In hun kern, elektronenmicroscopen werken veel als een filmprojector. Een krachtige straal gaat door een materiaal en projecteert iets - meestal iets dat we echt willen zien - op een scherm aan de andere kant. Met de meeste elektronenmicroscopen, echter, het vastleggen van gegevens is als proberen een film te projecteren op een vuil scherm dat te klein is om de hele projectie te zien. Maar een nieuwe cameratechnologie, getest door onderzoekers van Drexel University, stelt de microscopen in staat om een ​​duidelijker, meer complete en gedetailleerde kijk op hun aanbevolen presentatie.

Met behulp van een directe detectiecamera en een beeldfilter, de groep ontdekte dat het een scherper beeld kan krijgen van de chemische structuur en samenstelling, en om deze gegevens vrij snel te verkrijgen. Het is ook gevoelig genoeg om de microscoop zo te bedienen dat wetenschappers fragiele, biologische monsters zonder ze te beschadigen. Drexel is de eerste die het gebruik van deze technologieën combineert om onderzoekers een gedetailleerd, duidelijk inzicht in de mechanismen achter chemische en fysische reacties, bijna net zo snel als ze optreden.

Het team, onder leiding van Mitra Taheri, doctoraat, Hoeganaes universitair hoofddocent aan Drexel's College of Engineering en directeur van de Dynamic Characterization Group in de afdeling Materials Science and Engineering, publiceerde onlangs haar bevindingen van een zij-aan-zij-test van een nieuw ontwikkelde camera met directe detectie en een conventionele camera met indirecte detectie, beide ontwikkeld door Gatan. Hun stuk in het journaal Natuurwetenschappelijke rapporten , suggereert dat het toepassen van een directe detectiesensor op standaard elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) het vermogen van wetenschappers om een ​​materiaalstructuur en chemie op nanometerniveau te bestuderen aanzienlijk zal verbeteren

"EELS is een populaire techniek die al een tijdje bestaat, echter, het geluid dat aanwezig is in EELS is een groot probleem, " volgens Jamie Hart, een doctoraal onderzoeker en co-auteur van het artikel. "Door directe detectie toe te passen op EELS, we kunnen de experimentele ruis aanzienlijk verminderen, die zal verbeteren ten opzichte van real-time observatie van dynamische processen, zoals het volgen van de beweging van lithiumionen in Li-ionbatterijen, en het zal de studie van gevoelige materialen helpen, als biologische materie."

In feite eindigt elke vergelijking tussen een elektronenmicroscoop en een filmprojector met de "aan"-knop. In plaats van licht door film te duwen, elektronenmicroscopen schieten een bundel geladen elektronen door het bestudeerde monstermateriaal. Ze gaan door het materiaal en worden vastgelegd door een camera. De interpretatie door de camera van de reis van de elektronen kan onderzoekers veel vertellen over het materiaal. Sommige elektronen gaan door het materiaal alsof het er niet eens was. Sommigen passeren maar veranderen van richting. Anderen passeren maar bewegen nu met een andere snelheid. Al deze gedragingen geven onderzoekers aanwijzingen over de chemische samenstelling en de interne structuur van het materiaal.

Dus het toevoegen van een meer geavanceerde camera aan een microscoop kan een groot verschil maken in de gegevens die onderzoekers kunnen verzamelen.

Taheri's lab is de eerste die dit type camera gebruikt, een Gatan K2 directe detectiecamera, met een elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS) microscoop - een type dat zijn conclusies over een monster trekt door te meten hoeveel energie elektronen verliezen wanneer ze er doorheen gaan. EELS-technologie wordt meestal gebruikt door onderzoekers die proberen te bepalen welke elementen aanwezig zijn in een monster of de chemische structuur van een bepaald element. Maar door de directe detectiecamera aan het systeem toe te voegen, Het team van Drexel kan beide bepalen welke elementen aanwezig zijn en de chemische binding van elk begrijpen.

"Directe detectie biedt gegevens met een hogere energieresolutie, die ons helpt te begrijpen hoe atomen aan elkaar zijn gebonden, en het biedt een groter energieveld, waardoor we meer elementen tegelijk kunnen zien, ' zei Hart.

De hoge gevoeligheid van de nieuwe camera betekent dat hij een materiaal zachter kan aftasten, het blootstellen aan een lagere dosis elektronen, dan andere microscopen die een krachtigere straal door het monster blazen. Daarom, het kan worden gebruikt om meer kwetsbare monsters zoals virussen en bacteriën te bestuderen.

"Het gebruik van de geluidsarme directe detectiesensor zal het aantal elektronen dat nodig is voor analyse met een factor 2-5 verminderen, voor biologische monsters die gemakkelijk worden vernietigd onder de elektronenstraal, dit maakt een groot verschil. Ook, als we een snelle reactie willen zien, hierdoor kunnen we naar hogere framesnelheden gaan", zei Hart.

Om het te laten werken, Gatan moest zijn eigen software-interface met EELS ontwikkelen en een protocol om het te bedienen - wat geen geringe taak is gezien het apparaat tot 1 kan vastleggen. 600 beelden per seconde, wat overeenkomt met ongeveer 2 gigabyte aan gegevens, en loopt zo heet dat het een constante circulatie van water nodig heeft om het koel te houden.

"Een van de grootste uitdagingen bij het verzamelen van gegevens met een hoge framesnelheid is opslag en verwerking. het genereert 400 beelden per seconde, elk is 16 miljoen pixels, en dat klopt allemaal " zei Andrew Lang, een doctoraal onderzoeker in het lab van Taheri. "Ons serverrack kan meer dan 3 gigabyte per seconde aan gegevens verwerken met enkele van de snelste solid-state drive-arrays die momenteel beschikbaar zijn."

Maar al die moeite is het waard, volgens de ploeg wanneer u een hogere resolutie kunt verzamelen, schonere gegevens in een kortere tijd dan met een conventionele camera. Het team gebruikt momenteel de K2 om materialen te onderzoeken die in ontwikkeling zijn voor computercomponenten, energieopslag en elektromagnetische afscherming, en ze suggereren dat het ook kan worden gebruikt om virussen en bacteriën te bestuderen.