Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben voor het eerst aangetoond dat dure, voor aberratie gecorrigeerde microscopen niet langer nodig zijn om recordbrekende microscopische resolutie te bereiken.

Het vakgebied van de microscopie bevindt zich midden in een grote revolutie. Sinds de negentiende eeuw en de uitvinding van de samengestelde lichtmicroscoop zijn er slechts een paar grote sprongen in de resolutie geweest om verschillende lengteschalen te zien:van bacteriën en cellen, tot virussen en eiwitten, en zelfs tot aan afzonderlijke atomen.

Naarmate de resolutie deze ongelooflijke sprongen heeft gemaakt, geldt dat in het algemeen ook voor de prijs van de microscopen die worden gebruikt om die resolutie te bereiken. Dergelijke hoge prijskaartjes beperken de toegankelijkheid van deze instrumenten ernstig. De huidige sprong in resolutie is te danken aan een nieuwe techniek genaamd elektronenptychografie – een methode die gebruik maakt van berekeningen om de resolutie van elektronenmicroscopen te verhogen – die de afgelopen vijf tot zes jaar het veld stormenderhand heeft veroverd.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign hebben een recordbrekende resolutie aangetoond met behulp van elektronenptychografie op "conventionele" transmissie-elektronenmicroscopen (conventioneel betekent zonder dure aberratiecorrectors). Dit doorbreekt de trend van stijgende microscoopprijzen met toenemende resolutie. Ze waren in staat een diepe ruimtelijke resolutie onder de angstrom te bereiken tot 0,44 angstrom (één angstrom is één tien miljardste van een meter), wat hoger is dan de resolutie van aberratie-gecorrigeerde tools en kan wedijveren met hun hoogste ptychografische resoluties.

"De afgelopen 90 tot 100 jaar heeft ons vakgebied gedacht dat de manier om geweldige microscopie te doen het maken van steeds betere microscopen is", zegt professor materiaalkunde en techniek Pinshane Huang, die dit werk leidde. “Het meest opwindende aan ons onderzoek is dat we laten zien dat je geen geavanceerde microscoop nodig hebt om dit te laten werken. We kunnen een ‘conventionele’ microscoop nemen en hetzelfde doen, met behulp van ptychografie, en het is gewoon zo goed! Dit is verbazingwekkend, want er kan een verschil van meerdere miljoenen dollars in de kosten zitten tussen de twee opstellingen."

Dit onderzoek, mede geschreven door voormalig MatSE UIUC postdoctoraal onderzoeker Kayla Nguyen, voormalig MatSE UIUC afgestudeerde student Chia-Hao Lee en Argonne National Laboratory stafwetenschapper Yi Jiang, werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science .

Vóór de ptychografie gebruikten de elektronenmicroscopen met de hoogste resolutie een technologie die aberratiecorrectie wordt genoemd, zodat wetenschappers individuele atomen konden zien. In plaats van een lichtstraal te gebruiken om een ​​monster te onderzoeken, gebruiken elektronenmicroscopen een elektronenbundel, gefocusseerd door elektromagneten.

Elektronen hebben golflengten die duizenden malen kleiner zijn dan zichtbaar licht, waardoor elektronenmicroscopen objecten kunnen onderscheiden die vele malen kleiner zijn dan met optische microscopen kan worden gezien. Wetenschappers gebruiken deze microscopen om de structuren van objecten te decoderen, variërend van het piekeiwit op het COVID-19-virus tot de rangschikking van atomen in grafeen, en, meer in het algemeen, om in de materie te kijken om de atomaire structuur, samenstelling en binding ervan te begrijpen.

Een van de uitdagingen bij het gebruik van elektronenbundels is echter het focusseren van die bundel. "Het is onmogelijk om een ​​perfecte lens voor elektronen te maken", zegt Huang. "Wat mensen hebben gedaan om dit te compenseren is het maken van 'slechte' lenzen, en daar vervolgens aberratiecorrectors achteraan te zetten. Dit zijn een reeks 'slechte' lenzen die in tegengestelde zin 'slecht' zijn. Samengevat maken ze 'goede' lenzen , en dat is al minstens twintig jaar de gouden standaard voor hoe we ons op atomaire schaal voorstellen."

