素的氧化价态，包括铁、铀和铬等（Golla and Putnis， 2001； Daulton et al.， 2002； van Aken and Liebscher， 2002）.与其他原位微区分析技术（如电子探针分析、穆斯堡尔谱学分析和X射线吸收边缘结构（XANES）谱学）相比，EELS具有在高空间分辨率下测量氧化态的优势，并且其准确性也足够高.此外，还有一系列其他原位微区分析技术可以用于探究矿物‒微生物相互作用.例如，基于X射线的微型计算机断层扫描（micro⁃CT）能够捕捉微米级的生物特征，但缺乏高分辨率和详细的元素信息；同步辐射断层扫描工具则能在纳米尺度上提供更高的空间分辨率；基于同步辐射的X射线谱学和X射线显微镜（Templeton and Knowles， 2009），以及纳米离子探针 （Pett⁃Ridge and Weber， 2012； 胡行伟等， 2013）等技术，同样具有较高的化学敏感性和空间分辨率，在研究微生物生长、矿物溶解、生物矿化过程等方面有很好的应用.这些原位微区分析技术为进一步揭示矿物‒微生物相互作用的微观机制提供了重要支持.

以上技术在研究微米到纳米尺度上的矿物‒微生物相互作用过程中取得了显著的进展，但仍有许多原理性和机制性的问题亟待解决.其原因可能在于矿物‒微生物的相互作用涉及比微纳米级别更小尺度上的微观过程，而在纳米甚至亚纳米级别同时表征三维结构和化学成分一直是一个巨大的挑战.近年来新兴的三维原子探针技术（APT）突破了这一超级原位微区的测量极限，为矿物‒微生物相互作用的研究提供了从纳米到原子尺度的详细分析，极大推动了自然界矿物‒微生物相互作用过程的研究.在本综述中，笔者首先介绍了APT的基本概念、发展历史、原理等基础内容，随后介绍了生物矿化的相关知识.笔者详细回顾了APT在生物矿物、微生物残留标志和生物材料等研究中的应用，重点讨论了APT强大的功能：为解码矿物‒微生物相互作用过程提供亚纳米尺度的结构特性和机制洞察.本文特别考虑了APT技术在生物相关样品分析中的挑战、新技术发展和样品制备策略，并展望了未来发展方向.笔者对APT技术在地球生物学和地质微生物科学中的应用前景充满信心，认为它将在未来的研究中发挥越来越重要的作用.

1 三维原子探针（APT）技术

1.1　简介

三维原子探针（atom probe tomography，简称APT，也叫原子探针层析）是现代科学领域最先进的原位微区分析设备之一（图1）.它能以接近原子尺度的空间分辨率生成三维（3D）图像，并具有单原子敏感性，能够识别图像中每个原子的身份和位置（包括绝大多数元素的同位素），实现最顶级的元素分析（周邦新和刘文庆， 2007； Gault et al.， 2021）.真正实现这一效果花费了该领域专家学者大量的时间和努力.最新的APT系统能够以接近原子级的分辨率生成三维（3D）信息，并具备百万分之一的化学灵敏度，这项技术如今已经被用于分析从已知最古老的矿物到最新的纳米材料等各类样品.在过去几十年中，地球科学研究的一个主要趋势是开发和应用能够测量越来越小样品的元素和同位素组成的分析仪器（Reddy et al.， 2020）.高空间分辨率的数据为人们提供了重要的补充信息，有助于解释那些虽然空间分辨率较低但精度更高的数据集.因此，多尺度下的表征分析方法正在成为认识各种地质过程的常规工作流程.高空间分辨率的数据分析的顶峰是在亚纳米尺度下分析矿物中的元素和同位素组成.所有地质过程基本上都受到这一尺度上元素相互作用的控制，因此以纳米级分辨率量化元素和同位素组成具有巨大的科研潜力，可以极大地增进人们对基础地质过程的理解.

APT通过对针状样品施加超快速的电压脉冲或激光脉冲，将位于针尖的原子剥离，并将其转化为带电离子的过程，称为场蒸发.这些离子随后在电场的加速下飞向位置敏感探测器，探测器会记录每个离子从样品到检测系统的飞行时间以及其撞击位置.由于施加到样品表面原子的能量是已知的，可以通过飞行时间计算每个离子的质量与电荷比，这通常足以确定原子成分.由于APT基本的数据格式包含数百万个原子的三维位置和特征，因此可以获得许多类型的信息.通过简单的原子计数，可以在任何大小或形状的子体积内确定元素浓度.浓度线扫可以在任何方向上进行，甚至可以径向穿过球形特征或垂直于任何定义的表面.可以设置等浓度表面来划定和测量界面，还可以确定原子间的分布函数，用于研究有序性、掺杂相互作用、团簇形成、晶体结构、扩散和早期沉淀阶段.APT原始数据获取后，研究人员通常会使用一系列的数据分析方法来提取和分析数据，例如等值面分析、包括最近邻在内的团簇分析、一维线扫分析、二维热图分析等.

严格来说，APT是一种具有一定破坏性的技术，其通过逐层剥离样品中的原子来进行分析，但是，APT破坏的区域非常有限.离子的撞击位置以及检测顺序可以揭示样品中每个原子的原始位置.将这些信息结合起来，可以生成样品的三维图像，显示其原子结构和化学成分.这使得APT在分析埋藏特征以及不同区域之间的界面时特别有效.

APT最初被开发出来时，因为运行较慢且只能分析具有良好导电性的材料，如合金等，其应用受到限制.然而，在过去的10到15年中，情况发生了很大变化.APT现在能够快速获取各种样品的结构和成分信息，包括半导体、陶瓷，甚至具有更加复杂成分组成的矿物和生物材料.APT的独特之处在于它能够将成分信息与结构联系起来.尽管其他表征技术可以确定亚纳米级的物理结构，但只有APT能够在这种极小的尺度上同时提供精确的结构和成分信息（图2），这使得人们能够深入理解材料/矿物的微观结构及其与化学组成/性能之间的关系.

