Elektrontomografiteknik fører til 3D-rekonstruktioner på nanoskala

At forstå den mikroskopiske struktur af et materiale er nøglen til at forstå, hvordan det fungerer og dets funktionelle egenskaber. Fremskridt inden for områder som materialevidenskab har i stigende grad skubbet evnerne til at bestemme disse funktioner til endnu højere opløsninger. En teknik til billeddannelse i nanoskala opløsning, transmissionselektronmikroskopi (TEM), er et eksempel på lovende teknologi på dette område. Forskere har for nylig fundet en måde at udnytte TEM's kraft til at måle strukturen af ​​et materiale ved den højest mulige opløsning - ved at bestemme 3D-positionen af ​​hvert enkelt atom.

Præsenterer deres arbejde på OSA Imaging and Applied Optics Congress 25.-28. juni, i Orlando, Florida, USA, et team af forskere har demonstreret en teknik, der bruger TEM-tomografi til at bestemme 3-D-positionerne af stærkt spredte atomer. Gennem simulering, gruppen viste, at det er muligt at rekonstruere de atomare potentialer med atomopløsning ved kun at bruge billedintensitetsmålinger, og at det er muligt at gøre det på molekyler, der er meget følsomme over for elektronstråler.

"Transmissionselektronmikroskopi bruges meget i både materialevidenskab og biologi, sagde Colin Ophus, Nationalt Center for Elektronmikroskopi, Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, Californien, og et medlem af forskergruppen. "Fordi vi fuldt ud løser den ikke-lineære udbredelse af elektronstrålen, vores tomografiske rekonstruktionsmetode vil muliggøre mere kvantitativ rekonstruktion af svagt spredte prøver, ved højere eller endda atomopløsning."

Svarende til den måde, computeriseret tomografi (CT)-scanninger udført til medicinsk billeddannelse på hospitaler er bygget op ved hjælp af en række todimensionelle tværsnitsbilleder i forskellige trin, elektrontomografi konstruerer et tredimensionelt volumen ved at rotere prøver trinvist, indsamling af todimensionelle billeder. Mens de fleste CT-billeder på hospitaler udføres med røntgenbilleder for at bestemme træk ved større ting som knogler, elektronstrålerne, der bruges i TEM, gør det muligt for forskere at se med betydeligt højere opløsning, ned til atomskalaen.

"Imidlertid, på atomskalaen kan vi ikke negligere prøvens meget komplekse kvantemekaniske virkninger på elektronstrålen, " sagde Ophus. "Dette betyder i vores arbejde, vi skal bruge en meget mere sofistikeret algoritme til at genoprette atomstrukturen end dem, der bruges i en MR- eller CT-scanning."

TEM-opsætningen, som gruppen brugte, målte den energiintensitet, der rammer mikroskopets sensor, som er proportional med antallet af elektroner, der rammer sensoren, et tal, der afhænger af, hvordan elektronstrålen er konfigureret til hvert eksperiment. Ved hjælp af intensitetsdata, den nye algoritme designet af gruppen syede de todimensionelle projicerede billeder til et 3-D volumen.

Gør springet til tre dimensioner med store synsfelter, imidlertid, kan beskatte computere eksponentielt mere end at beskæftige sig med enkelte 2-D-billeder. For at omgå dette, de ændrede deres algoritme til at blive brugt på grafiske behandlingsenheder (GPU'er), som kan udføre mange gange flere matematiske operationer parallelt end typiske computerbehandlingsenheder (CPU'er).

"Vi er i stand til at opnå resultater inden for rimelig tid for realistiske prøvedimensioner, " sagde David Ren, et medlem af teamet.

Med generelt svagere bindinger mellem deres atomer, biomolekyler kan være notorisk vanskelige at studere ved hjælp af TEM, fordi elektronstrålerne bruges til at studere en metallegering, for eksempel, ville typisk rive et biomolekyle fra hinanden. Sænkning af elektrondoseringen i en prøve, selvom, kan skabe billeder, der er så støjende, andre algoritmer, der i øjeblikket er i brug, kan ikke rekonstruere et 3-D-billede. Takket være en mere præcis fysisk model, holdets nye algoritme har evnen.

Nu hvor de har udviklet rekonstruktionsalgoritmen fuldt ud, holdet sagde, at de håber at kunne anvende det, de har observeret fra simuleringer, til eksperimentelle data. De planlægger at gøre alle deres rekonstruktionskoder tilgængelige som open source for det bredere forskningssamfund.