Nyt elektronmikroskop ser mere end et billede

Elektronmikroskopet, et stærkt værktøj til videnskab, blev bare endnu mere kraftfuld, med en forbedring udviklet af Cornell -fysikere. Deres elektronmikroskop pixel array detektor (EMPAD) giver ikke bare et billede, men et væld af oplysninger om elektronerne, der skaber billedet og, fra det, mere om prøvens struktur.

"Vi kan udtrække lokale stammer, vipper, rotationer, polaritet og endda elektriske og magnetiske felter, "forklarede David Muller, professor i anvendt og teknisk fysik, der udviklede den nye enhed sammen med Sol Gruner, professor i fysik, og medlemmer af deres forskningsgrupper.

Cornell's Center for Technology Licensing (CTL) har givet opfindelsen licens til FEI, en førende producent af elektronmikroskoper (en afdeling af Thermo Fisher Scientific, som leverer produkter og tjenester til biovidenskaben gennem flere mærker). FEI forventer at fuldføre kommercialiseringen af ​​designet og tilbyde detektoren til nye og eftermonterede elektronmikroskoper i år.

"Det er forbløffende at overveje, hvad forskere rundt om i verden vil opdage gennem dette match af Cornells dybe ekspertise inden for detektorvidenskab med markedsleder Thermo Fisher Scientific, "sagde Patrick Govang, teknologilicensansvarlig hos CTL.

Forskerne beskrev deres arbejde i februar 2016 -udgaven af ​​tidsskriftet Mikroskopi og mikroanalyse .

I det sædvanlige scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM), en smal stråle af elektroner affyres ned gennem en prøve, scanning frem og tilbage for at producere et billede. En detektor nedenunder læser den varierende intensitet af elektroner, der kommer igennem og sender et signal, der tegner et billede på en computerskærm.

EMPAD, der erstatter den sædvanlige detektor, består af et 128x128 array af elektronfølsomme pixels, hver 150 mikron (milliontedele af en meter) kvadrat, forbundet til et integreret kredsløb, der aflæser signalerne-lidt som arrayet af lysfølsomme pixels i sensoren i et digitalkamera, men ikke for at danne et billede. Dens formål er at detektere de vinkler, hvormed elektroner kommer frem, da hver elektron rammer en anden pixel. EMPAD er et spinoff af røntgendetektorer, som fysikerne har bygget til røntgenkrystallografi ved Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), og det kan arbejde på lignende måde for at afsløre atomstrukturen af ​​en prøve.

Kombineret med elektronmikroskopets fokuserede stråle, detektoren giver forskere mulighed for at opbygge et "fire-dimensionelt" kort over både position og momentum for elektronerne, når de passerer gennem en prøve for at afsløre atomstrukturen og kræfterne indeni. EMPAD er usædvanlig i sin hastighed, følsomhed og bred vifte af intensiteter, den kan registrere - fra at detektere en enkelt elektron til intense stråler, der indeholder hundredtusinder eller endda en million elektroner.

"Det ville være som at tage et fotografi af en solnedgang, der viste både detaljer på solens overflade og detaljerne i de mørkeste skygger, "Forklarede Muller.

Forbedringen er også spændende for livsforskere, fordi indsamling af alle de spredte elektroner gør instrumentet meget mere følsomt, ved hjælp af en mindre intens eksponering for at få et billede og begrænse skader på et levende eksemplar.

"EMPAD optager en billedramme på mindre end et millisekund og kan registrere fra en til en million primære elektroner pr. Pixel, pr. billedramme, "Forklarede Muller." Dette er 1, 000 gange det dynamiske område, og 100 gange hastigheden af ​​konventionelle elektronbilledsensorer. "

"Nu kan vi få et bedre kig på processer inde i intakte celler, "sagde Lena Kourkoutis, adjunkt i anvendt og teknisk fysik. Den lave dosis stråling tillader flere eksponeringer, at tage time-lapse "film" af cellulære processer eller at se det samme eksemplar fra forskellige vinkler for at få et klarere 3-D billede. Kourkoutis planlægger at bruge disse teknikker i arbejde med det nye Cornell Center for Physics of Cancer Metabolism, ser på, hvordan kræft udvikler sig fra celle til celle.

Forskerne testede deres første EMPAD ved at installere den i reserveport i et avanceret FEI-mikroskop. Prototypen bruges intensivt til eksperimenter i Cornell Center for Materials Research.