1.2　三维原子探针技术的发展历史

APT技术的发展经历了几个关键阶段.最早的原子探针技术可以追溯到20世纪50年代早期，当时德国物理学家Erwin Wilhelm Müller发明了一种新型显微镜，称为场离子显微镜（FIM）.该仪器采用了与现代原子探针断层扫描（APT）相同的基本原理，通过对针状样品施加正电压，使样品表面的气体离子蒸发，从而产生场离子图像，并可在荧光屏上直接可视化.利用这一显微镜，穆勒和他的博士生Kanwar Bahadur成为了首批直接观测到单个原子的科学家.

然而，场离子显微镜的主要局限之一在于，虽然它能够生成样品中单个原子的图像，但无法确定这些原子的化学成分.为了实现这一功能，穆勒、潘尼茨（Panitz）及其同事于1969年在显微镜中加入了飞行时间质谱仪.飞行时间质谱仪通过测量离子从样品到探测器固定距离所需的时间，来确定具有已知能量的离子的质量与电荷比，其中较重的离子需要比较轻的离子更长的飞行时间.随后可以通过离子的质量与电荷比来计算原子成分；例如，质量与电荷比为54道尔顿（Da，或等同于原子质量单位，AMU）可能对应铁的某一特定同位素（⁵⁴Fe），而²⁰⁶Da则对应铅的同位素（²⁰⁶Pb）.

为了使这一技术能够工作，穆勒和他的同事需要将电压以快速脉冲系列的形式施加，这样每个电压脉冲都可以标记蒸发离子的飞行时间（TOF）测量的起始点.这种依赖电压脉冲的方法意味着原子探针断层扫描（APT）最初仅限于分析良好导电的材料，特别是金属合金，如耐火金属、钢、铝合金、镍基超级合金、金属玻璃等.

1980年，美国圣迪亚国家实验室的Tien Tsong和Gary Kellogg发现通过激光脉冲实现场蒸发的方法，从而使APT能够应用于非导电材料，如半导体、氧化物、陶瓷、聚合物以及地质和生物材料.首批商用APT系统——使用电压脉冲——于20世纪80年代中期开始出现.到了20世纪80年代末，英国牛津大学的Alfred Cerezo、Terence Godfrey和George Smith开发出了一种对位置敏感的探测器，将穆勒的单维原子探针变成了富有细节的三维原子探针.这种位置敏感探测器能够同时测量离子的飞行时间和撞击位置，这直接与样品中原子的原始位置相关联.研究人员不仅可以分析样品的化学成分，还能够研究其形貌及元素的空间分布.

这一新版本的APT取得了极大成功，但仍然存在一些限制：收集数据可能需要几天时间，且视场范围较小（约25 nm）.这些限制在21世纪初通过引入局部对电极得以克服.通过将对电极与样品之间的距离减小到50 μm左右，可以在较低电压下产生更高的电场，从而提高电压脉冲频率并扩大视场范围.这种被称为局部电极原子探针（LEAP®）的方法现在几乎被所有现代商用系统所采用.LEAP技术结合了扫描原子探针和聚焦离子束（FIB）制备样品的方法，使得APT能够以更高的分辨率和更快的速度收集数据.LEAP能够在大约200 nm宽的视场内，以高达百万分之一的质量分辨率收集数百万个原子.

总结起来，APT技术的发展经历了从1D分析到3D分析的飞跃，在地球科学、材料科学、纳米技术、化学等领域具有广泛的应用前景，其高分辨率和高灵敏度使其成为研究微观结构和成分信息的重要工具.随着APT技术的不断改进，其应用领域将会更加广泛，性能也将进一步提升.

1.3　三维原子探针工作原理

APT是一种先进的纳米科学表征技术，通过逐个提取固体材料中的原子并将其转化为带电离子，然后利用电场将这些离子分离和检测，最终构建样品的三维原子结构和化学组成模型.APT工作原理的基本过程可以称作场蒸发.在这个过程中，材料表面的高电场在低温下诱导原子的解吸和电离.具体来说，当施加电场强度达到10¹⁰ V/m或更高时，电子可以通过隧穿过程从表面原子中被剥离出来.这种高电场通常是通过对非常尖锐的样品施加适度的电压（通常在5~10 kV范围内）来产生的.

典型的APT装置包括样品安装座、带有孔径的局部电极和二维探测器.在分析过程中，样品上施加正电位，而对电极则位于样品和探测器之间并接地或带负偏压.为了诱导表面原子的电离，可以定期施加脉冲电压（例如，样品上的正电脉冲或对电极上的负电脉冲）或激光辐照引起的热脉冲.一旦原子被电场蒸发并转化为正离子，它们会被加速并朝向对电极运动.最终，这些离子会到达探测器并被其纪录撞击位置.位置敏感探测器会记录每个离子的命中位置，其累积形成样品尖端表面的投影图像.由于探测器约100 mm宽，而样品尖端约100 nm宽，这样的投影图像可以实现约一百万倍的放大.在这种放大下，原子间距离为0.2 nm的结构可以在探测器上被分辨为0.2 mm，这个长度对于现代探测器技术来说是易于实现的.最新的APT系统具有0.3~0.5 nm的横向分辨率和0.1~0.3 nm的深度分辨率；相比其他分析技术，这种分辨率具有巨大的优势.

从操作来说，首先要利用聚焦离子束制样技术（FIB）制备一个针尖状的样品.要想让固体样品中的原子一个个“跑出来”，需要在脉冲激光和外加电场的辅助下来实现场蒸发.经过几次聚焦离子束（FIB）打磨，最后就能得到很细的“针尖”.得到这个“针尖”后，就可以进行APT分析.在APT分析中，通过测量离子到达探测器的时间顺序，可以确定它们在样品中的z坐标（即沿样品长轴的深度）.同时，离子在探测器上的命中位置对应于样品的x和y坐标.这样，通过结合x、y、z坐标的数据和飞行时间质谱仪的结果，可以重建目标材料在原子尺度上的三维化学组成模型.

随着仪器的进步，APT对地质样品的分析能力虽有所提升，但从原始APT数据中生成有意义的信息仍面临一系列挑战.例如，不同的离子可能具有相似或相同的质量电荷比，使得识别变得困难；同时，蒸发不同原子所需电场的变化也可能影响确定它们在样品中的相对位置.尽管如此，最新的APT软件通常能够应对这些挑战和其他问题，并以多种不同格式展示分析结果.这些格式包括具有不同质量电荷比的离子在原始质谱中以独立峰值形式出现的图像，显示整体元素组成的样品3D图像，通过这些3D图像的单个切片，可获得样品中特定元素的分布图，以及特定体积的化学成分图.

