Лаборатории Сесиль Хеберт и Паскаля Фуа из EPFL разработали метод электронной микроскопии, позволяющий получать трехмерные изображения сложных криволинейных структур без необходимости наклонять образец. Метод, разработанный исследователем EPFL Эмадом Овейзи, основан на разновидности ПЭМ, называемой сканирующим ПЭМ (STEM), когда сфокусированный пучок электронов сканирует образец.
Новизна метода заключается в том, что он может получать изображения за один снимок, что открывает возможность динамического изучения образцов, поскольку они меняются с течением времени. Кроме того, он может быстро обеспечить "ощущение" трех измерений, как в 3D-кинотеатре.
«Наши собственные глаза могут видеть трехмерные изображения объекта, комбинируя его с двух разных точек зрения, но мозг по-прежнему должен дополнять визуальную информацию своим предыдущим знанием формы определенных объектов», — говорит Хеберт. "Но в некоторых случаях с ПЭМ мы кое-что знаем о том, какую форму должна иметь структура образца. Например, он может быть криволинейным, как ДНК или таинственные дефекты, которые мы называем «дислокациями», которые определяют оптоэлектронные или механические свойства материалов."
Классический подход
ПЭМ — это очень мощный метод, который может обеспечить изображение с высоким разрешением объектов размером всего несколько нанометров, например вируса или дефекта кристалла.
Однако ПЭМ предоставляет только 2D-изображения, которых недостаточно для определения 3D-морфологии образца, что часто ограничивает исследования. Способ решения этой проблемы — получение последовательных изображений при вращении образца по дуге наклона.
Затем изображения можно реконструировать на компьютере, чтобы получить трехмерное представление образца.
Проблема с этим подходом заключается в том, что он требует исключительной точности на сотнях изображений, чего трудно достичь.
Создаваемые таким образом 3D-изображения также подвержены артефактам, которые впоследствии трудно удалить. Наконец, для получения нескольких изображений с помощью ПЭМ необходимо каждый раз снимать пучок электронов через образец, а общая доза может фактически повлиять на структуру образца во время получения и создать ложное или искаженное изображение.
Новый подход
В методе STEM, разработанном исследователями, образец стоит на месте, в то время как микроскоп посылает два пучка электронов, наклоненных друг против друга, и два детектора одновременно используются для регистрации сигнала.
В результате этот процесс происходит намного быстрее, чем предыдущий метод визуализации ПЭМ 3D, и почти без артефактов.
Команда также использовала сложный алгоритм обработки изображений, разработанный в сотрудничестве с Fua CVlab, чтобы уменьшить количество изображений, необходимых для 3D-реконструкции, до двух изображений, сделанных под разными углами электронного луча.
Это увеличивает эффективность сбора данных и 3D-реконструкции на один-два порядка по сравнению с традиционными методами ПЭМ 3D. В то же время он предотвращает структурные изменения образца из-за высоких доз электронов.
Из-за своей скорости и устойчивости к проблемам со стандартными методами ПЭМ этот метод "трехмерной электронной визуализации без наклона" имеет большое преимущество для изучения чувствительных к излучению, поликристаллических или магнитных материалов.
А поскольку общая доза электронов снижается до одного сканирования, ожидается, что этот метод откроет новые возможности для получения трехмерных электронных изображений в реальном времени динамического материала и биологических процессов.