De elektronenmicroscoop, een krachtig hulpmiddel voor de wetenschap, zojuist nog krachtiger geworden, met een verbetering ontwikkeld door Cornell-natuurkundigen. Hun elektronenmicroscoop pixel array detector (EMPAD) levert niet alleen een beeld op, maar een schat aan informatie over de elektronen die het beeld creëren en, van dat, meer over de structuur van het monster.

"We kunnen lokale stammen extraheren, kantelt, rotaties, polariteit en zelfs elektrische en magnetische velden, " legde David Müller uit, hoogleraar toegepaste en technische fysica, die samen met Sol Gruner het nieuwe apparaat ontwikkelde, hoogleraar natuurkunde, en leden van hun onderzoeksgroepen.

Cornell's Center for Technology Licensing (CTL) heeft de uitvinding in licentie gegeven aan FEI, een toonaangevende fabrikant van elektronenmicroscopen (een divisie van Thermo Fisher Scientific, die via meerdere merken producten en diensten levert voor de life sciences). FEI verwacht dit jaar de commercialisering van het ontwerp af te ronden en de detector voor nieuwe en omgebouwde elektronenmicroscopen aan te bieden.

"Het is verbijsterend om te bedenken wat onderzoekers over de hele wereld zullen ontdekken door deze match van Cornell's diepgaande expertise in detectorwetenschap met marktleider Thermo Fisher Scientific, " zei Patrick Govang, technologielicentiemedewerker bij CTL.

De wetenschappers beschreven hun werk in de uitgave van februari 2016 van het tijdschrift Microscopie en microanalyse .

In de gebruikelijke scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM), een smalle bundel elektronen wordt door een monster afgevuurd, heen en weer scannen om een ​​afbeelding te maken. Een detector eronder leest de variërende intensiteit van elektronen die er doorheen komen en stuurt een signaal dat een afbeelding op een computerscherm tekent.

De EMPAD die de gebruikelijke detector vervangt, bestaat uit een 128x128 array van elektronengevoelige pixels, elk 150 micron (miljoensten van een meter) vierkant, verbonden met een geïntegreerd circuit dat de signalen uitleest - een beetje zoals de reeks lichtgevoelige pixels in de sensor in een digitale camera, maar niet om een ​​beeld te vormen. Het doel is om de hoeken te detecteren waaronder elektronen tevoorschijn komen, omdat elk elektron een andere pixel raakt. De EMPAD is een spin-off van röntgendetectoren die de natuurkundigen hebben gebouwd voor röntgenkristallografie bij de Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), en het kan op een vergelijkbare manier werken om de atomaire structuur van een monster te onthullen.

Gecombineerd met de gerichte bundel van de elektronenmicroscoop, de detector stelt onderzoekers in staat een "vierdimensionale" kaart op te bouwen van zowel de positie als het momentum van de elektronen terwijl ze door een monster gaan om de atomaire structuur en krachten binnenin te onthullen. De EMPAD is ongebruikelijk in zijn snelheid, gevoeligheid en een breed scala aan intensiteiten die het kan registreren - van het detecteren van een enkel elektron tot intense stralen die honderdduizenden of zelfs een miljoen elektronen bevatten.

"Het zou zijn alsof je een foto maakt van een zonsondergang die zowel details op het oppervlak van de zon als de details van de donkerste schaduwen laat zien, ’ legde Muller uit.

De verbetering is ook opwindend voor levenswetenschappers, omdat het verzamelen van alle verstrooide elektronen het instrument veel gevoeliger maakt, een minder intense belichting gebruiken om een ​​beeld te krijgen en schade aan een levend exemplaar te beperken.

"De EMPAD neemt een beeldframe op in minder dan een milliseconde en kan één tot een miljoen primaire elektronen per pixel detecteren, per beeldkader, " legde Muller uit. "Dit is 1, 000 keer het dynamische bereik, en 100 keer de snelheid van conventionele elektronenbeeldsensoren."

"Nu kunnen we processen in intacte cellen beter bekijken, " zei Lena Kourkoutis, universitair docent toegepaste en technische fysica. De lage stralingsdosis maakt meerdere blootstellingen mogelijk, om time-lapse "films" van cellulaire processen te maken of om hetzelfde exemplaar vanuit verschillende hoeken te bekijken om een ​​duidelijker 3D-beeld te krijgen. Kourkoutis is van plan deze technieken te gebruiken in samenwerking met het nieuwe Cornell Center for the Physics of Cancer Metabolism, kijken naar hoe kanker zich van cel tot cel ontwikkelt.

De onderzoekers testten hun eerste EMPAD door deze in een reservepoort te installeren in een ultramoderne FEI-microscoop. Het prototype wordt intensief gebruikt voor experimenten in het Cornell Center for Materials Research.