综上所述，APT技术通过逐层蒸发样品表面的原子并记录这些原子的空间位置，最终构建出样品在纳米尺度上的精确三维模型.从原理上来说，APT适用于矿物和固体材料，所以目前分散在液体中的纳米材料是不能用来直接检测的.同时，考虑到APT的制样过程，被测试的样品粒径在几十到几百纳米之间比较合适的.这种技术在材料科学、地球科学、纳米技术和半导体研究等领域具有重要应用价值，为研究人员提供了深刻洞察样品内部结构和化学成分分布的视角.

2 生物矿化及其相关研究

生物矿化一般是指在生物体的直接控制下，生物体从局部环境中选择性吸收元素，并将其掺入到具有层次结构的有机或无机材料中；最终形成的矿物被称为生物矿物（Mann， 2001）.这一过程由生物体的生理和化学活动调控，例如通过特定的酶或蛋白质引导矿物的形成.但实际上生物矿化的含义非常宽泛，既可指代有机质分解为二氧化碳或转化为碳酸盐矿物，有时也可指代生物体在地质埋藏中逐渐形成化石.生物矿化过程中生物的高度调控使得生物矿物具有特殊的性质.生物矿物在生物圈中广泛存在，常见于珊瑚礁、石灰岩洞穴等环境，以及藻类和硅藻的硅质壳中（Lowenstam and Weiner， 1989）.这些海洋中的生物矿物沉积，特别是在碳吸存和矿化过程中，对碳循环产生了直接影响，并对海洋化学和最终的全球气候变化产生重大作用（Suzuki and Kawahata， 2003； Worden et al.， 2015）.生物矿物最重要的功能之一是为生物骨骼提供足够的机械强度和韧性，因为它们在不断适应环境变化.因此，许多生物矿物的机械性能远远优于合成矿物，这主要归功于其独特的成分特征和结构组织（Meldrum， 2005； 图3）.

与传统的成核与生长模型结晶途径不同，生物矿物形成和发育过程中的构建单元是无定形前体和纳米晶体，这些构建单元在骨骼、牙齿、珊瑚、软体动物壳、海胆刺等各种结构中均存在（Jehannin et al.， 2019）.生物矿物以其独特的微观结构和成分特征，不仅在提供机械支持、耐久性和生物兼容性方面表现出色，还能够实现多种生物和机械功能.这些特性为仿生材料的设计提供了丰富的灵感，极大地推动了生物医学的进步.然而，这些结构的特殊性也可能引发一些健康问题，如骨质疏松和龋齿等.因此，在这种背景下，研究生物矿物应站在材料化学、环境科学和生物医学等领域技术发展的前沿，深入探讨其成分和结构的奥秘.这不仅是开发功能性和治疗性材料的重要策略，更是设计仿生和生物启发型材料的关键所在.全面了解生物矿化过程中的产物，是探索生物矿化过程的起点，也是推动相关技术和工程进步的基础.这样的研究不仅对开辟新型仿生材料的道路具有不可替代的意义，还能为解决实际健康问题提供科学支持.

目前，研究生物矿物及生物材料结构和组成的技术正日新月异，每种技术都有其独特的优点和局限性（Grandfield et al.， 2022）.对于大多数技术，通常需要在分辨率和样品体积之间进行权衡.根据骨骼不同尺度下的结构单元，笔者展示了不同体积的生物特征所需的分辨率，以及与之相对应的分析技术（图3）.以骨骼为例，从微米级的骨单位到亚纳米尺度的胶原纤维，常见的分析方法包括X射线计算机断层扫描（XCT），该技术在捕捉微米级特征（如骨单位和骨细胞）方面具有优势，但缺乏高分辨率或详细的元素信息；同步辐射断层扫描工具（SXCT）则能够提供更高分辨率，尤其在纳米范围内（Wittig et al.， 2022）.聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB⁃SEM）可以提供从数十微米到纳米级的清晰度，而透射电子显微镜（TEM）则能以更高的纳米级分辨率探测胶原纤维和纳米颗粒等成分.然而，矿物‒微生物相互作用的研究在原子尺度上仍然较为稀缺，尤其是在亚纳米级获取化学信息的技术上仍存在空白.这表明，尽管现有技术已经取得了显著进展，但在细致入微的原子级分析方面，仍有进一步发展的空间.

近年来，APT在有机物研究中的应用逐渐成为一个新兴领域.迄今为止，APT在生物矿物（Biominerals）和生物材料（Biomaterials）研究中的贡献尤为突出.Gordon and Joester（2011）首次强调了APT在生物矿物研究中的应用.他们成功利用APT数据揭示了牙釉质中镁和氟等重要元素的纳米尺度分布，进一步加深了对海洋生物壳体纳米结构的理解，并推动了磷灰石、骨骼以及生物碳酸盐岩等方面的研究.这项工作为APT在越来越多的有机物分析中的广泛应用奠定了基础，包括骨骼、牙釉质、海洋生物的碳酸盐、合成生物陶瓷和生物玻璃等生物材料和生物界面的研究.

3 APT技术在矿物‒微生物互作与生物矿化方向的研究进展

APT能够对纳米级固态物质进行元素及同位素的三维映射，具有亚纳米级的空间分辨率和百万分之一范围的化学灵敏度.这一独特的亚纳米分辨率与三维成分数据的结合，填补了生物矿化研究中表征工具的空白.APT在分析生物矿物和生物材料的结构组织，尤其是结构中的基本单元方面展现出强大的功能，例如骨组织中的胶原纤维和羟基磷灰石晶体，合成生物材料中的纳米颗粒或微量元素包裹体，以及功能性生物界面上的纳米级成分（Grandfield et al.， 2022）.以下，本文总结了几个来自矿物‒微生物互作与生物矿化方向（包括生物矿物、微生物残存标志以及生物材料等）的研究实例.

3.1　生物矿化与生物矿物

生物组织通常是具有分层结构的纤维复合材料，例如牙齿和骨骼（Fratzl and Weinkamer， 2007）.它们的基本成分主要由碳酸化羟基磷灰石纳米晶体和胶原蛋白组成.这些成分通过有序组装形成复杂的分层结构：从纳米级的单个胶原纤维和矿物纳米片，到骨组织中的骨单位（哈弗斯系统）和板层结构，以及牙齿中管周牙本质与管间牙本质的微观结构单元；再到宏观尺度的骨小梁与皮质骨，以及牙齿中包裹牙本质的牙釉质.这类生物组织通常具备优异的机械性能（如高韧性和高硬度）和生物功能（如维持钙稳态）.这些性能直接依赖于生物组织在不同长度尺度上结构的高度适应性（Fratzl and Weinkamer， 2007）.因此，深入理解生物组织的复杂分层结构对于揭示其结构与机械功能的关系，以及阐明生物矿化机制，具有重要意义.

3.1.1　牙齿

近年来，随着成像技术与图像处理算法的不断进步，研究人员能够在三维水平上可视化矿化胶原纤维的精细结构特征，并进一步阐明其结构层次.APT技术凭借高分辨率的三维原子成像与精确的化学成分分析，能够在亚纳米尺度上探测骨骼和牙齿中的矿物相及微量元素组成，揭示生物矿物的微观结构与化学特征，识别生物标志物，并对不同环境下的矿化过程进行比较分析.APT为生物矿物研究提供了强有力的工具.特别是在牙齿组织中，由于有机含量较低，APT制样更具可行性，近年来也因此涌现出大量关于牙齿矿化组织的研究成果.前文提到，Gordon and Joester（2011）首次强调了APT技术在牙齿研究中的应用.作者通过APT技术展示了海洋软体动物石鳖牙齿磁铁矿帽中几丁质有机纤维的元素分布，发现大多数有机纤维与Na或Mg共存（图4a）.在这一实例中，APT凭借其高三维空间分辨率和对绝大多数元素的超高灵敏度，检测到单个有机纤维具有不同的化学组成（即选择性结合Na⁺或Mg²⁺）.这一发现表明，不同元素在控制纤维形成、矿物沉积、基质‒矿物相互作用以及最终影响牙齿机械性能方面发挥着不同的功能作用.该研究表明，APT技术能够揭示有机‒无机界面中的结构与化学复杂性.APT凭借其对纳米级界面化学与结构异质性进行定量分析与可视化的强大能力，为深入理解生物矿物以及合成有机‒无机复合材料提供了重要支持.另一个典型的应用实例是针对哺乳动物牙釉质的APT研究.牙釉质是牙齿的主要组成部分，经过数百万年的进化，具有承受巨大咀嚼力、抵抗机械疲劳和耐磨损的优异性能.牙釉质的结构呈现高度分层特征，由较软的牙本质核心（主要由胶原蛋白与羟基磷灰石组成）和坚硬的牙釉质层（主要成分为羟基磷灰石）共同构成.牙釉质的硬度（高达5 GPa）主要源于其较高的矿物质含量（约96%，质量含量，后同）（王本和唐睿康， 2013）.牙釉质的主要成分是羟基磷灰石，但同时也含有少量的镁（0.2%~0.6%）、钠（0.2%~0.9%）、碳酸盐（2.7%~5.0%）和氟化物（约0.01%）.这些次要成分的分布通常在几十到几百微米的尺度上发生变化，但最新研究表明，微纳米级别的梯度分布同样存在.通过APT技术的高分辨率分析，研究人员详细探讨了啮齿动物牙釉质中Mg²⁺的分布特征及其对材料物理和化学性质的影响（图4b）.APT结果显示，大部分Mg以镁取代的无定形磷酸钙（Mg⁃ACP）的形式存在于晶体间隙中，起到了控制牙釉质溶解性和调节机械性能的重要作用（Gordon et al.， 2015）.在有色素的牙釉质中，水铁矿和无定形铁钙磷酸盐的混合物取代了更易溶解的、镁取代的无定形磷酸钙（Mg⁃ACP），使其表现出更高的硬度和更强的抗酸性侵蚀能力.通过APT技术提供的精确化学成分与结构信息，研究人员得以深入理解牙釉质的降解机制，为改进牙齿防护材料提供了重要的科学依据.与石鳖和啮齿动物的牙齿相似，人类牙齿具有高度分层的结构.牙釉质的机械强度与抗疲劳性能源于其周期性排列的羟基磷灰石晶体，但其结晶过程及机理仍不明确.DeRocher et al.（2020）通过APT技术研究了单个牙釉质晶体中的纳米级成分梯度，发现羟基磷灰石纳米晶体是牙釉质的基本组成单元.这些晶体具有层状结构，包括两层富镁纳米层和一层富含钠、氟离子与碳酸根的核心（图4c）.此外，La Fontaine et al.（2016）首次利用APT技术直接观察到成熟人类牙釉质中羟基磷灰石晶间相含有富镁无定形磷酸钙（Mg⁃ACP）（图4d）.研究人员还发现，牙釉质边界处的Mg⁃ACP相在酸性环境中易于溶解，表明牙齿腐烂主要通过沿着牙釉质棒边界的晶间相溶解而发生.这些发现支持了后经典牙釉质形成理论，即牙釉质的形成过程依赖于晶间相的演化.APT技术的这一系列观察结果为通过更精确的模型改进牙釉质的机械性能与抗磨损行为提供了重要依据，特别是结合晶间ACP相的真实特性，以优化牙齿的防护能力.

