Nye scanningstransmissionselektronmikroskoper til medicinsk og materialeforskning

Forskere i Ben McMorrans fysiklaboratorium ved University of Oregon havde et fantastisk 2018, udgive fire artikler om deres bestræbelser på at bringe nyt liv til at scanne transmissionselektronmikroskoper til medicinsk og materialeforskning.

De har skabt en teknik, STEM holografi, der sender elektroner ad to separate veje, en går gennem en prøve og en ikke. Dette giver dem mulighed for at måle forsinkelsen mellem dem for at skabe et billede i høj opløsning. Det giver forbedret atomopløsning af en prøves ydre struktur og afslører tidligere usete grænseflader mellem en prøve og det underliggende materiale.

Forskerne har testet deres teknik på guld nanopartikler, kulstofsubstrater og elektriske felter. Til sidst, det kan justeres til brug på levende biologiske prøver, sagde McMorran, en lektor i Institut for Fysik.

"Denne teknik giver os mulighed for at studere materialer i høj opløsning, måle dem nøjagtigt og forstå dem bedre, end det var muligt før, " sagde ph.d.-studerende Fehmi Yasin. "Kan vi afbilde biomolekylære materialer ved atomopløsning uden at ødelægge dem? Ikke endnu, men vores teknik er et godt første skridt."

Forskere i Tyskland, Japan og USA teoretiserede for 30 år siden, at en sådan tilgang var mulig, men tilgængelig teknologi tillod dem ikke at demonstrere det som en praktisk billeddannelsesteknik, Sagde Yasin. UO -forskere har nu vist - ved hjælp af mikroskoper ved UO, Lawrence Berkeley National Laboratory og Hitachi Ltd. Research and Development Group i Japan – at STEM-holografi virker.

Teknikken bygger på elektronholografi, endnu et nyligt fremskridt, der kræver state-of-the-art, omkostningseffektive elektronkanoner, specialbyggede blændeåbninger og yderst stabile strømforsyninger til at levere opløsning i atomskala.

"Ved hjælp af fleksibel STEM holografi, en offshoot, vi udviklede i samarbejde med Toshiaki Tanigaki på Hitachi, vi kan nu med mere præcision fange de interessante geometrier af materialer, "Sagde Yasin, "Tidligere har synsfeltet for STEM holografi var begrænset til måske 30 nanometer. Ved hjælp af fleksibel STEM -holografi udvides synsfeltet. "

Det første transmissionselektronmikroskop blev fremstillet i Tyskland af Max Knoll, en elektroingeniør, og Ernst Ruska, en fysiker, i 1931. Den første kommercielle version dukkede op i 1939. Ruska vandt Nobelprisen i fysik for sin indsats i 1986.

Multimillion-dollar mikroskoperne skaber mikrografer, når en elektronstråle passerer gennem et tyndt udsnit af en prøve. Traditionelt i scanning af transmissionselektronmikroskoper, magnetiske felter bruges til at fokusere strålen til en atom-størrelse plet af en prøve. Denne stråle scannes derefter over en prøve, men et stort antal elektroner er påkrævet for at se noget, fordi de fleste af dem går gennem en prøve uden at blive afbøjet.

UO-tilgangen placerer et diffraktionsgitter over en prøve, skaber yderligere bjælker, der rammer prøven og et hologram under den. Det fanger signaler fra elektroner, der ikke er spredt, og detaljer om, hvordan andre bremses, når de passerer gennem en prøve.

Den seneste serie papirer bekræftede, at STEM -holografi matcher computersimuleringer.

"Vi satte elektronmikroskopet i forhold, hvor vi kunne isolere det signal, som vi bekymrer os om, og vi kiggede på flere forskellige slags prøver, "sagde den tidligere UO -doktorand Tyler Harvey, nu postdoc-forsker ved universitetet i Göttingen. "Vi simulerede også billeder af en prøve og fandt ud af, at simuleringerne matchede eksperimentet meget godt."

I et decemberblad ledet af Harvey i tidsskriftet Fysisk gennemgang anvendt , UO -teamet detaljerede teknikken, og hvordan den fungerer teoretisk.

I et separat papir i Nano bogstaver , et team ledet af Yasin viste, at teknikken leverer billeder af kulstofbaserede materialer med subnanometeropløsning. Farve repræsenterer tykkelse, som tilføjer en tredje dimension og forbedrer målingerne.

Billeder var så klare som forventet med lavt antal elektroner, bemærkede forskerne.

"Vi tror, ​​at STEM-holografi vil være et fantastisk værktøj til materialevidenskab og biologi, " Harvey sagde. "Teknikken udmærker sig virkelig ved at afbilde elektriske og magnetiske felter, og det kan gøre det, mens de gør det, de fleste materialer forskere bekymrer sig mest om:at se, hvor atomerne er. "

Evnen til at bruge teknikken på biologiske prøver er langt væk, men at kunne gøre det sikkert kunne have enorme gevinster, sagde Yasin.

"Vi har nu mange lægemidler, der angriber en kræftsammensætning, "Sagde Yasin." Men den sammensætning er ens i hele vores krop, så disse kræftlægemidler angriber både syge celler og kroppens andre celler samtidigt. Hvis vi kendte hvert atoms position i kræftcellen, vi kunne udvikle os meget bedre, mere effektive lægemidler, uden de dødelige bivirkninger."

McMorran skrev først om ideen om at bruge en hologram-tilgang i et papir fra januar 2011 i Science, da han var hos National Institute of Standards and Technology i Maryland.

I sit UO -laboratorium, støttet af National Science Foundation og US Department of Energy, forskere har forfulgt fire områder, som alle søger at forestille sig dele af materialer, der har været svære at opdage.

De fire områder fokuserer på transparente materialer, herunder biomaterialer eller andre organiske molekyler; elektriske felter, såsom ladningen og dens fordeling i enkelte transistorer; magnetiske felter, såsom materialer nu på harddiske og potentielt nyttige i spintronics; og elektroner og qubits, der forventes at blive brugt i kvantecomputere.

"Fire af disse ting fungerer muligvis ikke, " sagde McMorran, der også er medlem af Materials Science Institute og Oregon Center for Optical, Molekylær og kvantevidenskab. "Der kan være en bedre teknik, der ender med at være bedst for nogle. Vi udvikler måske et nyttigt værktøj til at komme til alle fire muligheder eller måske bare en af ​​dem. Lige nu, alle pile peger på alle fire."