Wetenschappers van het Ernst Ruska-Centre in Forschungszentrum Jülich maakten met een transmissie-elektronenmicroscoop bijna 3500 beelden in 3,5 seconden voor de reconstructie van een 3D-elektronentomogram. Eerder, 10 tot 60 minuten en een tienvoudig grotere elektronendosis waren nodig om dergelijke beeldsequenties vast te leggen. De nieuwe mogelijkheid is bijzonder geschikt voor het onderzoeken van biologische cellen, bacteriën en virussen, waarvan de structuur kan worden beschadigd door de elektronenstraal. In aanvulling, het maakt dynamische processen mogelijk, zoals chemische reacties en elektronische schakelverschijnselen, in realtime in drie dimensies te visualiseren met een precisie tot op de nanometer. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Elektronentomografie is verwant aan computertomografie, die onmisbaar is geworden in onderzoek en klinische studies. Elektronentomogrammen kunnen worden verkregen uit veel kleinere volumes dan met op röntgenstraling gebaseerde technieken. De driedimensionale ruimtelijke resolutie van elektronentomografie is het hoogst haalbare met de huidige technologie. De methode is bij uitstek geschikt voor het bestuderen van virussen en bacteriën om de ontwikkeling van medicijnen te vergemakkelijken, of voor het in beeld brengen van de structuren van nieuwe nanomaterialen voor toepassingen die variëren van nano-elektronica tot energietechnologie.

"Het vermogen om beeldacquisitie te versnellen en de stralingsdosis te verminderen, opent nieuwe horizonten, met name in life sciences en onderzoek naar zachte materie, door elektronentomografie, " zegt prof. Rafal Dunin-Borkowski. In deze techniek, een transmissie-elektronenmicroscoop wordt gebruikt om snel achter elkaar beelden van een submicrometergebied vanuit verschillende hoeken op te nemen.

"De afzonderlijke afbeeldingen tonen geen doorsneden van het monster. In plaats daarvan, de informatie van verschillende diepten erin wordt gesuperponeerd - vergelijkbaar met een röntgenfoto - en geprojecteerd op een vlak, " legt de directeur van het Ernst Ruska-Centre uit, die ook directeur is van het Institute for Microstructure Research (PGI-5) in het Peter Grünberg Institute in Jülich. Om deze reden, algoritmen zijn nodig om een ​​computer uit de reeks beelden een driedimensionale reconstructie van het object te laten berekenen.

De resolutie die kan worden bereikt, wordt beperkt door het destructieve effect van de elektronenstraal op het monster. Zacht, biologische monsters, vooral, slechts een beperkt aantal afbeeldingen tolereren. Hun gevoelige structuren, bijvoorbeeld die van eiwitten, worden snel vernietigd door hoogenergetische elektronen. Om de elektronendosis te verminderen, de onderzoekers in het Ernst Ruska-Centre rustten hun elektronenmicroscoop uit met een nieuwe detector. Deze enkelvoudige elektronendetectiecamera registreert direct binnenkomende elektronen, zonder ze in fotonen te hoeven omzetten, d.w.z. licht - de gebruikelijke praktijk vandaag.

"De nieuwste generatie detectorchips heeft een zeer hoge gevoeligheid, wat betekent dat voor dezelfde beeldkwaliteit een elektronenbundeldosis die twee tot drie keer lager is, voldoende is, " legt Dr. Vadim Migunov uit, van het Ernst Ruska-Centre en Jülich's Peter Grünberg Institute. Zijn collega's van het Central Institute of Engineering van Jülich, Electronics and Analytics (ZEA-2) hielp de elektronica in de chip te ontwikkelen, wat zorgt voor een hoge uitleessnelheid van gegevens en dus voor extreem hoge opnamesnelheden.

Eerste tests met nanobuisjes en katalysatoren

Om de verbeterde techniek te testen, Vadim Migunov, samen met zijn collega's van het Ernst Ruska-Centre, onderzocht een anorganische lanthanide nanobuis met behulp van de nieuwe sensor. Dergelijke structuren zijn momenteel van belang omdat ze geschikt kunnen zijn voor elektriciteitsopwekking uit afvalwarmte of als nieuwe lichtbronnen en katalysatoren. Met een opnamesnelheid van ongeveer 1000 beelden per seconde, elektronentomografie kan nu worden gebruikt voor observaties op nanoschaal van snelle processen zoals chemische reacties met katalysatoren, kristalgroeiprocessen of faseovergangen, " legt Vadim Migunov uit.

Studies met een betere temporele en ruimtelijke resolutie zouden kunnen helpen onthullen waarom de functionaliteit van nanokatalysatoren in de loop van de tijd verloren gaat. Katalysator-nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om waterstof te produceren en schadelijke broeikasgassen te scheiden. Hun efficiëntie hangt voornamelijk af van hoe atomen zijn gerangschikt op de oppervlakken waarop de chemische reacties plaatsvinden.

De nieuwe techniek heeft extra voordelen. Er zijn slechts enkele seconden rekentijd nodig om de driedimensionale structuur van een monster op een computer vast te leggen en te reconstrueren. De benodigde tijd is dus erg kort en wetenschappers kunnen experimenten niet alleen in 3D, maar ook bijna "live" observeren.