3.1.2　骨骼

使用APT技术研究哺乳动物（包括人类）骨骼已成为近年来的研究热点之一.骨骼是一种功能性材料，主要由两部分组成：有机胶原相和无机矿物相.作为一种复杂的分层材料，深入了解骨骼结构及其纳米级成分，对揭示健康与病理状态下的生物矿化机制具有重要意义.Langelier et al.（2017）首次结合透射电子显微镜（STEM）和APT技术，在原子水平上揭示了人体上颌骨的三维结构.他们发现，矿化胶原纤维中无机矿物（富钙）与有机基质（富碳）域之间存在显著的空间相关性.此外，研究还表明，人类骨骼中的微量元素Mg和Na与骨矿物质及胶原纤维之间存在密切联系.其中，富含Na的有机物被发现对矿物质和胶原蛋白之间的结构连接起着关键作用（图4e）.另一个例子是关于兔股骨板层骨的研究.Lee et al.（2021）通过APT技术提取单个矿化胶原纤维，并以三维亚纳米级精度分析了其成分与结构.研究显示，APT技术的高成分分辨率和空间敏感性能够清晰地将单个胶原纤维（C、N信号）与矿物质（Ca、P信号）分离开来.分析表明，胶原纤维呈现独特的螺旋状结构，而矿物质则分布在胶原纤维的内部及周围区域.矿物化沉积不仅包裹着胶原结构，还嵌入其中，其中大部分矿物质集中于纤维之间的外部空间（图4f）.该研究首次展示了一种在纳米尺度下探究胶原‒矿物排列的新方法，为骨骼矿化过程的机制研究提供了重要思路.

3.1.3　碳酸钙基生物矿物

除了最常见的牙齿和骨骼，生物矿物在广泛的生命系统中存在约60种不同类型，其中常见的包括碳酸盐、卤化物、硫酸盐、二氧化硅、氧化铁、氧化锰、硫化物、柠檬酸盐和草酸盐等（Lowenstam and Weiner， 1989）.其中，碳酸盐生物矿物的化学特征对理解生物矿化过程至关重要，同时也是古气候学和古海洋学等领域研究的核心议题.近年来，APT技术在碳酸钙基生物矿物表征方面的应用取得了重要进展.例如，Branson et al.（2016）利用APT技术对有孔虫碳酸盐骨架的化学结构进行了分析，揭示了有机模板表面阳离子的组成，发现嵌入外壳中的有机模板含有Na和Mg，这些元素局部影响了贝壳的元素分布.研究表明，在生物矿化过程中，除了钙离子（Ca²⁺）外，其他元素（如Na）也可能在碳酸钙（CaCO₃）晶体的成核中扮演重要角色（图4g）.Pérez⁃Huerta and Laiginhas（2018）通过APT技术对贻贝壳方解石的矿物‒有机界面进行了纳米级化学表征，研究显示，方解石尖端样本的三维重建中存在有机基质域，其特征为局部阳离子的损耗和C、O的富集，其中¹⁶O原子相对于周围矿物相的含量至少增加1%.这是首次对碳酸盐生物矿物的晶间有机基质化学组成进行原位量化和比较，为进一步理解生物碳酸盐的形成机制提供了新视角（图4h）.此外，Pérez⁃Huerta et al.（2019）还通过APT技术研究了合成碳酸盐晶体中有机成分的分布，重点分析了单晶中几丁质的掺入情况.研究表明，几丁质无论是降解后还是以纳米纤维形式存在，均倾向于与水和水合氢分子形成离散簇（2~5 nm），而不是在晶体内形成三维网络（图4i）.这一发现证明APT技术在解析非生物和生物碳酸盐晶体内部有机成分方面具有独特优势，总体研究结果进一步表明APT技术是一种理想的工具，不仅能够表征碳酸盐生物矿物的结构和成分，还能够深入揭示生物矿化的化学机制，为模拟和改进合成材料的矿化过程提供了重要参考.

3.2　微生物残存的纳米‒原子尺度信号

生物矿化过程中形成的生物矿物是生命存在和代谢活动的直接证据 （Perry et al.， 2007； Pérez⁃Huerta et al.， 2018）.然而，识别地质历史时期的生物标志物或生命信号长期以来是一项具有挑战性的任务.原因在于，无机过程可能模仿或改变生物矿化矿物的形态和化学特性，这使得区分生物矿物与无机矿物变得复杂 （Javaux， 2019）.这一问题在分析年代较为久远的样品时尤为突出，因为成岩作用和降解过程可能会显著改变生物信号，模糊其原始信息，进一步增加了评估生物来源信息的难度.早期研究主要依靠形态学相似性、有机分子结构和化学成分分析，并结合岩石学观察来区分生物和非生物产物.然而，这些方法往往因标准的相对宏观性和不确定性引发争议.随着现代分析技术的不断进步以及对当代生物同位素分馏过程的深入研究，学者们逐渐开始采用结合地球化学和同位素特征数据的方式对相关样品进行甄别.尽管这一方法显著提高了分辨率，但微米至毫米尺度混合信息的现象依然是讨论的焦点.当矿物的尺寸缩小到纳米级时，鉴定的难度进一步增加，因为有机物的识别及其化学特性往往接近或低于常规显微镜和光谱技术的分辨率.因此，在识别退化的生物标志物并明确其化学特性时，需要依赖更高空间分辨率的分析技术.在这一背景下，能够达到纳米至原子尺度的分析方法变得尤为重要，为揭示地质历史中的生物信号提供了新的解决途径.

三维原子探针（APT）技术以其亚纳米级的空间分辨率和高清的原子级三维成像能力，成为一种前沿的表征技术.APT能够在亚纳米尺度上识别每个原子的化学特性及其三维位置，展现出发现纳米尺度生命信号的巨大潜力.然而，在分析古代地质样品中的生物矿物时，APT技术也面临诸多技术挑战.对于现代生物矿物，由于其保留了原始的化学成分和结构，未经历明显的降解，使用APT技术进行分析的难度较低.而古代生物矿化矿物往往经历了降解和转化，内部的化学成分和结构变得更加复杂，这为APT的检测带来了更大的挑战.尽管如此，通过APT技术表征化石生物矿化样品中亚纳米尺度的成分和结构特征，对于建立一种稳健的方法以识别古代样品中的纳米尺度生物标志物仍具有重要意义.以下将重点介绍两个APT技术应用于生物标志物检测与鉴定的案例.

第一个重要的例子来自于磷灰石的研究.磷灰石结构致密，分布广泛，是一种典型的生物矿物，在形成过程中能够同时记录生命信息和环境信息 （Kolodny et al.， 1983）.近年来，利用三维原子探针（APT）技术分析现代生物磷灰石（如牙齿和骨骼）的研究取得了显著进展.最近，Gao et al.（2024）利用APT技术对比分析了无机杜兰戈磷灰石和牙形石化石磷灰石，首次确认牙形石中的有机成分以富含碳（C）和氮（N）的纳米级颗粒形式存在，颗粒核心的碳和氮总浓度超过40%（图5a）.该研究首次将APT技术应用于地质历史时期的化石样品，成功可视化并解析了牙形石中残存有机成分的存在形式及其保存状态.研究结果表明，纳米级碳‒氮耦合信号可作为区分生物矿物与无机矿物的关键化学指示器.这一技术和方法不仅为研究早期生命提供了新的突破口，还为外星生命生物标志物的识别开辟了重要方向，展现了广阔的应用前景.

