I deras kärna, elektronmikroskop fungerar mycket som en filmprojektor. En kraftfull stråle passerar genom ett material och den projicerar något – vanligtvis något vi verkligen vill se – på en skärm på andra sidan. Med de flesta elektronmikroskop, dock, att fånga data är som att försöka projicera en film på en smutsig duk som är för liten för att se hela projektionen. Men en ny kamerateknik, testat av forskare vid Drexel University, gör det möjligt för mikroskopen att presentera en klarare, mer komplett och detaljerad titt på deras presenterade presentation.

Med hjälp av en direktdetekteringskamera och ett bildfilter, gruppen upptäckte att den kan få en skarpare bild av kemisk struktur och sammansättning, och för att få dessa uppgifter ganska snabbt. Det är också tillräckligt känsligt för att använda mikroskopet på ett sätt som gör det möjligt för forskare att studera ömtåliga, biologiska prover utan att skada dem. Drexel är den första som kombinerar användningen av dessa teknologier för att ge forskare en detaljerad, tydlig titt på mekanismerna bakom kemiska och fysikaliska reaktioner nästan lika snabbt som de inträffar.

Laget, ledd av Mitra Taheri, PhD, Hoeganaes docent vid Drexels College of Engineering och chef för Dynamic Characterization Group i Materials Science and Engineering Department, publicerade nyligen sina resultat från ett sida vid sida-test av en nyutvecklad direktdetekteringskamera och en konventionell indirektdetekteringskamera, båda utvecklade av Gatan. Deras inlägg i journalen Naturvetenskapliga rapporter , föreslår att användning av en direktdetektionssensor på standardelektronenergiförlustspektroskopi (EELS) kommer att avsevärt förbättra forskarnas förmåga att studera en materialstruktur och kemi på nanometernivå

"EELS är en populär teknik som har funnits ett tag, dock, bullret i EELS är ett stort problem, " enligt Jamie Hart, doktorand och medförfattare till uppsatsen. "Genom att tillämpa direkt detektering på EELS, vi kan avsevärt minska det experimentella bruset, vilket kommer att förbättra realtidsobservation av dynamiska processer, som att spåra rörelsen av litiumjoner i litiumjonbatterier, och det kommer att underlätta studiet av känsliga material, som biologisk materia."

I själva verket slutar varje jämförelse mellan ett elektronmikroskop och en filmprojektor i princip med "på"-knappen. Istället för att trycka ljus genom film, elektronmikroskop skjuter en stråle av laddade elektroner genom provmaterialet som studeras. De passerar genom materialet och spelas in av en kamera. Kamerans tolkning av elektronernas resa kan säga forskarna mycket om materialet. Vissa elektroner passerar genom materialet som om det inte ens fanns där. Vissa passerar men ändrar riktning. Andra passerar men rör sig nu i en annan hastighet. Alla dessa beteenden ger forskare ledtrådar om materialets kemiska sammansättning och inre struktur.

Så att lägga till en mer sofistikerad kamera i ett mikroskop kan göra stor skillnad i den data som forskare kan samla in.

Taheris labb är det första som använder den här typen av kamera, en Gatan K2 direktdetekteringskamera, med ett elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) - en typ som drar slutsatser om ett prov genom att mäta hur mycket energi elektroner förlorar när de passerar genom det. EELS-teknik används vanligtvis av forskare som försöker fastställa vilka grundämnen som finns i ett prov eller den kemiska strukturen hos ett givet grundämne. Men genom att lägga till direktdetekteringskameran till systemet, Drexels team kan både avgöra vilka grundämnen som finns och förstå var och ens kemiska bindning.

"Direkt detektering ger data med högre energiupplösning, som hjälper oss att förstå hur atomer är sammanbundna, och det ger ett större energisynfält, så att vi kan se fler element samtidigt, " sa Hart.

Den nya kamerans höga känslighet gör att den kan sondera ett material skonsammare, att utsätta den för en lägre dos av elektroner, än andra mikroskop som spränger en kraftfullare stråle genom provet. På grund av detta, den kan användas för att studera ömtåliga prover som virus och bakterier.

"Att använda den lågbrusiga direktdetekteringssensorn kommer i princip att minska antalet elektroner som behövs för analys med en faktor på 2-5, för biologiska prover som lätt förstörs under elektronstrålen, detta gör stor skillnad. Också, om vi vill se en snabb reaktion, detta låter oss gå till högre bildfrekvenser", sa Hart.

För att få det att fungera, Gatan var tvungen att utveckla sitt eget mjukvarugränssnitt med EELS och ett protokoll för att driva det – vilket är ingen liten uppgift med tanke på att enheten fångar upp till 1, 600 bilder per sekund, vilket motsvarar cirka 2 gigabyte data, och går så varmt att det behöver en konstant cirkulation av vatten för att hålla den sval.

"En av de största utmaningarna med att samla in data med hög bildhastighet är lagring och bearbetning. Som minimum, den genererar 400 bilder per sekund, var och en är 16 miljoner pixlar, och allt stämmer, sa Andrew Lang, en doktorand i Taheris labb. "Vårt serverrack kan hantera mer än 3 gigabyte per sekund med data med några av de snabbaste SSD-enheter som finns tillgängliga idag."

Men alla ansträngningar är värt det, enligt teamet, när du kan samla högre upplösning, renare data på kortare tid än med en vanlig kamera. Teamet använder för närvarande K2 för att undersöka material som är under utveckling för datorkomponenter, energilagring och elektromagnetisk skärmning, och de föreslår att det också skulle kunna användas för att studera virus och bakterier.