Ny mikroskopteknologi giver forskere et detaljeret kig på struktur og sammensætning af materialer

I deres kerne, elektronmikroskoper fungerer meget som en filmprojektorer. En kraftig stråle passerer gennem et materiale, og den projicerer noget-normalt noget vi virkelig gerne vil se-på en skærm på den anden side. Med de fleste elektronmikroskoper, imidlertid, at fange data er som at prøve at projicere en film på en beskidt skærm, der er for lille til at se hele projektionen. Men en ny kamerateknologi, testet af forskere ved Drexel University, gør mikroskoperne i stand til at præsentere en klarere, mere komplet og detaljeret kig på deres fremhævede præsentation.

Ved hjælp af et kamera til direkte registrering og et billedfilter, gruppen opdagede, at den kan opnå et skarpere billede af kemisk struktur og sammensætning, og for at indhente disse data ganske hurtigt. Det er også følsomt nok til at betjene mikroskopet på en måde, der gør det muligt for forskere at studere skrøbelige, biologiske prøver uden at beskadige dem. Drexel er den første til at kombinere brugen af ​​disse teknologier for at give forskere en detaljeret, klart kig på mekanismerne bag kemiske og fysiske reaktioner næsten lige så hurtigt som de forekommer.

Holdet, ledet af Mitra Taheri, Ph.d., Hoeganaes lektor i Drexel's College of Engineering og direktør for den dynamiske karakteriseringsgruppe i materialevidenskab og teknikafdeling, for nylig offentliggjort sine resultater fra en side-by-side test af et nyudviklet kamera til direkte detektion og et konventionelt indirekte detekteringskamera, begge udviklet af Gatan. Deres stykke i journalen Naturvidenskabelige rapporter , foreslår, at anvendelse af en direkte detektionssensor til standard elektronenergitabspektroskopi (EELS) i høj grad vil forbedre forskernes evne til at studere en materialestruktur og kemi på nanometer-niveau

"ÅL er en populær teknik, der har eksisteret i et stykke tid, imidlertid, støjen i EELS er et stort problem, "ifølge Jamie Hart, en forsker og medforfatter af papiret. "Ved at anvende direkte detektion på EELS, vi kan i høj grad reducere den eksperimentelle støj, som vil forbedre realtidsobservation af dynamiske processer, såsom sporing af lithiumioners bevægelse i Li-ion-batterier, og det vil hjælpe med at studere følsomme materialer, som biologisk stof. "

I virkeligheden ender enhver sammenligning mellem et elektronmikroskop og en filmprojektor dybest set med "on" -knappen. I stedet for at skubbe lys gennem film, elektronmikroskoper skyder en stråle af ladede elektroner gennem det prøvemateriale, der undersøges. De passerer gennem materialet og optages med et kamera. Kameraets fortolkning af elektronernes rejse kan fortælle forskere meget om materialet. Nogle elektroner passerer gennem materialet, som om det ikke engang var der. Nogle passerer igennem, men ændrer retning. Andre passerer igennem, men bevæger sig nu med en anden hastighed. Al denne adfærd giver forskere fingerpeg om materialets kemiske sammensætning og indvendige struktur.

Så at tilføje et mere sofistikeret kamera til et mikroskop kan gøre en stor forskel i de data, forskere kan skaffe.

Taheris laboratorium er det første til at bruge denne type kameraer, et Gatan K2 kamera til direkte registrering, med et elektronenergitabspektroskopi (EELS) mikroskop-en type, der trækker sine slutninger om en prøve ved at måle, hvor meget energi elektroner taber, når de passerer igennem den. EELS -teknologi bruges typisk af forskere, der forsøger at bestemme, hvilke elementer der er til stede i en prøve eller den kemiske struktur af et givet element. Men ved at tilføje kameraet til direkte registrering til systemet, Drexels team kan begge bestemme hvilke elementer der er til stede og forstå hver enkelt kemiske binding.

"Direkte detektion giver data om højere energiopløsninger, som hjælper os med at forstå, hvordan atomer er bundet sammen, og det giver et større energifelt, giver os mulighed for at se flere elementer på én gang, "Sagde Hart.

Den nye kameras høje følsomhed betyder, at det kan undersøge et materiale mere forsigtigt, udsætter den for en lavere dosis elektroner, end andre mikroskoper, der sprænger en mere kraftfuld stråle gennem prøven. På grund af dette, det kan bruges til at studere mere skrøbelige prøver som vira og bakterier.

"Brug af støjsvag direkte detektionssensor reducerer dybest set antallet af elektroner, der er nødvendige til analyse med en faktor 2-5, for biologiske prøver, der let ødelægges under elektronstrålen, dette gør en stor forskel. Også, hvis vi vil se en hurtig reaktion, dette lader os gå til højere billedhastigheder, "sagde Hart.

For at få det til at fungere, Gatan skulle udvikle sin egen software -grænseflade med EELS og en protokol til drift af den - hvilket ikke er en lille opgave i betragtning af, at enheden fanger op til 1, 600 billeder i sekundet, hvilket svarer til omkring 2 gigabyte data, og kører så varmt, at det har brug for en konstant cirkulation af vand for at holde det køligt.

"En af de største udfordringer med at indsamle data med høj billedhastighed er lagring og behandling. På K2's minimum er det genererer 400 billeder i sekundet, hver er 16 millioner pixels, og det hele tilføjer, "sagde Andrew Lang, en forsker i Taheris laboratorium. "Vores serverrack kan håndtere mere end 3 gigabyte pr. Sekund med data med nogle af de hurtigste solid state -drev -arrays, der er tilgængelige i dag."

Men al den indsats er det værd, ifølge holdet, når du kan indsamle en højere opløsning, renere data på kortere tid end ved brug af et konventionelt kamera. Teamet bruger i øjeblikket K2 til at undersøge materialer, der er under udvikling til computerkomponenter, energilagring og elektromagnetisk afskærmning, og de foreslår, at det også kan bruges til at undersøge vira og bakterier.