第二个例子是关于纳米磁铁矿的研究.趋磁细菌（MTB）产生的磁铁矿晶体是通过生物控制过程形成的纳米级矿物的理想实例.生物成因的磁小体状磁铁矿颗粒被认为是地球地质记录中微生物活动存在的有力证据 （Kopp and Kirschvink， 2008； Baumgartner et al.， 2013； Uebe and Schüler， 2016）.Pérez⁃Huerta et al.（2022）提出了一种利用APT技术直接区分趋磁细菌（MTB）生物矿化形成的磁铁矿纳米晶体成因的方法.研究表明，MTB产生的磁铁矿呈现出清晰的耦合C⁃N信号，这一特征在非生物成因和仿生（蛋白质介导）纳米级磁铁矿中均未观察到（图5b）.研究结果表明，这种直接且独特的纳米级地球化学特征可以将磁铁矿纳米晶体以及其他类似尺寸的生物矿物明确归因于生物成因.这一发现不仅为地球地质记录中寻找早期生命提供了新的证据，还对探索其他行星上可能存在的生命具有重要意义.

3.3　生物材料

三维原子探针（APT）技术不仅能够以亚纳米分辨率同时获取材料的成分和结构信息，还可以深入解析合成生物材料的结构‒性能关系.在纳米尺度上，APT在揭示材料化学分布、微结构特性以及界面反应机制方面展现了独特的优势.这一技术为优化生物医学材料性能和开发新型材料提供了强有力的支撑，具有广泛的科学研究价值和应用前景.接下来，笔者将重点介绍三维原子探针技术在生物活性玻璃、磷酸钙基陶瓷、玻璃陶瓷和复合材料中的应用.

生物活性玻璃是一种具有生物活性和生物相容性的无机材料，在体液中能够发生表面矿化反应，生成类似骨矿物的磷灰石层，从而与骨组织和软组织形成化学键合.其良好的可调控性使其能通过调节成分来优化降解速率、机械性能和离子释放行为，不仅能够促进骨再生，还具有抗菌和软组织修复的潜力.生物活性玻璃已被广泛应用于骨修复、牙科植入物涂层以及组织工程支架等生物医学领域（Rahaman et al.， 2011； Jones， 2013）.近期，Ren et al.（2022）利用三维原子探针（APT）技术研究了含Sr生物活性玻璃颗粒及基于Sr释放的生物活性玻璃支架.研究总结了这种非导电生物材料在APT样品制备和实验中所面临的挑战，并提出了相应的解决方案.通过使用聚焦离子束（FIB）技术制备APT样品，并优化实验条件，研究显著提高了生物活性玻璃基支架APT样品的制备成功率.研究指出，APT分析的最佳实验条件为：30 K的样品阶段温度、200~250 pJ的激光脉冲能量、0.3%的检测率以及200 kHz的脉冲频率.在这一系列优化条件下，生物活性玻璃APT实验样品的成功率达到了90%.这一研究不仅为APT技术在生物活性玻璃样品中的应用提供了有效的技术指导，也为进一步研究体内生物材料中Sr的释放行为奠定了重要基础.

磷酸钙基陶瓷是一类以磷酸钙化合物为主要成分的生物陶瓷材料，因其与天然骨组织中的矿物成分高度相似，展现出优异的生物相容性和生物活性 （Kalita et al.， 2007； Jeong et al.， 2019）.磷酸钙由钙阳离子和磷酸根阴离子组成，是人体骨骼中60%以上的无机成分 （LeGeros， 2008； Jeong et al.， 2019）.这类陶瓷能够促进骨组织再生，并在体内部分降解，其降解产物对人体无毒无害.因此，磷酸钙基陶瓷被广泛应用于骨修复、骨填充剂、牙科植入物和组织工程支架，是骨科与牙科领域的重要生物材料.常见的磷酸钙基陶瓷包括羟基磷灰石（HAp）、磷酸三钙（如β⁃TCP）及其复合材料，其中羟基磷灰石因与哺乳动物硬组织中的矿物相最为接近，在生物医学工程中得到了广泛研究 （Weiner and Wagner， 1998）.磷酸钙类陶瓷的低原子序数和较高的光束灵敏度，使其在透射电镜（如EDS或EELS）分析中难以被区分不同端元的磷灰石.Gordon et al.（2012a）利用三维原子探针（APT）技术对合成的羟基磷灰石、氟磷灰石和氯磷灰石进行了分析，尽管它们在结构和组成上高度相似，APT结果仍揭示了具有诊断性的元素特征分布，为不同端元磷灰石的指纹型鉴别提供了新方法.此外，Gordon et al.（2012b）还利用APT技术分析了象牙和大鼠股骨皮质骨中的磷灰石矿化组织，发现这些组织中包含多种无机替代物和有机分子（图6a）.研究显示，有机纤维与离子结合表现出特异性，例如倾向于与高浓度的钠离子共存，但不与镁离子选择性结合.这些发现表明，三维原子探针目前是唯一能够在此尺度上检测生物材料化学异质性的技术，为理解磷酸钙基陶瓷的组成和功能提供了新视角.

羟基磷灰石纳米颗粒在医学领域的应用越来越广泛（Ferraz et al.， 2004； Loo et al.， 2010），但由于复杂而微妙的纳米级组织结构，其结构‒功能关系尚未被完全理解.Mosiman et al.（2021）开发了两种方法，通过使用Al₂O₃（原子层沉积）或Au（溅射涂层）封存羟基磷灰石纳米颗粒，并将其制备成适用于三维原子探针（APT）分析的尖端样品（图6b）.该技术突破为深入研究羟基磷灰石纳米颗粒的纳米尺度空间化学特性奠定了重要基础.Metoki et al.（2018）首次利用APT技术研究了电沉积磷酸钙涂层，使用Au作为基底.APT分析结果显示，涂层的厚度为几十纳米，其组成主要为无定形钙磷（ACP）、二水合二磷酸钙（DCPD）和八磷酸钙（OCP）的混合物（图6c）.这些前驱相被认为是最终转化为羟基磷灰石的过渡阶段.此外，随着涂层的逐渐形成，APT数据揭示Ca/P原子比率逐渐升高，同时涂层呈现出多孔结构，密度也发生了变化.该研究首次通过APT技术在原子级别表征了电沉积钙磷涂层，成功识别了前驱相的存在，并表明这些前驱相转化为更稳定羟基磷灰石的过程较为缓慢，从而使其能够被详细观察.这一研究为深入了解体内生物矿化机制及仿生羟基磷灰石涂层的设计与合成提供了新的思路和关键见解，彰显了APT技术在纳米尺度化学表征中的独特价值.

玻璃陶瓷是一种同时具备玻璃和陶瓷特性的材料，通过受控晶化工艺可以形成特定的晶体结构，在医疗领域应用广泛，特别是在骨替代材料和植入物方面.其优异的机械性能（如硬度和韧性）以及良好的热稳定性，使其成为骨组织工程和修复的理想生物材料之一 （Höland et al.， 2006； Fu et al.， 2020）.Mitchell et al.（2021）结合三维原子探针（APT）、透射电子显微镜（TEM）和核磁共振光谱学（NMR）技术，研究了透明铝锌尖晶石玻璃陶瓷及其前驱玻璃的纳米尺度微观结构和化学组成.研究表明，在退火前驱玻璃中，ZrO的聚集是ZrO₂成核和结晶的第一步.在玻璃陶瓷中，铝锌尖晶石（ZnAl₂O₄）晶粒与ZrO₂相邻存在，而非以核壳结构形式分布（图6d）.这些发现解答了透明铝锌尖晶石玻璃陶瓷在成核、元素分配、微观结构及残余玻璃成分方面的一些未解问题.Fu et al.（2021）利用APT技术在原子尺度上揭示了ZrO₂纳米晶体与SiO₂基质的三维分布.研究表明，ZrO₂纳米晶体具有独特的核壳结构，表现为以ZrO₂固溶体为核、Zr/Si界面层为壳的薄层结构.此外，钇掺杂剂在ZrO₂晶粒边界和ZrO₂/SiO₂异相界面表现出显著的界面偏析.APT技术的三维分离分析能够精确描绘玻璃陶瓷内部掺杂原子的空间分布并进行定量分析，为理解界面分离行为及其如何影响或控制材料的化学和物理性质提供了重要的机制洞见.这些研究结果为优化玻璃陶瓷的设计和性能调控提供了重要科学依据.

复合材料是由两种或两种以上具有不同性质的材料通过多种工艺手段组合而成的新型材料，因其综合性能显著优于单一材料，成为一种具有广泛应用前景的生物医学材料（郝建原和邓先模， 2002； 王畅和陈晓明， 2007）.通过将不同材料的优点相结合，复合材料具备了单一材料无法达到的性能.近年来，三维原子探针（APT）技术在复合生物材料研究中的应用逐渐增多，提供了独特的纳米级化学和结构解析能力.一个典型的例子是对硅（Si）的研究.硅是一种在生物医学研究中被广泛使用的材料，具有生物相容性和可降解性，同时展现出优异的电学、光学、热学和机械性能 （Tasciotti et al.， 2008； Kim et al.， 2012）.Jiang et al.（2016）利用APT技术研究了介观尺度硅的结构和化学异质性，为理解其生物相容性和可降解性提供了新的视角（图6e）.另一个例子来自抗菌生物材料的研究：Yang et al.（2018）将APT技术应用于含银纳米颗粒的Ti⁃6Al⁃4V金属基质纳米复合材料，研究表明银不仅以富含银的10~20 nm颗粒形式存在，还以单质银的形式分布，并与Ti⁃6Al⁃4V基质形成了固溶体（图6f）.这一发现揭示了银在抗菌复合材料中的独特分布特征及其与基质的相互作用.值得注意的是，复合生物材料种类繁多，包括金属、陶瓷、聚合物及其复合结构，甚至涉及纳米材料的复合体系，APT技术因其卓越的空间分辨率和化学灵敏度，成为这一领域研究中不可或缺的工具，为理解和优化复合材料的结构和性能提供了重要支持.

APT（原子探针断层扫描）在同位素研究中同样具有重要应用，尤其是在研究元素交换和反应机制时.通过与示踪同位素（如⁵⁷Fe）结合，APT能够精确地分析和跟踪同位素在纳米尺度上的分布和交换过程.在铁的氧化还原反应中，APT能够揭示铁（II）和铁（III）矿物（如针铁矿和赤铁矿）中同位素的分布特征，观察原子交换前沿的空间异质性以及其在晶格中的渗透深度 （Taylor et al.， 2019）.此外，APT能够通过高分辨率的三维重建，分析同位素的交换过程与微观缺陷、晶界等因素的关系，从而提供对同位素动态的更深入理解.这种技术使得在原子尺度上进行同位素示踪成为可能，为研究催化反应、元素迁移和矿物重结晶等过程提供了全新的视角.

4 局限性与展望

APT技术因其能够提供纳米级元素和同位素信息以及对一系列地质过程进行原子级剖析的潜力，近年来在地质学研究中得到越来越广泛的应用.然而，这一技术在实际研究过程中仍存在一些需要注意的局限性.首先，APT的样品制备是一个耗时且成本较高的过程，通常需要通过FIB⁃SEM技术制备针状样本.而在实际操作中，样品的现场定位往往需要结合多种分析技术进行综合处理，这不仅增加了时间成本，还提升了操作的复杂性.因此，APT技术的广泛应用离不开前期表征技术的支持.尽管许多前期处理工作可以在远程站点完成，无需与APT设备共享，但一旦制备出精密的APT样本，应尽量减少样本运输，以避免样本损坏或污染.为简化APT样本的制备和表征流程、提高效率，在APT设备现场配置完善的FIB⁃SEM设备，以及透射电子显微镜（TEM）或透射电子背散射衍射（TKD）等辅助表征工具，将大大优化样本制备的工作流程，减少样本的处理周期.这种集成化的仪器布局，不仅能够提升APT技术的整体效率，还为地质样品的精准分析提供了更便捷的支持.