In de optica is een aberratie elke manier waarop een lens afwijkt van een perfecte lens. Menselijke ogen kunnen bijvoorbeeld verschillende soorten afwijkingen vertonen, zoals bijziendheid en bijziendheid (ogen kunnen niet op alle afstanden scherpstellen) en astigmatisme (kromming van de oogbol die wazig zicht veroorzaakt).

Lee legt uit:"Voor elektromagnetische lenzen is de manier om deze elektronen te focusseren via een elektromagnetisch veld. Maar we hebben geen geweldige manier om de vorm en de sterkte van het elektromagnetische veld te controleren, wat een zeer sterke beperking oplegt aan hoe nauwkeurig we kunnen deze elektronen focusseren."

Bij aberratie-gecorrigeerde microscopie, de huidige geavanceerde technologie, is er een extra stapel lenzen om de aberraties van de gewone lenzen te corrigeren, waardoor de vorm van de straal verandert voordat deze het monster raakt. Die extra aberratie-corrigerende lenzen zijn waar aanzienlijke kosten aan de microscoop worden toegevoegd.

Hoewel het onmogelijk is om een ​​perfecte lens te maken, is het doel van de afgelopen 100 jaar geweest om voortdurend betere lenzen te maken om aberraties te minimaliseren. Maar Huang zegt:"Het spannende aan ptychografie is dat je niet steeds betere lenzen hoeft te maken. Wat we in plaats daarvan kunnen doen is computers gebruiken."

In plaats van een stapel lensoptieken te gebruiken om aberraties te verwijderen, verwijdert ptychografie ze computationeel. Met een nieuwe generatie detectoren, hybride pixeldetectoren genaamd, die een paar honderdduizend dollar kosten (vergeleken met aberratie-gecorrigeerde microscopen die tot zeven miljoen dollar kosten) en computeralgoritmen, kan deze methode de resolutie verdubbelen, verdrievoudigen of zelfs verviervoudigen. een microscoop kan dit bereiken met zijn fysieke lenzen.

Huang en haar team hebben aangetoond dat hun aanpak de resolutie van conventionele transmissie-elektronenmicroscopen verviervoudigt. Bovendien kan vrijwel elke scanning-transmissie-elektronenmicroscoop nu worden aangepast om de allernieuwste resolutie te bereiken tegen een fractie van de kosten.

Hoewel deze aanpak baanbrekend is, merkt Huang op dat ptychografie nog steeds een uitdagende techniek is die veel rekenkracht vereist. Het kan uren duren voordat een enkele reconstructie de beste resolutie bereikt. Maar net als bij veel andere technologieën gaat het rekenen vrij snel vooruit en wordt het goedkoper, sneller en gebruiksvriendelijker.

"We hebben een geavanceerde techniek, elektronenptychografie, toegevoegd aan conventionele transmissie-elektronenmicroscopen om voor de eerste keer te laten zien dat een 'middelmatige' microscoop het net zo goed kan doen als de duurste microscopen op de markt", zegt Huang.

“Dit is belangrijk voor de honderden instellingen in het hele land en over de hele wereld die zich voorheen niet de allernieuwste middelen konden veroorloven. Nu hebben ze alleen nog een detector, wat computers en elektronenptychografie nodig. En als je dat eenmaal doet, kun je zien de atomaire wereld met veel meer details dan iemand zich tien jaar geleden had kunnen voorstellen. Dit vertegenwoordigt een enorme paradigmaverschuiving."

Meer informatie: Kayla X. Nguyen et al, Ptychografie met een resolutie van minder dan 0,5 Angstrom bereiken in een ongecorrigeerde elektronenmicroscoop, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adl2029

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois