Электронная томография с 3487 изображениями за 3,5 секунды: высокоскоростная электронная томография устанавливает новые стандарты для трехмерных изображений наномира

Электронная томография относится к компьютерной томографии, которая стала незаменимой в научных исследованиях и клинических исследованиях. Электронные томограммы могут быть получены из гораздо меньших объемов, чем с помощью рентгеновских методов. Трехмерное пространственное разрешение электронной томографии является наивысшим достижимым с помощью современных технологий.

Этот метод уникально подходит для изучения вирусов и бактерий для облегчения разработки лекарств или для визуализации структур новых наноматериалов для приложений, которые варьируются от наноэлектроники до энергетических технологий.«Возможность ускорить получение изображений и снизить дозу облучения открывает новые горизонты, особенно в науках о жизни и исследованиях мягкого вещества с помощью электронной томографии», — говорит профессор Рафал Дунин-Борковски. В этом методе просвечивающий электронный микроскоп используется для записи изображений области субмикрометрового размера под разными углами в быстрой последовательности.«На отдельных изображениях не показаны поперечные сечения образца.

Вместо этого информация с разной глубины внутри них накладывается — подобно рентгеновскому изображению — и проецируется на плоскость», — поясняет директор Эрнст Руска-Центр. , который также является директором Института исследования микроструктуры (PGI-5) в Институте Питера Грюнберга Юлиха. По этой причине компьютеру необходимы алгоритмы для расчета трехмерной реконструкции объекта из серии изображений.Достигаемое разрешение ограничено разрушающим действием электронного луча на образец.

В частности, мягкие биологические образцы допускают только ограниченное количество изображений. Их чувствительные структуры, например структуры белков, быстро разрушаются электронами высокой энергии.

Чтобы снизить дозу электронов, исследователи Эрнст-Руска-Центра оснастили свой электронный микроскоп новым детектором. Эта камера с одним электронным детектором регистрирует поступающие электроны напрямую, без необходимости преобразовывать их в фотоны, то есть в свет — обычная практика сегодня.«Детекторные чипы последнего поколения обладают очень высокой чувствительностью, а это означает, что для того же качества изображения достаточно дозы электронного пучка, которая в два-три раза меньше», — объясняет д-р Вадим Мигунов из Ernst Ruska-Center и Института Питера Грюнберга Юлиха. . Его коллеги из Центрального института инженерии, электроники и аналитики Юлиха (ZEA-2) помогли разработать электронику в микросхеме, которая обеспечивает быструю скорость считывания данных и, следовательно, чрезвычайно высокую скорость записи.

Первые испытания с нанотрубками и катализаторами Для тестирования усовершенствованной методики Вадим Мигунов вместе со своими коллегами из Эрнст-Руска-Центр исследовал нанотрубку неорганического лантаноида с помощью нового сенсора. Такие конструкции в настоящее время представляют интерес, потому что они могут быть пригодны для выработки электроэнергии из отходящего тепла или в качестве новых источников света и катализаторов.

При скорости записи около 1000 изображений в секунду электронная томография теперь может использоваться для наблюдений в наномасштабе быстрых процессов, таких как химические реакции с участием катализаторов, процессы роста кристаллов или фазовые переходы », — поясняет Вадим Мигунов.Исследования с лучшим временным и пространственным разрешением могут помочь выявить, почему функциональность нанокатализатора теряется с течением времени. Наночастицы катализатора могут использоваться для производства водорода и отделения вредных парниковых газов.

Их эффективность зависит главным образом от того, как атомы расположены на поверхностях, на которых происходят химические реакции.У новой техники есть дополнительные преимущества.

Для записи и восстановления трехмерной структуры образца на компьютере требуется всего несколько секунд вычислительного времени. Таким образом, необходимого времени очень мало, и ученые могут наблюдать эксперименты не только в 3D, но и почти «вживую».


Портал обо всем