Højhastigheds elektrontomografi sætter nye standarder for 3-D billeder af nanoverdenen

Forskere fra Ernst Ruska-Centret i Forschungszentrum Jülich brugte et transmissionselektronmikroskop til at optage næsten 3500 billeder på 3,5 sekunder til rekonstruktionen af ​​et 3D-elektrontomogram. Tidligere, 10 til 60 minutter og en ti gange større elektrondosis var påkrævet for at optage sådanne billedsekvenser. Den nye funktion er særligt velegnet til at undersøge biologiske celler, bakterier og vira, hvis struktur kan blive beskadiget af elektronstrålen. Ud over, det muliggør dynamiske processer, såsom kemiske reaktioner og elektroniske koblingsfænomener, at blive visualiseret i realtid i tre dimensioner med sub-nanometer præcision. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Elektrontomografi er relateret til computertomografi, som er blevet uundværlig i forskning og kliniske studier. Elektron tomogrammer kan opnås fra meget mindre volumener end med røntgen-baserede teknikker. Den tredimensionelle rumlige opløsning af elektrontomografi er den højest opnåelige med nutidens teknologi. Metoden er unikt velegnet til at studere vira og bakterier for at lette udviklingen af ​​medicin, eller til billeddannelse af strukturerne af nye nanomaterialer til applikationer, der spænder fra nanoelektronik til energiteknologi.

"Evnen til at accelerere billedoptagelse og reducere strålingsdosis åbner nye horisonter, især inden for biovidenskab og forskning i blødt stof, ved elektrontomografi, " siger prof. Rafal Dunin-Borkowski. I denne teknik, et transmissionselektronmikroskop bruges til at optage billeder af et område på undermikrometerstørrelse fra forskellige vinkler hurtigt efter hinanden.

"De enkelte billeder viser ikke tværsnit af prøven. I stedet informationen fra forskellige dybder inde i den overlejres - svarende til et røntgenbillede - og projiceres på et plan, " forklarer direktøren for Ernst Ruska-Centret, der også er direktør for Institut for Mikrostrukturforskning (PGI-5) i Jülichs Peter Grünberg Institut. Af denne grund, algoritmer er nødvendige for, at en computer kan beregne en tredimensionel rekonstruktion af objektet ud fra billedserien.

Opløsningen, der kan opnås, er begrænset af elektronstrålens destruktive effekt på prøven. Blød, biologiske prøver, i særdeleshed, tolererer kun et begrænset antal billeder. Deres følsomme strukturer, for eksempel proteiner, ødelægges hurtigt af højenergielektroner. For at reducere elektrondosis, forskerne i Ernst Ruska-Centret udstyrede deres elektronmikroskop med en ny detektor. Dette enkeltelektrondetekteringskamera registrerer indkommende elektroner direkte, uden at skulle konvertere dem til fotoner, altså lys - den sædvanlige praksis i dag.

"Den seneste generation af detektorchips har meget høj følsomhed, hvilket betyder, at for den samme billedkvalitet er en elektronstråledosis, der er to til tre gange lavere, tilstrækkelig, " forklarer Dr. Vadim Migunov, fra Ernst Ruska-Centret og Jülichs Peter Grünberg Institut. Hans kolleger i Jülichs Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics (ZEA-2) var med til at udvikle elektronikken i chippen, som sikrer hurtig dataudlæsningshastighed og dermed ekstremt høje optagehastigheder.

Første test med nanorør og katalysatorer

For at teste den forbedrede teknik, Vadim Migunov, sammen med sine kolleger fra Ernst Ruska-Centret, undersøgt et uorganisk lanthanid nanorør ved hjælp af den nye sensor. Sådanne strukturer er i øjeblikket af interesse, fordi de kan være egnede til elproduktion fra spildvarme eller som nye lyskilder og katalysatorer. Med en optagelseshastighed på ca. 1000 billeder i sekundet, elektrontomografi kan nu bruges til nanoskalaobservationer af hurtige processer såsom kemiske reaktioner, der involverer katalysatorer, krystalvækstprocesser eller faseovergange, " forklarer Vadim Migunov.

Undersøgelser med bedre tidsmæssig og rumlig opløsning kunne hjælpe med at afsløre, hvorfor nanokatalysatorfunktionalitet går tabt over tid. Katalysatornanopartikler kan bruges til at producere brint og til at adskille skadelige drivhusgasser. Deres effektivitet afhænger overvejende af, hvordan atomer er arrangeret på de overflader, hvorpå de kemiske reaktioner finder sted.

Den nye teknik har yderligere fordele. Kun et par sekunders regnetid er nødvendige for at optage og rekonstruere den tredimensionelle struktur af en prøve på en computer. Den tid, der kræves, er derfor meget kort, og videnskabsmænd kan observere eksperimenter ikke kun i 3D, men også næsten "live".