Nowa metoda mikroskopowa umożliwiająca obrazowanie nanostruktur krzywoliniowych

Nowa metoda mikroskopowa umożliwiająca obrazowanie nanostruktur krzywolinio

Nauki fizyczne i biologiczne coraz częściej wymagają obserwacji obiektów w rozmiarach nano. Można tego dokonać za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), która jest jednak ograniczona do obrazów 2D. Używanie jej do rekonstrukcji obrazów 3D wymaga zwykle odwracania próbki, zaawansowanego przetwarzania obrazu, co powoduje wiele problemów. Teraz naukowcy z EPFL opracowali metodę skaningowej elektronowej mikroskopii transmisyjnej (STEM), która generuje szybkie i niezawodne obrazy 3D. Prace są publikowane w raportach naukowych.

Technika ta, opracowana przez badacza EPFL Emada Oveisi, stanowi odmianę TEM, w której wiązka elektronów skupia się na próbce, co sprawia, że nie jest konieczne jej przechylanie. Nowością metody jest to, że może generować obrazy w jednym zdjęciu, co otwiera drogę do badania próbek dynamicznie, w miarę jak zmieniają się z upływem czasu. Ponadto, daje ona „poczucie" trzech wymiarów, takie samo jak w kinie 3D.

„Nasze własne oczy mogą widzieć trójwymiarowe obrazy obiektu poprzez łączenie dwóch różnych perspektyw, ale mózg musi jeszcze uzupełniać informacje wizualne z wcześniejszą znajomością kształtu niektórych przedmiotów" - mówi Cécile Hébert z EPFL.

Klasyczne podejście
TEM to technika, która umożliwia obrazowanie obiektów w wysokiej rozdzielczości - na przykład wirusa. Jednak udostępnia ona tylko obrazy 2D, które nie wystarczą do identyfikacji morfologii próbki, co często ogranicza badania. Rozwiązaniem tego problemu jest uzyskiwanie kolejnych obrazów podczas obracania próbki przez łuk pochylenia. Obraz można następnie zrekonstruować na komputerze, aby uzyskać trójwymiarową reprezentację próbki. Problem polega na tym, że wymaga to ekstremalnej precyzji setek obrazów, co jest trudne do osiągnięcia. Obrazy 3D wygenerowane w ten sposób są również podatne na artefakty, które trudno jest później usunąć. Wreszcie, aby uzyskać wiele obrazów, trzeba każdorazowo strzelać wiązką elektronów, co może uszkodzić próbkę i spowodować fałszywy lub uszkodzony obraz.

Nowe podejście
W metodzie STEM opracowanej przez naukowców próbka pozostaje nieruchoma, podczas gdy mikroskop wysyła dwa pasma elektronów nachylonych względem siebie, a dwa detektory są jednocześnie wykorzystywane do nagrywania sygnału. W rezultacie proces jest znacznie szybszy niż poprzednia technika i niemal nie generuje żadnych artefaktów. Zespół wykorzystał także wyrafinowany algorytm przetwarzania obrazu w celu zmniejszenia liczby tych potrzebnych do odtworzenia obrazu 3D do tylko dwóch zrobionych przy różnych kątach wiązki elektronów. Zwiększa to wydajność zbierania danych i rekonstrukcji 3D o jeden do dwóch rzędów wielkości w porównaniu do konwencjonalnych technik TEM 3D. Jednocześnie zapobiega zmianom strukturalnym próbki z powodu dużych dawek elektronów.

Ze względu na szybkość i odporność na problemy ze standardowymi metodami TEM, nowa metoda jest bardzo przydatna do badania materiałów wrażliwych na promieniowanie, polikrystalicznych lub magnetycznych. Ponieważ całkowita dawka elektronów jest zredukowana do pojedynczego skanowania, oczekuje się, że ma ona otworzyć nowe drogi dla elektronicznego obrazowania w czasie rzeczywistym dynamicznych materiałów i procesów biologicznych.

(KB)