SINGLE:En open source-softwarepakke til at identificere nanokrystallers atomare opløsningsstruktur

Materialeforskere bruger typisk opløsningsfase-transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at afsløre de unikke fysisk-kemiske egenskaber ved tredimensionelle (3-D) strukturer af nanokrystaller. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Cyril F. Reboul og et forskerhold ved Monash University, Australien, Seoul National University, Sydkorea, og Lawrence Berkeley National Laboratory U.S., udviklet en enkelt-partikel Brownsk 3-D rekonstruktionsmetode. For at opnå dette, de afbildede ensembler af kolloide nanokrystaller ved hjælp af grafen-transmissionselektronmikroskopi. Holdet opnåede projektionsbilleder af forskelligt roterede nanokrystaller ved hjælp af en direkte elektrondetektor for at opnå et ensemble af 3D-rekonstruktioner. I dette arbejde, de introducerede beregningsmetoder til succesfuldt at rekonstruere 3-D nanokrystaller ved atomopløsning og opnåede dette ved at spore individuelle partikler gennem tiden, mens den forstyrrende baggrund trækkes fra. Metoden kunne også identificere/afvise billeder af lav kvalitet for at lette skræddersyede strategier for 2-D/3-D justering, der adskilte sig fra dem i biologisk kryo-elektronmikroskopi. Holdet gjorde udviklingen tilgængelig gennem en open source-softwarepakke kendt som SINGLE. Den gratis software er tilgængelig på GitHub.

Brug af SINGLE til krystallografi

Forskere har fastholdt fremskridt inden for krystallografi i de sidste 50 år for at transformere den eksisterende forståelse af kemi og biologi. Alligevel, nogle mål, herunder solubiliserede nanokrystaller, forbliver vanskelige at behandle med traditionelle krystallografiske metoder. For eksempel, kolloide nanokrystaller indeholder titusinder til hundredvis af atomer og opretholder en række anvendelser på tværs af tværfaglige områder, herunder elektronik, katalyse og biologiske sensorer. Alsidigheden opstår fra den høje følsomhed af nanokrystal egenskaber til størrelse, kemisk sammensætning og andre variabler under syntese. Typisk, forskere bruger enkelt-partikel, 3-D rekonstruktion i strukturel biologi for at bestemme strukturen af ​​proteiner. Teknikken er relativt ny til in-situ 3-D rekonstruktion af solubiliserede individuelle nanokrystaller. I dette arbejde, Reboul et al. udviklet ENKELT; en metode, der var afhængig af den uafhængige 3-D-rekonstruktion af solubiliserede individuelle nanokrystaller inklusive Brownsk bevægelse. Teknikken er et første-i-studie fremskridt til at løse 3-D atomare strukturer af nanokrystaller direkte fra opløsningsfasen.

Forskerne introducerede nye forbehandlingsmetoder for at forbedre signal-til-støj-forholdet (SNR) for at spore partikelbanerne, mens grafen-induceret baggrundssignal fjernes. Avancerede beregningsmetoder kunne med succes 3D-rekonstruere fra in-situ graphene liquid cell (GLC) transmissionselektronmikroskopidata. Sammenlignet med eksisterende teknikker, arbejdet præsenterede anvendeligheden af ​​en hidtil uset beregningsmetode til at opnå 3D-rekonstruktioner ved atomopløsning for nanokrystaller spredt i opløsning. De opdelte ENKELT arbejdsgang i to hovedtrin (1) forbehandling og (2) partikel 3D-rekonstruktion. Forskerne havde til formål at levere den højest mulige ydeevne og effektivitet på enhver CPU-hardware, inklusive supercomputere til arbejdsstationer eller endda bærbare computere.

I første omgang, holdet tog gennemsnittet af tidsvinduet på tværs af flere billeder med anisotropisk bevægelse for at forbedre signal-til-støj-forholdet, fører til synlige partikler og et forbedret grafensignal. Holdet identificerede derefter partikelpositionerne manuelt i det første tidsvinduesgennemsnit. Derefter, holdet udviklede en startmodel baseret på den forventede krystallografiske struktur, partikeldiameter og bestanddele og producerede 3D-rekonstruktioner med tilpassede atomare koordinater til strukturanalyse på atomær skala.

Reboul et al. introduceret en ny sporingsmetode ved hjælp af hurtige Fourier-transformationer og fasekorrelationen for at identificere et korrelationsmaksimum med sub-pixel nøjagtighed. Holdet fornemmede ekstraktionstidsvinduet ved hjælp af total variation (TV)-baseret denoising og kombineret denoising og tidsgennemsnit for at give en robust metode til at spore bevægelsen af ​​individuelle nanokrystaller gennem prøven. Metoden gjorde det muligt for dem at skelne den overordnede form af nanokrystallerne og/eller deres krystallinske træk - hvilket vidner om robustheden af ​​sporingsalgoritmen. Ved hjælp af metoden, de genfandt også tidligere udfordrende baner for at opnå 3-D-rekonstruktioner og anvendte en baggrundssubtraheret partikelbane i alle billedbehandlingstrin til grafensubtraktion af GLC (grafenvæskecelle). Holdet karakteriserede yderligere karakteren af ​​nanokrystalrotationer i det meget afgrænsede rum i den flydende grafencelle. Metoden var ikke-triviel på grund af den sandsynlige natur af 3-D rekonstruktionsalgoritmen. Holdet inkorporerede derfor en deterministisk tilgang til at forbedre nøjagtigheden af ​​klyngen, samtidig med at signal-til-støj-forholdet forbedres i forhold til de individuelle billeder.

Generering af modeller

Forskerne udviklede derefter en startmodel ved at bruge viden om, at partikler har et omtrentligt kubisk atomarrangement. De simulerede atomtæthederne ved hjælp af 5-Gaussiske atomspredningsfaktorer. 2-D-projektionerne af den simulerede 3-D-densitet repræsenterede karakteren af ​​projektioner i kernen af ​​nanokrystallen, at overvinde problemer relateret til translationel symmetri og et forstyrrende baggrundssignal. 3D-forfiningsmetoden i brug til biologisk kryo-elektronmikroskopi kunne ikke uden videre anvendes på tidsseriedata for nanokrystaller; derfor, Reboul et al. indført kritiske ændringer. De brugte et to-trins forfiningsskema til at etablere den korrekte form af nanokrystallen for at tillade atomer og deres former at drive 3-D justering. Forskerne valgte tre nanokrystaller af varierende størrelse, som ikke tidligere var rekonstrueret til benchmarking, derefter ved hjælp af atomkort fremstillet med metoden, Reboul et al. opnået mikroskopiske strukturelle detaljer på atomniveau. Arbejdet lettede også atomkort, der detaljerede stammeanalyse og enhedscellestrukturanalyse.

Validering af 3D-rekonstruktioner

Forskerne genererede yderligere en model af en uordnet nanokrystal ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik for at forstå anvendeligheden af ​​SINGLE på stærkt uordnede nanokrystaller. Ved at bruge multi-slice simuleringer, de anvendte translationel bevægelse og tilfældige defokusvariationer for at repræsentere realistisk partikelbevægelse. De opnåede derefter et 3-D-densitetskort over den uordnede nanokrystal fra 500 simulerede billeder med et signal-til-støj-forhold på 0,1 og en startmodel med perfekt krystallinsk rækkefølge, der stemmer fremragende overens med de originale partikler. Holdet opnåede fordelingen af ​​projektionsretningerne for de roterende nanokrystaller for at validere kvaliteten af ​​3-D-rekonstruktionen og vil kræve yderligere undersøgelser for at forstå, hvordan de faktiske atomare strukturer af nanokrystaller påvirker rotationsdynamikken.

På denne måde Cyril F. Reboul og kolleger demonstrerede beregningsmetoder i SINGLE for at opnå nanokrystaldensitetskort med atomopløsning. Ved at bruge en avanceret flydende cellekonfiguration såsom flydende grafenceller med ordnede nanokamre, holdet tillod kontrol af væsketykkelsen for at udvide anvendeligheden af ​​SINGLE til effektiv dataindsamling. SINGLE suiten gav en første-i-studie effektiv analytisk platform til at forstå den strukturelle oprindelse af de unikke fysiske og kemiske egenskaber af nanokrystaller i deres oprindelige opløsningsfase.

© 2021 Science X Network