Reimagining elektronmikroskopi:Bringer high-end opløsning til billigere mikroskoper

Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har for første gang vist, at dyre aberrationskorrigerede mikroskoper ikke længere er nødvendige for at opnå rekordstor mikroskopisk opløsning.

Mikroskopiområdet er midt i en stor revolution. Siden 1800-tallet og opfindelsen af ​​det sammensatte lysmikroskop har der kun været nogle få store spring i opløsning for at se forskellige længdeskalaer:fra bakterier og celler, til vira og proteiner og endda ned til enkelte atomer.

Generelt, da opløsningen har foretaget disse utrolige hop, har prisen på de mikroskoper, der blev brugt til at opnå denne opløsning, også gjort det. Sådanne voldsomme prisskilte begrænser i høj grad adgangen til disse instrumenter. Det nuværende spring i opløsning kommer fra en ny teknik kaldet elektronptychography - en metode, der bruger beregning til at øge opløsningen af ​​elektronmikroskoper - som har taget feltet med storm i de sidste 5-6 år.

Forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign har demonstreret rekordstor opløsning ved hjælp af elektronptykografi på "konventionelle" transmissionselektronmikroskoper (konventionel betydning uden dyre aberrationskorrektorer). Dette bryder trenden med stigende mikroskoppris med stigende opløsning. De var i stand til at opnå dyb sub-angstrøm rumlig opløsning ned til 0,44 ångstrøm (én ångstrøm er en ti-milliard af en meter), hvilket overstiger opløsningen af ​​aberrationskorrigerede værktøjer og konkurrerer med deres højeste ptykografiske opløsninger.

"I de sidste 90-100 år har vores felt tænkt, at måden at lave stor mikroskopi på er at lave bedre og bedre mikroskoper," siger materialevidenskab og ingeniørprofessor Pinshane Huang, der ledede dette arbejde. "Det mest spændende ved vores forskning er, at vi viser, at du ikke behøver et banebrydende mikroskop for at få dette til at fungere. Vi kan tage et "konventionelt" mikroskop og gøre det samme ved at bruge ptychografi, og det er bare lige så godt! Dette er fantastisk, fordi der kan være en forskel på flere millioner dollars i omkostningerne mellem de to opsætninger."

Denne forskning, co-forfattet af den tidligere MatSE UIUC postdoc-forsker Kayla Nguyen, tidligere MatSE UIUC kandidatstuderende Chia-Hao Lee og Argonne National Laboratory personaleforsker Yi Jiang, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science .

Før ptykografi brugte elektronmikroskoper med højeste opløsning en teknologi kaldet aberration-korrektion for at tillade videnskabsmænd at se individuelle atomer. I stedet for at bruge en lysstråle til at sondere en prøve, bruger elektronmikroskoper en stråle af elektroner, fokuseret af elektromagneter.

Elektroner har bølgelængder tusindvis af gange mindre end synligt lys, hvilket gør det muligt for elektronmikroskoper at opløse genstande, der er mange gange mindre, end det kan ses med optiske mikroskoper. Forskere bruger disse mikroskoper til at afkode strukturerne af objekter lige fra spikeproteinet på COVID-19-virussen til arrangementerne af atomer i grafen og mere generelt til at kigge ind i stof for at forstå dets atomare struktur, sammensætning og binding.

En af udfordringerne ved at bruge elektronstråler er imidlertid at fokusere den stråle. "Det er umuligt at lave en perfekt linse til elektroner," siger Huang. "Det, folk har gjort for at kompensere, er at lave 'dårlige' linser og derefter sætte aberrationskorrektorer efter dem, som er en række 'dårlige' linser, der er 'dårlige' på modsatte måder. Sammenfattet laver de 'okay' linser , og det har været guldstandarden for, hvordan vi forestiller os på atomær skala i mindst 20 år."

I optik er en aberration enhver måde, hvorpå en linse afviger fra en perfekt linse. For eksempel kan menneskelige øjne have flere typer af afvigelser, såsom kort- og nærsynethed (øjne kan ikke fokusere på alle afstande) og astigmatisme (krumning af øjeæblet, der forårsager sløret syn).

Lee forklarer, "For elektromagnetiske linser er måden at fokusere disse elektroner på gennem et elektromagnetisk felt. Men vi har ikke en fantastisk måde at kontrollere formen og styrken af ​​det elektromagnetiske felt, hvilket sætter en meget stærk begrænsning på, hvor præcist vi kan fokusere disse elektroner."

I aberrationskorrigeret mikroskopi, den nuværende banebrydende teknologi, er der en ekstra stak linser til at korrigere aberrationerne fra de almindelige linser, som ændrer strålens form, før den rammer prøven. Disse ekstra aberrationskorrigerende linser er, hvor betydelige omkostninger lægges til mikroskopet.

Selvom det er umuligt at lave en perfekt linse, har målet for de sidste 100 år været konstant at lave bedre linser for at minimere aberrationer. Men Huang siger:"Det spændende ved ptychografi er, at du ikke behøver at lave bedre og bedre linser. Det, vi kan gøre i stedet, er at bruge computere."

I stedet for at bruge en stak linseoptik til at fjerne aberrationer, fjerner ptykografi dem beregningsmæssigt. Med en ny generation af detektorer, kaldet hybridpixeldetektorer, der koster et par hundrede tusinde dollars (sammenlignet med aberrationskorrigerede mikroskoper, der koster op til $7 millioner) og computeralgoritmer, kan denne metode fordoble, tredoble eller endda firdoble opløsningen af ​​hvad et mikroskop kan opnå med sine fysiske linser.

Huang og hendes team har vist, at deres tilgang firdobler opløsningen af ​​konventionelle transmissionselektronmikroskoper. Yderligere kan næsten ethvert scanningstransmissionselektronmikroskop nu tilpasses til at opnå avanceret opløsning til en brøkdel af prisen.

Selvom denne tilgang er spilskiftende, bemærker Huang, at ptychografi stadig er en udfordrende teknik, der kræver meget regnekraft. Det kan tage timer at få en enkelt rekonstruktion for at nå den bedste opløsning. Men som med mange andre teknologier går beregningerne ret hurtigt frem og bliver billigere, hurtigere og nemmere at bruge.

"Vi bragte en banebrydende teknik, elektronptychografi, til konventionelle transmissionselektronmikroskoper for for første gang at vise, at et 'middelmådigt' mikroskop kan gøre lige så godt som de dyreste mikroskoper på markedet," siger Huang.

"Dette er betydningsfuldt for de hundredvis af institutioner over hele landet og over hele verden, som tidligere ikke havde råd til banebrydende. Nu er alt, hvad de behøver, en detektor, nogle computere og elektronptykografi. Og når du gør det, kan du se atomverdenen med meget flere detaljer end nogen forestillede sig selv for 10 år siden. Dette repræsenterer et enormt paradigmeskifte."

Flere oplysninger: Kayla X. Nguyen et al, Achieving sub-0,5-angstrom-resolution ptychography in an uncorrected elektronmicroscope, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2029

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering