Multimodal mikroskopi kan kombinera kompletterande nanoskala bildtekniker för att extrahera omfattande information om kemikalien, strukturella och funktionella aspekter av heterogena prover. Röntgenmikroskopi kan åstadkomma högupplöst avbildning av bulkmaterial med kemikalier, magnetisk, elektronisk kontrast och bindningsorientering. Parallellt, elektronmikroskopi kan ge rumslig upplösning i atomskala samtidigt som den kvantifierar grundkompositionen.

I en ny rapport, Yuan Huang Lo och kollegor i de tvärvetenskapliga avdelningarna för fysik, bioingenjör och den avancerade ljuskällan i USA kombinerade röntgenpykografi och skanningstransmission röntgenspektromikroskopi (STXM). De kombinerade sedan upplägget med tredimensionell (3-D) energidispersiv spektroskopi och elektrontomografi för att kartlägga den strukturella och kemiska sammansättningen av en Allende-meteoritpartikel med 15 nm rumslig upplösning. Forskarna använde texturell och kvantitativ elementär information för att förstå mineralsammansättningen och diskutera potentiella processer före och efter ackretion (bildandet av större astronomiska kroppar påverkade av gravitation).

Röntgen- och elektronmikroskopi kan visualisera strukturen och funktionen inom organiska och oorganiska system över rumsliga skalor ner till atomskala. Framsteg inom röntgenpytografi-en kraftfull koherent diffraktiv avbildning (CDI) -metod har förlängt mjuk röntgenbildning mot 5-nm rumslig upplösning. Ptychographic X-ray CDI kan avbilda utökade integrerade kretsar och biologiska strukturer i två dimensioner (2-D) och 3-D. Skanningsöverföringsröntgenspektroskopi kombinerat med röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) kan kartlägga bulkprov med 20 nm upplösning, att samtidigt extrahera kemikaliespecifika kartor över kol, kväve, syre och övergångsmetaller (järn, mangan och nickel). Nyligen introducerad spännande utveckling på området, såsom kryogen konservering av biospecimenter och införandet av aberrationskorrigerade elektronmikroskop har inlett en ny era av kryo-elektronmikroskopi och atomelektronmikroskopi. Dessa nya metoder har möjliggjort oöverträffad avbildning av material och tillhörande samband mellan struktur och funktion på en grundläggande nivå.

Ändå, ingen av bildteknikerna kan ge en omfattande karta för att samtidigt extrahera flera uppgifter från ett prov. Till exempel, medan elektronmikroskopi kan erbjuda oöverträffad atomupplösning, metoden gäller bara för mycket tunna prover. I jämförelse, forskare hade framgångsrikt implementerat multimodal avbildning i ljusmikroskopi och medicinsk bildhantering. Att kombinera metoderna kan vara effektivt för att förhindra provstrålningsskador via röntgenstrålar, eftersom elektroner är mer doseffektiva än röntgenstrålar i elastiska spridningsexperiment. Kombinerad korrelativ avbildning kan generera mångfacetterade experimentella kartor för att vägleda beräkningsmodellering för att främja snabb upptäckt och distribution av nytt material för att hantera utmanande vetenskapliga frågor. Utmaningarna har motiverat forskare att införliva multimodal bildbehandling, med avancerade röntgen- och elektronmikroskop för att studera prover och dra nytta av den senaste utvecklingen inom provbildning.

I det nuvarande arbetet, Lo et al. använde röntgenpykografi och STXM i 2-D för att undersöka ett Allende-meteoritkorn. De kombinerade installationen med energidispersiv spektroskopi (EDS) och högvinkligt ringformigt mörkt fält (HAADF) avbildning i 3D. Allende -meteoriten observerades i Mexiko den 8 februari, 1969, som en CV3 kolhaltig kondrit. Forskare studerade Allende bra vid den tiden eftersom forskningslaboratorierna var väl förberedda för att ta emot månprover från Apollo -programmet. De observerade förekomsten av större kondroner och kalcium-aluminiumrika inneslutningar i Allende, satt i en finkornig matris av mikrometer till silikater i submikrometer, oxider, sulfider och metaller. Den mycket heterogena meteoriten gjorde den till en idealisk kandidat för att demonstrera fördelarna med multimodal röntgen- och elektronmikroskopi.

Lo et al. förbättrade avsevärt den rumsliga upplösning som hittills uppnåtts på meteoriten för att förstå mineralsammansättningen och diskutera processer som kan ha inträffat före eller efter ackretion. Bildresultaten avslöjade många interna strukturer och kanaler som antyder chockvener och smältaggregat på meteoriten. Med hjälp av de spektroskopiska mätningarna, de klassificerade de viktigaste meteoriska komponenterna som silikater, sulfider och oxider. Det flerdimensionella arbetet gav möjliga tips om ursprunget och transporten av Allende-meteoriten inom den tidiga soltågen och belyste potentialen att kombinera röntgen- och elektronbildning för att studera olika heterogena material.

