Materiaalwetenschappers gebruiken typisch oplossingsfase transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om de unieke fysiochemische eigenschappen van driedimensionale (3-D) structuren van nanokristallen te onthullen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Cyril F. Reboul en een onderzoeksteam aan de Monash University, Australië, Nationale Universiteit van Seoul, Zuid-Korea, en het Lawrence Berkeley National Laboratory, VS, ontwikkelde een Browniaanse 3D-reconstructiemethode met één deeltje. Om dit te bereiken, ze beeldden ensembles van colloïdale nanokristallen af ​​met behulp van grafeen-vloeistofceltransmissie-elektronenmicroscopie. Het team verkreeg projectiebeelden van verschillend geroteerde nanokristallen met behulp van een directe elektronendetector om een ​​ensemble van 3D-reconstructies te verkrijgen. In dit werk, ze introduceerden computationele methoden om met succes 3D-nanokristallen te reconstrueren met atomaire resolutie en bereikten dit door individuele deeltjes door de tijd heen te volgen, terwijl de storende achtergrond wordt afgetrokken. De methode kan ook afbeeldingen van lage kwaliteit identificeren / afwijzen om op maat gemaakte strategieën voor 2-D / 3-D-uitlijning te vergemakkelijken die verschilden van die in biologische cryo-elektronenmicroscopie. Het team maakte de ontwikkelingen beschikbaar via een open-source softwarepakket dat bekend staat als SINGLE. De gratis software is beschikbaar op GitHub.

SINGLE gebruiken voor kristallografie

Onderzoekers hebben de afgelopen 50 jaar vooruitgang geboekt in de kristallografie om het bestaande begrip van scheikunde en biologie te transformeren. Hoe dan ook, sommige doelen, waaronder opgeloste nanokristallen, blijven onhandelbaar voor traditionele kristallografische methoden. Bijvoorbeeld, colloïdale nanokristallen bevatten tientallen tot honderden atomen en onderhouden een verscheidenheid aan toepassingen op multidisciplinaire gebieden, waaronder elektronica, katalyse en biologische sensoren. De veelzijdigheid komt voort uit de hoge gevoeligheid van nanokristaleigenschappen voor grootte, chemische samenstelling en andere variabelen tijdens de synthese. Typisch, wetenschappers gebruiken enkelvoudige deeltjes, 3D-reconstructie in structurele biologie om de structuur van eiwitten te bepalen. De techniek is relatief nieuw voor in-situ 3D-reconstructie van opgeloste individuele nanokristallen. In dit werk, Rebou et al. ontwikkeld ENKEL; een methode die was gebaseerd op de onafhankelijke 3D-reconstructie van opgeloste individuele nanokristallen, inclusief Brownse beweging. De techniek is een eerste stap in de studie om 3D-atomaire structuren van nanokristallen direct vanuit de oplossingsfase op te lossen.

De wetenschappers introduceerden nieuwe voorbewerkingsmethoden om de signaal-ruisverhouding (SNR) te verbeteren om de deeltjestrajecten te volgen terwijl het door grafeen geïnduceerde achtergrondsignaal wordt verwijderd. Geavanceerde computationele methoden kunnen met succes 3D-reconstrueren uit de in-situ grafeen-vloeistofcel (GLC) transmissie-elektronenmicroscopiegegevens. In vergelijking met bestaande technieken, het werk presenteerde de toepasbaarheid van een ongekende computationele methode om 3D-reconstructies met atomaire resolutie te verkrijgen voor nanokristallen die in oplossing zijn verspreid. Ze verdeelden de SINGLE-workflow in twee hoofdstappen (1) voorbewerking en (2) 3D-reconstructie van deeltjes. De wetenschappers wilden de hoogst mogelijke prestaties en efficiëntie bieden op alle CPU-hardware, inclusief supercomputers tot werkstations of zelfs laptops.

Aanvankelijk, het team nam het gemiddelde van het tijdvenster over verschillende frames met anisotrope beweging om de signaal-ruisverhouding te verbeteren, wat leidt tot zichtbare deeltjes en een versterkt grafeensignaal. Het team identificeerde vervolgens de deeltjesposities handmatig in het eerste tijdvenstergemiddelde. Daarna, het team ontwikkelde een startmodel op basis van de verwachte kristallografische structuur, deeltjesdiameter en samenstellende elementen en produceerde 3D-reconstructies met gepaste atomaire coördinaten voor structuuranalyse op atomaire schaal.

