Ny mikroskopimetode til hurtig og pålidelig 3-D-billeddannelse af krumme lineære nanostrukturer

Fysiske og biologiske videnskaber kræver i stigende grad evnen til at observere objekter i nanostørrelse. Dette kan opnås med transmissionselektronmikroskopi (TEM), som generelt er begrænset til 2D -billeder. Brug af TEM til at rekonstruere 3D -billeder i stedet kræver normalt, at prøven vippes gennem en bue til billede af hundredvis af visninger af den og har brug for sofistikeret billedbehandling for at rekonstruere deres 3D -form, skaber en række problemer. Nu, EPFL -forskere har udviklet en metode til scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM), der genererer hurtige og pålidelige 3D -billeder af krumme lineære strukturer fra en enkelt prøveorientering. Værket er udgivet i Videnskabelige rapporter .

Laboratorierne fra Cécile Hébert og Pascal Fua ved EPFL har udviklet en elektronmikroskopimetode, der kan opnå 3D -billeder af komplekse krumme linjer uden at skulle vippe prøven. Teknikken, udviklet af EPFL -forsker Emad Oveisi, er afhængig af en variation af TEM kaldet scanning TEM (STEM), hvor en fokuseret stråle af elektroner scanner hen over prøven.

Metodens nyhed er, at den kan erhverve billeder i et enkelt skud, hvilket åbner mulighed for at studere prøver dynamisk, når de ændrer sig over tid. Desuden, det kan hurtigt give en "fornemmelse" af tre dimensioner, ligesom vi ville have med en 3D -biograf.

"Vores egne øjne kan se 3D -repræsentationer af et objekt ved at kombinere to forskellige perspektiver på det, men hjernen skal stadig supplere den visuelle information med sin tidligere viden om formen på bestemte objekter, "siger Hébert." Men i nogle tilfælde ved TEM ved vi noget om, hvilken form prøvens struktur skal have. For eksempel, det kan være krøllet, som DNA eller de mystiske defekter, som vi kalder 'dislokationer', som styrer materialets optoelektroniske eller mekaniske egenskaber. "

Den klassiske tilgang

TEM er en meget kraftfuld teknik, der kan levere højopløselige visninger af objekter kun et par nanometer på tværs-f.eks. en virus, eller en krystaldefekt. TEM leverer dog kun 2D -billeder, som ikke er nok til at identificere prøveens 3D -morfologi, hvilket ofte begrænser forskning. En vej udenom dette problem er at erhverve på hinanden følgende billeder, mens prøven roteres gennem en vippebue. Billederne kan derefter rekonstrueres på en computer for at få en 3D -repræsentation af prøven.

Problemet med denne tilgang er, at det kræver ekstrem præcision på hundredvis af billeder, hvilket er svært at opnå. 3D -billeder, der genereres på denne måde, er også tilbøjelige til artefakter, som er svære at fjerne bagefter. Endelig, at tage flere billeder med TEM kræver optagelse af en elektronstråle gennem prøven hver gang, og den samlede dosis kan faktisk påvirke prøvens struktur under erhvervelse og frembringe et falsk eller ødelagt billede.

Den nye tilgang

I STEM -metoden udviklet af forskerne, prøven står stille, mens mikroskopet sender to elektronstråler vippet mod hinanden, og to detektorer bruges samtidigt til at registrere signalet. Som resultat, processen er meget hurtigere end tidligere TEM 3D -billeddannelsesteknik og med næsten ingen artefakter.

Teamet brugte også en sofistikeret billedbehandlingsalgoritme, udviklet i samarbejde med Fua's CVlab, at reducere antallet af billeder, der er nødvendige til 3D -rekonstruktion, til kun to billeder taget i forskellige elektronstrålevinkler. Dette øger effektiviteten af ​​dataindsamling og 3D -rekonstruktion med en til to størrelsesordener sammenlignet med konventionelle TEM 3D -teknikker. På samme tid, det forhindrer strukturelle ændringer på prøven på grund af høje elektrondoser.

På grund af dens hastighed og immunitet over for problemer med standard TEM -metoder, denne "hældningsløse 3D elektronbilleddannelse" -metode er en stor fordel til undersøgelse af strålingsfølsomme, polykrystallinsk, eller magnetiske materialer. Og fordi den samlede elektrondosis reduceres til en enkelt scanning, metoden forventes at åbne nye muligheder for real-time 3D elektronbilleddannelse af dynamisk materiale og biologiske processer.