Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har för första gången visat att dyra aberrationskorrigerade mikroskop inte längre behövs för att uppnå rekordstor mikroskopisk upplösning.
Mikroskopiområdet är mitt uppe i en stor revolution. Sedan 1800-talet och uppfinningen av det sammansatta ljusmikroskopet har det bara skett några få stora hopp i upplösning för att se olika längdskalor:från bakterier och celler, till virus och proteiner och till och med ner till enskilda atomer.
I allmänhet, eftersom upplösningen har gjort dessa otroliga hopp, så har priset på mikroskopen som används för att uppnå den upplösningen också. Sådana rejäla prislappar begränsar allvarligt tillgängligheten för dessa instrument. Det nuvarande upplösningshoppet kommer från en ny teknik som kallas elektronptykografi – en metod som använder beräkningar för att öka upplösningen hos elektronmikroskop – som har tagit fältet med storm under de senaste 5-6 åren.
Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har visat rekordstor upplösning med hjälp av elektronptykografi på "konventionella" transmissionselektronmikroskop (konventionell betydelse utan dyra aberrationskorrigerare). Detta bryter trenden med ökande mikroskoppris med ökande upplösning. De kunde uppnå djup rumslig upplösning under ångström ner till 0,44 ångström (en ångström är en tiomiljarddels meter), vilket överstiger upplösningen för aberrationskorrigerade verktyg och konkurrerar med deras högsta ptykografiska upplösningar.
"Under de senaste 90-100 åren har vårt område trott att sättet att göra stor mikroskopi är att göra bättre och bättre mikroskop", säger materialvetenskap och ingenjörsprofessor Pinshane Huang, som ledde detta arbete. "Det mest spännande med vår forskning är att vi visar att du inte behöver ett banbrytande mikroskop för att få det här att fungera. Vi kan ta ett "konventionellt" mikroskop och göra samma sak, med ptychografi, och det är bara lika bra! Det här är fantastiskt eftersom det kan vara en skillnad på flera miljoner dollar i kostnad mellan de två inställningarna."
Denna forskning, författad av den tidigare MatSE UIUC postdoktorn Kayla Nguyen, tidigare MatSE UIUC doktorand Chia-Hao Lee och Argonne National Laboratory personal forskare Yi Jiang, publicerades nyligen i tidskriften Science .
Före ptykografi använde elektronmikroskopen med högsta upplösning en teknik som kallas aberrationskorrigering för att tillåta forskare att se enskilda atomer. I stället för att använda en ljusstråle för att undersöka ett prov, använder elektronmikroskop en elektronstråle, fokuserad av elektromagneter.
Elektroner har våglängder tusentals gånger mindre än synligt ljus, vilket gör att elektronmikroskop kan lösa föremål som är många gånger mindre än vad som kan ses med optiska mikroskop. Forskare använder dessa mikroskop för att avkoda strukturerna hos objekt som sträcker sig från spikproteinet på COVID-19-viruset till arrangemanget av atomer i grafen och, mer allmänt, för att titta in i materien för att förstå dess atomära struktur, sammansättning och bindning.
En av utmaningarna med att använda elektronstrålar är dock att fokusera den strålen. "Det är omöjligt att göra en perfekt lins för elektroner," säger Huang. "Vad folk har gjort för att kompensera är att tillverka "dåliga" linser och sedan sätta aberrationskorrektorer efter dem, som är en serie "dåliga" linser som är "dåliga" på motsatta sätt. Sammantaget gör de "okej" linser , och det har varit guldstandarden för hur vi bildar oss på atomär skala i minst 20 år."
Inom optik är en aberration något sätt att en lins avviker från en perfekt lins. Mänskliga ögon kan till exempel ha flera typer av avvikelser som när- och närsynthet (ögonen kan inte fokusera på alla avstånd) och astigmatism (krökning av ögongloben som orsakar suddig syn).
Lee förklarar, "För elektromagnetiska linser är sättet att fokusera dessa elektroner genom ett elektromagnetiskt fält. Men vi har inte ett bra sätt att kontrollera formen och styrkan på det elektromagnetiska fältet, vilket sätter en mycket stark begränsning för hur exakt vi kan fokusera dessa elektroner."
I aberrationskorrigerad mikroskopi, den nuvarande banbrytande teknologin, finns det en extra stapel linser för att korrigera aberrationerna från de vanliga linserna, som ändrar strålens form innan den träffar provet. Dessa extra aberrationskorrigerande linser är där betydande kostnader läggs till mikroskopet.
Även om det är omöjligt att göra en perfekt lins, har målet under de senaste 100 åren varit att kontinuerligt göra bättre linser för att minimera aberrationer. Men Huang säger:"Det som är spännande med ptychografi är att du inte behöver göra bättre och bättre linser. Det vi kan göra istället är att använda datorer."
Istället för att använda en bunt linsoptik för att ta bort aberrationer, tar ptykografi bort dem beräkningsmässigt. Med en ny generation av detektorer, kallade hybridpixeldetektorer, som kostar några hundra tusen dollar (jämfört med aberrationskorrigerade mikroskop som kostar upp till 7 miljoner dollar) och datoralgoritmer, kan denna metod fördubbla, tredubbla eller till och med fyrdubbla upplösningen av vad ett mikroskop kan uppnå med sina fysiska linser.
Huang och hennes team har visat att deras tillvägagångssätt fyrdubblar upplösningen hos konventionella transmissionselektronmikroskop. Dessutom kan nästan alla sveptransmissionselektronmikroskop nu anpassas för att uppnå toppmodern upplösning till en bråkdel av kostnaden.
Även om detta tillvägagångssätt förändrar spelet, noterar Huang att ptychografi fortfarande är en utmanande teknik som kräver mycket beräkningskraft. Det kan ta timmar att få en enda rekonstruktion för att nå den bästa upplösningen. Men som med många andra tekniker går beräkningen ganska snabbt framåt och blir billigare, snabbare och enklare att använda.
"Vi tog med en banbrytande teknik, elektronptykografi, till konventionella transmissionselektronmikroskop för att för första gången visa att ett "medelmåttigt" mikroskop kan göra lika bra som de dyraste mikroskopen på marknaden, säger Huang.
"Detta är viktigt för de hundratals institutioner över hela landet och över hela världen som tidigare inte hade råd med spetsen. Nu behöver de bara en detektor, några datorer och elektronptykografi. Och när du väl gör det kan du se atomvärlden med mycket mer detaljer än någon föreställde sig för 10 år sedan. Detta representerar ett enormt paradigmskifte."
Mer information: Kayla X. Nguyen et al, Achieving sub-0,5-angström-resolution ptychography in an uncorrected elektronmicroscope, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2029
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
