Fysiska och biologiska vetenskaper kräver alltmer förmågan att observera föremål i nanostorlek. Detta kan åstadkommas med transmissionselektronmikroskopi (TEM), vilket i allmänhet är begränsat till 2D-bilder. Att använda TEM för att rekonstruera 3D-bilder kräver vanligtvis att provet lutas genom en båge för att avbilda hundratals vyer av det och behöver sofistikerad bildbehandling för att rekonstruera sin 3D-form, skapa ett antal problem. Nu, EPFL-forskare har utvecklat en scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) metod som genererar snabba och tillförlitliga 3D-bilder av kurvlinjära strukturer från en enda provorientering. Verket publiceras i Vetenskapliga rapporter .

Cécile Héberts och Pascal Fuas labb vid EPFL har utvecklat en elektronmikroskopimetod som kan erhålla 3D-bilder av komplexa kurvlinjära strukturer utan att behöva luta provet. Tekniken, utvecklad av EPFL-forskaren Emad Oveisi, förlitar sig på en variant av TEM som kallas scanning TEM (STEM), där en fokuserad stråle av elektroner skannar över provet.

Det nya med metoden är att den kan ta bilder i en enda bild, vilket öppnar vägen för att studera prover dynamiskt när de förändras över tiden. Vidare, det kan snabbt ge en "känsla" av tre dimensioner, precis som vi skulle ha med en 3D-biograf.

"Våra egna ögon kan se 3D-representationer av ett objekt genom att kombinera två olika perspektiv av det, men hjärnan måste fortfarande komplettera den visuella informationen med sin tidigare kunskap om formen på vissa föremål, ", säger Hébert. "Men i vissa fall med TEM vet vi något om vilken form provets struktur måste ha. Till exempel, det kan vara krökt, som DNA eller de mystiska defekterna som vi kallar "dislokationer", som styr materialens optoelektroniska eller mekaniska egenskaper."

Det klassiska förhållningssättet

TEM är en mycket kraftfull teknik som kan ge högupplösta vyer av objekt bara några nanometer tvärs över — till exempel, ett virus, eller en kristalldefekt. TEM tillhandahåller dock endast 2D-bilder, som inte räcker för att identifiera provets 3D-morfologi, vilket ofta begränsar forskningen. Ett sätt att lösa detta problem är att ta bilder i följd samtidigt som man roterar provet genom en lutningsbåge. Bilderna kan sedan rekonstrueras på en dator för att få en 3D-representation av provet.

Problemet med detta tillvägagångssätt är att det kräver extrem precision på hundratals bilder, vilket är svårt att uppnå. 3D-bilderna som genereras på detta sätt är också utsatta för artefakter, som är svåra att ta bort i efterhand. Till sist, att ta flera bilder med TEM kräver att man skjuter en elektronstråle genom provet varje gång, och den totala dosen kan faktiskt påverka provets struktur under förvärvet och producera en falsk eller korrupt bild.

Det nya tillvägagångssättet

I STEM-metoden som utvecklats av forskarna, provet står stilla medan mikroskopet skickar två elektronstrålar som lutas mot varandra, och två detektorer används samtidigt för att registrera signalen. Som ett resultat, processen är mycket snabbare än tidigare TEM 3D-bildteknik och nästan utan artefakter.

Teamet använde också en sofistikerad bildbehandlingsalgoritm, utvecklat i samarbete med Fuas CVlab, att minska antalet bilder som behövs för 3D-rekonstruktion till endast två bilder tagna med olika elektronstrålevinklar. Detta ökar effektiviteten för datainsamling och 3D-rekonstruktion med en till två storleksordningar jämfört med konventionella TEM 3D-tekniker. På samma gång, det förhindrar strukturella förändringar på provet på grund av höga elektrondoser.

På grund av dess snabbhet och immunitet mot problem med vanliga TEM-metoder, denna "lutningsfria 3D elektronavbildning"-metod är av stor fördel för att studera strålningskänsliga, polykristallina, eller magnetiska material. Och eftersom den totala elektrondosen reduceras till en enda skanning, Metoden förväntas öppna upp nya vägar för 3D-elektronavbildning i realtid av dynamiska material och biologiska processer.