原子探针断层扫描（APT）作为一种高分辨率的破坏性分析技术，在实验科学研究中面临着样品代表性和数据可比性方面的关键挑战.由于APT的工作原理需要通过逐层剥离样品以获取原子级分辨率，这一过程使得样品在分析中被完全消耗，无法进行重复实验或直接验证分析结果.因此，实验必须假设所选样品具有代表性.然而，样品的异质性以及制备过程中的偏差可能削弱这一假设的可靠性.此外，在比较来自同一材料不同区域的多个样品时，可比性同样存在不确定性.样品的微观结构差异以及制备条件的变化可能导致分析结果的偏差，从而影响对整体特性的准确理解.因此，APT研究需要重点关注样品制备工艺的优化，开发先进的数据分析工具，并建立统一的实验规范和标准化流程.这些改进措施不仅有助于提升数据的可比性和可重复性，还能增强统计分析的可靠性，为APT技术在更广泛科学领域中的应用提供坚实的基础.

在生物矿化研究领域，生物样品一般偏软，并具有非导电性和异质性的特征，为APT技术的数据采集和重建带来了诸多挑战.APT的基本原理依赖于强电场诱导样品表面原子的场蒸发，但大多数生物材料属于非导电性材料，在施加高电场时容易出现电荷积累现象.这种电荷积累会干扰场蒸发过程，导致数据采集的不连续性或失真.此外，电荷的累积还可能导致样品表面电场分布不均，影响原子的蒸发顺序和检测精度.非导电材料在强电场中也更容易受到损伤或局部过热，可能导致样品结构破坏或信号丢失.为了解决非导电性问题，研究通常采用涂覆导电层（如金属涂层）或低电压操作等方法.然而，这些策略可能引入额外的噪声信号或增加实验的复杂性，从而对结果的准确性产生不利影响.此外，生物材料的复杂结构特征也给APT技术带来了额外挑战.生物材料通常由有机与无机相复合组成，分子级的不均匀分布使得采集和重建过程更为困难.有机与无机界面的蒸发行为差异显著，可能导致重建图像中界面区域的分辨率下降或形貌失真.同时，微量元素的分布方式对APT的检测能力也具有重要影响.如果微量元素分布均匀，APT可能难以检测到其存在；而当微量元素富集为局部团簇或集中在界面区域时，信号会显著增强.然而，这种分布的不确定性增加了实验设计和数据解释的难度，对APT技术在异质性材料分析中的应用提出了更高要求.在样品制备方面，APT分析需要制备尖端样品，而生物材料的非导电性和易损性进一步增加了制备的难度.生物材料通常机械强度较低，容易发生脆裂或变形，这使得制备符合要求的尖端样品变得尤为困难.在聚焦离子束（FIB）制样过程中，离子束可能引发样品局部加热或离子污染，进而对生物材料的分子结构和化学成分完整性产生负面影响.总体而言，这些问题使得生物材料的APT样品制备较常规材料更加复杂，对实验操作提出了更高的技术要求.

针对生物样品的特殊性，一系列措施可有效提高APT技术在矿物‒微生物相互作用领域研究中的准确性和效率.首先，APT可与其他技术方法结合，通过提供必要的先验信息，增强其在数据重建和可视化方面的精度.这种多技术联用是许多APT研究的核心特点.例如，APT常与透射电子显微镜（TEM）、电子能量损失谱（EELS）、纳米二次离子质谱（NanoSIMS）等协同使用，以获得更全面的表征结果.通过将APT与其他微区分析手段联合，研究者能够在提升APT分析能力的同时，为生物矿化领域的研究开拓更多发展的可能性.其次，APT技术的未来发展需要特别关注生物样品中的有机相.生物材料中复杂的有机成分对保留样品的生物特性至关重要.然而，在APT高电场蒸发过程中，有机相容易受到破坏，这对保留样品的完整性提出了挑战.为此，冷冻技术成为一种值得探索的方向.例如，通过将样品冷冻至玻璃态冰（vitreous ice），可以有效避免冰晶形成，从而保护样品的原始结构和生物特性 （Qiu et al.， 2021； Zhang et al.， 2022）.此外，低温转移技术也正在成为APT发展的关键领域.该技术的目标是在样品制备到APT分析的整个过程中保持低温环境，最大程度保护样品完整性.目前，多个研究团队正致力于开发相关的低温转移平台 （Perea et al.， 2017； McCarroll et al.， 2020； Chen et al.， 2021）.最后，由于生物样品具有成分多样性、分子碎裂和信号噪声等特性，APT在数据处理过程中也面临较多挑战 （Gault et al.， 2012）.为提升分析效果，可采用以下方法 （Miller and Forbes， 2014； Moody et al.， 2014； Pérez⁃Huerta et al.， 2019）：建立分子碎片模式库，通过碎片解析还原复杂的有机分子结构；利用数据平滑、多次采样叠加和同位素解析方法降低噪声并优化信号归一化；通过邻近剖面图分析有机‒无机界面处的成分分布，结合体积分割技术独立解析不同区域（如胶原蛋白与矿化区域）；采用聚类算法识别生物样品中的局部富集团簇（如钙‒磷团簇或蛋白质结构）；通过时间序列分析蒸发数据逐层揭示分子分布规律.这些数据处理策略为APT在生物样品分析中的应用提供了更加精确和可靠的解决方案，为生物矿化领域的研究拓展了新的前景.

展望未来，尽管生物矿物、生物材料及其界面的不均匀特性在APT分析和数据处理中带来了诸多挑战，但随着APT硬件的不断改进、冷冻技术的持续发展以及低温转移配套设施的逐步完善，APT技术在生物矿化领域的应用正变得越来越广泛和深入.通过与其他微观表征手段的深度结合，以及数据处理方法的进一步优化，APT有望在生物矿化和复杂生物材料的研究中发挥愈加重要的作用，为揭示微观机制和推动材料科学的发展提供强有力的支持.

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基金资助

国家自然科学基金项目(41930322)

国家自然科学基金项目(42102031)