Rebou et al. introduceerde een nieuwe volgmethode met behulp van snelle Fourier-transformaties en de fasecorrelatie om een ​​correlatiemaximum met subpixelnauwkeurigheid te identificeren. Het team maakte het extractietijdvenster ongedaan met behulp van op totale variatie (TV) gebaseerde ruisonderdrukking en gecombineerde ruisonderdrukking en tijdmiddeling om een ​​robuuste methode te bieden om de beweging van individuele nanokristallen door het monster te volgen. Dankzij de methode konden ze de algemene vorm van de nanokristallen en/of hun kristallijne kenmerken onderscheiden, wat getuigde van de robuustheid van het volgalgoritme. Met behulp van de methode, ze herstelden ook eerder uitdagende trajecten om 3D-reconstructies te verkrijgen en gebruikten een achtergrond-afgetrokken deeltjestraject in alle beeldverwerkingsstappen voor grafeenaftrekking van de GLC (grafeen-vloeistofcel). Het team karakteriseerde verder de aard van nanokristalrotaties in de zeer beperkte ruimte van de vloeibare grafeencel. De methode was niet triviaal vanwege de probabilistische aard van het 3D-reconstructie-algoritme. Het team nam daarom een ​​deterministische benadering op om de nauwkeurigheid van de cluster te verbeteren, terwijl de signaal-ruisverhouding ten opzichte van de afzonderlijke frames wordt verbeterd.

Modellen genereren

De onderzoekers ontwikkelden vervolgens een startmodel met de wetenschap dat deeltjes een ongeveer kubieke atomaire positie-rangschikking hebben. Ze simuleerden de atomaire dichtheden met behulp van 5-Gaussiaanse atomaire verstrooiingsfactoren. De 2D-projecties van de gesimuleerde 3D-dichtheid vertegenwoordigden het karakter van projecties in de kern van het nanokristal, om problemen met translatiesymmetrie en een storend achtergrondsignaal op te lossen. De 3D-verfijningsmethode die wordt gebruikt voor biologische cryo-elektronenmicroscopie kon niet eenvoudig worden toegepast op tijdreeksgegevens van nanokristallen; daarom, Rebou et al. kritische wijzigingen aangebracht. Ze gebruikten een tweetraps verfijningsschema om de juiste vorm van het nanokristal vast te stellen, zodat atomen en hun vormen de 3D-uitlijning kunnen aansturen. De onderzoekers kozen drie nanokristallen van verschillende groottes die niet eerder waren gereconstrueerd voor benchmarking, vervolgens met behulp van atomaire kaarten geproduceerd met de methode, Rebou et al. verkregen microscopische structurele details op atomair niveau. Het werk faciliteerde ook atomaire kaarten met details over stamanalyse en eenheidscelstructuuranalyse.

De 3D-reconstructies valideren

De onderzoekers genereerden verder een model van een ongeordend nanokristal met behulp van moleculaire dynamische simulaties om de toepasbaarheid van SINGLE op zeer ongeordende nanokristallen te begrijpen. Met behulp van multi-slice simulaties, ze pasten translatiebewegingen en willekeurige defocusvariaties toe om realistische deeltjesbewegingen weer te geven. Vervolgens verkregen ze een 3D-dichtheidskaart van het ongeordende nanokristal uit 500 gesimuleerde afbeeldingen met een signaal-ruisverhouding van 0,1 en een startmodel met een perfecte kristallijne orde dat uitstekend overeenkwam met de oorspronkelijke deeltjes. Het team heeft de verdeling van de projectierichtingen van de roterende nanokristallen verkregen om de kwaliteit van de 3D-reconstructie te valideren en zal verder onderzoek nodig hebben om te begrijpen hoe de werkelijke atomaire structuren van nanokristallen de rotatiedynamiek beïnvloeden.

Op deze manier, Cyril F. Reboul en collega's demonstreerden computationele methoden in SINGLE om nanokristaldichtheidskaarten met atomaire resolutie te verkrijgen. Met behulp van een geavanceerde vloeibare celconfiguratie zoals grafeen vloeibare cellen met geordende nanokamers, het team maakte controle over de vloeistofdikte mogelijk om de toepasbaarheid van SINGLE voor efficiënte data-acquisitie uit te breiden. De SINGLE-suite bood een eerste-in-studie efficiënt analytisch platform om de structurele oorsprong van de unieke fysische en chemische eigenschappen van nanokristallen in hun oorspronkelijke oplossingsfase te begrijpen.

© 2021 Science X Network