Seksten nanometer i 3D

Tomografi gør det muligt at skildre det indre af en lang række objekter i 3D - fra mobilstrukturer til tekniske apparater. Forskere fra Paul Scherrer Institut (PSI) har nu udtænkt en metode, der åbner nye skalaer for tomografisk billeddannelse og dermed vil gøre detaljerede undersøgelser af repræsentative mængder af biologiske vævs- og materialevidenskabelige prøver mulige i fremtiden. Indtil nu, de relevante detaljer på en skala på få nanometer var kun synlige med metoder, der krævede meget tynde prøver.

Ved hjælp af en speciel prototype opsætning på PSI's Swiss Light Source (SLS) har forskerne nu opnået en 3D-opløsning på seksten nanometer på en nanoporøs glasprøve, en bedrift, der er uden sidestykke for røntgen tomografi. Målingen er ikke-destruktiv, så det giver mulighed for at studere små detaljer i sammenhæng med deres omgivelser eller at analysere større prøvevolumener på en sådan måde, at de opnåede oplysninger påvirkes mindre af lokalt inducerede afvigelser. Opløsningen på 16 nm blev opnået på en prototype af OMNY -instrumentet, som stadig er under opførelse. Den endelige version vil gøre det muligt for forskerne at afkøle prøven under forsøget for at forhindre røntgeninduceret prøveskade.

I hverdagen, vi kender for det meste røntgenbilleder som en medicinsk procedure, der gør det muligt for læger at se inde i menneskekroppen uden at skade patienten. I dag, imidlertid, forskellige billeddannelsesmetoder spiller en rolle inden for en lang række forskningsområder, hvor de muliggør tredimensionel billeddannelse til en lang række applikationer-lige fra biologisk væv, tekniske anordninger såsom katalysatorer, fossiler til antikke kunstværker. Forskere fra Paul Scherrer Institut har nu udviklet et instrument, der gør røntgen tomografi mulig i en hidtil uset 3D-opløsning. Det er specialiseret til undersøgelser, hvor forskere er interesseret i detaljer, der er få nanometer store, såsom de fine strukturer af cellekomponenter eller moderne katalysatorer og batterier. Indtil nu, sådanne fine detaljer kunne kun gøres synlige ved hjælp af elektronmikroskoper, som ikke er i stand til at vise interiøret i de undersøgte prøver, medmindre der anvendes ultratynde prøver eller snit. Følgelig, forberedelses- eller målemetoden kan forårsage skade på strukturerne af interesse. I øvrigt, det var svært at vise strukturerne inklusive deres faktiske miljø. For tykke prøver, hård røntgen tomografi var begrænset til en opløsning på omkring 150 nanometer.

I mange år, Røntgen tomografi er blevet udført på forskellige synkrotron lyskilder, såsom den schweiziske lyskilde på PSI. Denne form for billeddannelse involverer screening af objektet fra forskellige retninger med røntgenlys på en sådan måde, at et fluoroskopisk billede-et såkaldt røntgenbillede-genereres hver gang, meget gerne en medicinsk røntgen CT-scanning. Ved hjælp af speciel computersoftware kombinerer forskere disse billeder til et tredimensionelt billede, hvor materialefordelingen er synlig i tre dimensioner.

Høj opløsning takket være alternativ billeddannelsesmetode

Forskere på PSI har nu valgt en alternativ tilgang for at opnå en betydeligt højere opløsning. Den enkle oprettelse af et røntgenbillede som et fluoroskopisk billede begrænser den opløsning, der kan opnås. Derfor, metoden præsenteret her, ptychographic imaging (først demonstreret i sin moderne form med røntgenstråler ved PSI i 2010), udnytter det faktum, at røntgenlys ikke kun svækkes på vej gennem den undersøgte prøve, men også delvist spredt. Ved at måle præcist i hvilke retninger hvor meget og også hvor lidt lys der er spredt, strukturen af ​​prøven kan udledes. For at måle et enkelt spredningsmønster, forskerne belyser kun et lille område af prøven og gentager målingen på forskellige punkter i prøven, indtil hele prøven er blevet screenet. Til sidst, fra hundredvis af spredningsmønstre giver ptychography en enkelt, projektion i høj opløsning, der svarer til et radiografisk billede i høj opløsning. Som med alle tomografimetoder, prøven roteres også i små trin og studeres fra forskellige retninger.

Nanometer præcisionspositionering

Forskerne testede først deres instrument på en kunstig prøve:et lille stykke glas, seks mikrometer i diameter, som indeholdt porer belagt med et tyndt metallag. Under målingen, de var i stand til at opnå en rumlig opløsning på seksten nanometer - og opnå en verdensrekord. "Vi taler om en billedskala her, der bygger bro mellem konventionel røntgen og elektron tomografi. Opløsningen er meget høj, men prøvetykkelsen og dermed den undersøgte volumen er også forholdsvis stor. Den største instrumenteringsudfordring er, at prøven skulle placeres med stor præcision, "understreger Mirko Holler, ansvarlig for projektet. "Dette skyldes, at nøjagtigheden af ​​prøvens positionering skulle være større end den opløsning, der skulle opnås. Så vi var nødt til at kende prøvens position til inden for få nanometer gennem hele målingen, hvilket medfører nye vanskeligheder i et billeddannelsessystem. "Den ekstremt præcise positionering og positionsmåling krævede nye eksperimentelle tilgange, der blev udviklet på PSI og nu bliver brugt ved mange synkrotronlyskilder over hele verden.

"Kun en prototype"

Denne verdensrekord blev opnået på et instrument, der "egentlig kun er en prototype", på grund af dens succes tilbydes adgang til denne prototype til brugere og er meget efterspurgt. Det endelige system er i øjeblikket under opbygning, og dets design drager fordel af erfaringerne her. Et centralt træk ved det endelige instrument, kaldet OMNY (tOMography Nano crYo), er muligheden for at afkøle prøven betydeligt under målingen. "Røntgenstrålingen beskadiger prøverne under målingen, så de gradvist ændres og endda deformeres. Som et resultat, måleopløsningen er begrænset af denne strålingsdosis, især med følsomme genstande såsom biologiske materialer, "forklarer Holler." Denne effekt reduceres kraftigt gennem afkøling, hvilket betyder, at vi også kan udnytte fordelene ved metoden til målinger på strålingsfølsomme materialer. "

Indtil det nye mikroskop er færdigt, prototypen vil fortsat blive brugt til videnskabelige undersøgelser sammen med brugere fra SLS. Så langt, for eksempel, materialer som kridt, cement, solceller og fossiler er blevet undersøgt i samarbejde med forskellige forskningsinstitutioner.