Fysische en biologische wetenschappen vereisen in toenemende mate het vermogen om objecten van nanogrootte te observeren. Dit kan worden bereikt met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), die over het algemeen beperkt is tot 2D-beelden. Het gebruik van TEM om 3D-beelden te reconstrueren vereist in plaats daarvan meestal het kantelen van het monster door een boog om honderden weergaven ervan af te beelden en vereist geavanceerde beeldverwerking om hun 3D-vorm te reconstrueren, het creëren van een aantal problemen. Nutsvoorzieningen, EPFL-wetenschappers hebben een scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) -methode ontwikkeld die snelle en betrouwbare 3D-beelden van kromlijnige structuren genereert vanuit een enkele monsteroriëntatie. Het werk is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

De laboratoria van Cécile Hébert en Pascal Fua van EPFL hebben een elektronenmicroscopiemethode ontwikkeld waarmee 3D-beelden van complexe kromlijnige structuren kunnen worden verkregen zonder dat het monster hoeft te worden gekanteld. De techniek, ontwikkeld door EPFL-onderzoeker Emad Oveisi, vertrouwt op een variatie van TEM genaamd scanning TEM (STEM), waar een gerichte elektronenstraal over het monster scant.

De nieuwigheid van de methode is dat het beelden in een enkele opname kan verkrijgen, wat de weg opent om monsters dynamisch te bestuderen als ze in de loop van de tijd veranderen. Verder, het kan snel een "gevoel" van drie dimensies geven, net zoals we zouden hebben met een 3D-bioscoop.

"Onze eigen ogen kunnen 3D-weergaven van een object zien door twee verschillende perspectieven ervan te combineren, maar het brein moet de visuele informatie nog aanvullen met zijn eerdere kennis van de vorm van bepaalde objecten, " zegt Hébert. "Maar in sommige gevallen weten we met TEM iets over welke vorm de structuur van het monster moet hebben. Bijvoorbeeld, het kan kromlijnig zijn, zoals DNA of de mysterieuze defecten die we 'dislocaties' noemen, die de opto-elektronische of mechanische eigenschappen van materialen regelen."

De klassieke benadering

TEM is een zeer krachtige techniek die objecten met een hoge resolutie van slechts enkele nanometers breed kan weergeven, bijvoorbeeld een virus, of een kristaldefect. TEM biedt echter alleen 2D-beelden, die niet voldoende zijn om de 3D-morfologie van het monster te identificeren, wat het onderzoek vaak beperkt. Een manier om dit probleem te omzeilen is om opeenvolgende beelden te verkrijgen terwijl het monster door een kantelboog wordt gedraaid. De afbeeldingen kunnen vervolgens op een computer worden gereconstrueerd om een ​​3D-weergave van het monster te krijgen.

Het probleem met deze aanpak is dat het extreme precisie vereist op honderden afbeeldingen, wat moeilijk te realiseren is. De 3D-beelden die op deze manier worden gegenereerd, zijn ook gevoelig voor artefacten, die achteraf moeilijk te verwijderen zijn. Eindelijk, om meerdere afbeeldingen met TEM te maken, moet elke keer een elektronenstraal door het monster worden genomen, en de totale dosis kan de structuur van het monster tijdens de acquisitie daadwerkelijk beïnvloeden en een vals of beschadigd beeld produceren.

De nieuwe aanpak

In de door de onderzoekers ontwikkelde STEM-methode het monster staat stil terwijl de microscoop twee tegen elkaar gekantelde elektronenbundels zendt, en twee detectoren worden tegelijkertijd gebruikt om het signaal op te nemen. Als resultaat, het proces is veel sneller dan de vorige TEM 3D-beeldvormingstechniek en met bijna geen artefacten.

Het team gebruikte ook een geavanceerd beeldverwerkingsalgoritme, ontwikkeld in samenwerking met Fua's CVlab, om het aantal afbeeldingen dat nodig is voor 3D-reconstructie te verminderen tot slechts twee afbeeldingen die bij verschillende elektronenbundelhoeken zijn genomen. Dit verhoogt de efficiëntie van data-acquisitie en 3D-reconstructie met één tot twee ordes van grootte in vergelijking met conventionele TEM 3D-technieken. Tegelijkertijd, het voorkomt structurele veranderingen op het monster als gevolg van hoge elektronendoses.

Vanwege de snelheid en immuniteit voor problemen met standaard TEM-methoden, deze "tilt-less 3D electron imaging" methode is van groot voordeel voor het bestuderen van stralingsgevoelige, polykristallijn, of magnetische materialen. En omdat de totale elektronendosis wordt teruggebracht tot een enkele scan, de methode zal naar verwachting nieuwe wegen openen voor realtime 3D-elektronenbeeldvorming van dynamisch materiaal en biologische processen.