Forskarna genomförde multimodal elektron- och röntgenspektral avbildning med hjälp av HAADF- och EDS-tomografi och deponerade Allende-meteoritkornet på ett kolbelagt TEM-nät och transporterade det till COSMIC-strålen för röntgenbildning. När de skivade igenom den generaliserade Fourier iterativa rekonstruktionen (GENFIRE) HAADF av spannmålen, de observerade en mängd interna morfologier som avslöjade olika faser av montering. I den större meteoritmatrisen, de observerade långa inre kanaler från 20 till 50 nm i diameter för att föreslå chockvener. I anslutning till matrisen, de observerade två högintensiva sfäriska granuler som representerar smältfickor. Med EDS -tomografi, laget bestämde spannmålets grundsammansättning och observerade förekomsten av kol (C), Syre (O), Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Kisel (Si), Svavel (S), Krom (Cr), Järn (Fe) och Nickel (Ni). De överlagrade EDS- och HAADF GENFIRE -rekonstruktionerna för att avslöja de viktigaste mineraldomänerna, inklusive järnmagnesiumsilikat, aluminium-krom järnoxid och järn-nickelsulfid.

Forskargruppen använde differentiell röntgenabsorptionskontrast för att studera elementära platser och överflöd i mer detalj för att komplettera elektronmikroskopi-resultaten. För detta, de samlade in 2-D ptychography-bilder av spannmålen för att hitta platser för varje element med hög kontrast och rumslig upplösning. Vid närmare granskning, laget observerade regioner med högre Fe -koncentrationer i silikatet för att sammanfalla med Al -smältfickorna och venerna. Forskargruppen utvecklade en SQUARREL (spridningskvotientanalys för att hämta förhållandet mellan element) för att hämta kvantitativ information om elementär sammansättning av komplexa ptychografibilder. Forskarna fick två spridande kvotkartor för Mg-förkant- och Al-förkant-bilder som ett område av intresse. Dessa kartor visade ny och annorlunda bildkontrast jämfört med konventionella XAS -bilder eller faskontrastbilder. Arbetet utmärkte olika mineralpolymorfer som en stark fördel med XAS -tekniken jämfört med konventionella EDS och Lo et al. betonade den komplementära karaktären av röntgen- och elektronmikroskopi i studien.

På det här sättet, Yuan Huang Lo och ett team av forskare kombinerade röntgen- och elektronmikroskopi för att studera Allendes meteorit och ge kompletterande information om det heterogena provets strukturella och kemiska tillstånd. Den kombinerade informationen kommer att hjälpa forskare att identifiera möjliga mineralfaser som finns i det meteoriska kornet med nanometer rumslig upplösning. Forskarna ritade sammansättningarna av huvudelement i järn-nickelsulfiden, järn-magnesiumsilikat och aluminium-krom järnoxidregioner i säden. Med hjälp av analyser från både röntgen- och elektronmikroskopidata, laget minskade identiteten hos de olika fasgrupperna för att ge en detaljerad nanoskopisk petrografisk bild av meteoritkornet.

Teamet kvantifierade Ni- och Fe-sammansättningen i järn-nickelsulfidregionen med hjälp av SQUARREL-metoden (en semikvantitativ ptychography-analysmetod) för att bekräfta föreningens identitet, tidigare endast förutsagt med EDS. HAADF-tomografi och röntgenpykografi gav texturinformation med hög upplösning om de möjliga processer som påverkade Allendes föräldrakropp under och efter ackretion. De förklarade möjligheten av chocksmältning som orsak till lokaliserade chockvener och fickor för att generera det mycket deformerade materialet. Totalt, bevisen för att Lo et al. samlade med hjälp av de två bildteknikerna (HAADF och EDS med röntgenpytografi och XTSM-absorptionsspektromikroskopi) överensstämde väl med tidigare 2-D-studier av Allende, som var jämförelsevis vid en grövre upplösning.

Forskarna belyste det synergistiska förhållandet mellan elektron- och röntgenbildning och deras kompletterande fördelar. De flerdimensionella data som samlats in i studien gav kvantitativ kemisk och textural information om meteoritkornets olika faser. Denna multimodala avbildningsmetod är tillämplig på flera andra heterogena system bortom meteoriter för att få ny insikt i många andra intressanta och komplicerade material.

© 2019 Science X Network