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Schnelle und zuverlässige 3D-Abbildung von Nanostrukturen

Cécile Hébert/Emad Oveisi/EPFL

Hierbei handelt es sich um ein übereinanderliegendes, kipploses Elektronenmikroskopie-Stereobild (farbgefiltert) von Kohlenstoff-Nanosphären, die mit Nanopartikeln versehen sind. Die gleichen Strukturen erscheinen in Rot und Blau und die Nanopartikel sind entsprechend ihrer 3-D-Verteilung in der Kohlenstoffkugel leicht verschoben. Dieses Bild zeigt die Anwendbarkeit der neuen 3D-Abbildungstechniken auf andere Strukturen.

Cécile Hébert/Emad Oveisi/EPFL

Die 3-D-Konfiguration der Dislokationen wird mit nur zwei Stereobildern rekonstruiert, die mit dem 3-D-Elektronenbildverfahren aufgenommen wurden.

08.09.2017: Physikalische und biologische Wissenschaften verlangen zunehmend die Fähigkeit, Objekte in Nanogröße zu beobachten. Dies kann mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erreicht werden, die sich in der Regel auf 2D-Bilder beschränkt. Die Verwendung von TEM zur Rekonstruktion von 3D-Bildern erfordert normalerweise das Kippen der Probe durch einen Bogen, um Hunderte von Ansichten davon abzubilden. Nun haben die Wissenschaftler der EPFL ein Rasterelektronenmikroskopieverfahren entwickelt, das aus einer einzigen Probenorientierung schnelle und zuverlässige 3D-Bilder von krummlinigen Strukturen erzeugt.

Die Labore von Cécile Hébert und Pascal Fua an der EPFL haben eine elektronenmikroskopische Methode entwickelt, mit der sich 3D-Bilder von komplexen krummlinigen Strukturen ohne Neigung der Probe erzeugen lassen. Die Technik, die vom EPFL-Forscher Emad Oveisi entwickelt wurde, beruht auf einer TEM-Variante, dem so genannten Scanning TEM (STEM), bei der ein fokussierter Elektronenstrahl über die Probe gescannt wird.

Die Neuheit der Methode besteht darin, dass sie Bilder in einer einzigen Aufnahme aufnehmen kann, was den Weg für ein dynamisches Studium von Proben eröffnet, die sich im Laufe der Zeit verändern. Außerdem kann es schnell ein dreidimensionales "Gefühl" erzeugen, genau wie wir es von einem 3D-Kino gewohnt sind.

"Unsere eigenen Augen können 3D-Darstellungen eines Objekts sehen, indem sie zwei verschiedene Perspektiven miteinander kombinieren, aber das Gehirn muss die visuelle Information mit seinem Vorwissen über die Form bestimmter Objekte ergänzen", sagt Hébert. "In einigen Fällen wissen wir aber bei TEM, welche Form die Struktur der Probe haben muss. Zum Beispiel kann sie kurvilinear sein, wie DNA oder die mysteriösen Defekte, die wir als Dislokationen bezeichnen, welche die optoelektronischen oder mechanischen Eigenschaften von Materialien bestimmen."

Der klassische Ansatz

TEM ist eine sehr leistungsfähige Technik, die hochauflösende Ansichten von Objekten im Nanometerbereich liefern kann - zum Beispiel von einem Virus oder einem Kristalldefekt. TEM liefert jedoch nur 2D-Bilder, die nicht ausreichen, um die 3D-Morphologie der Probe zu identifizieren, was die Forschung oft einschränkt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, aufeinanderfolgende Bilder aufzunehmen, während das Objekt durch einen Kippbogen gedreht wird. Die Bilder können dann am Computer rekonstruiert werden, um eine 3D-Darstellung der Probe zu erhalten.

Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass er eine extreme Präzision bei Hunderten von Bildern erfordert, was schwer zu erreichen ist. Die so erzeugten 3D-Bilder sind auch anfällig für Artefakte, die sich später nur schwer entfernen lassen. Schließlich erfordert die Aufnahme mehrerer Bilder mit TEM das jedes Mal einen Elektronenstrahl durch die Probe hindurch geschickt wird. Somit kann die Gesamtdosis die Struktur der Probe während der Aufnahme tatsächlich beeinflussen und ein falsches oder beschädigtes Bild erzeugen.

Der neue Ansatz

Bei der von den Forschern entwickelten REM-Methode steht die Probe still, während das Mikroskop zwei gegeneinander geneigte Elektronenstrahlen aussendet und zwei Detektoren gleichzeitig das Signal aufzeichnen. Dadurch ist das Verfahren wesentlich schneller als die bisherige TEM 3D-Bildgebungstechnik und nahezu artefaktfrei.

Das Team nutzte auch einen hochentwickelten Bildverarbeitungsalgorithmus, der in Zusammenarbeit mit Fua's CVlab entwickelt wurde, um die Anzahl der für die 3D-Rekonstruktion benötigten Bilder auf zwei Bilder mit unterschiedlichen Elektronenstrahlwinkeln zu reduzieren. Dies erhöht die Effizienz der Datenerfassung und 3D-Rekonstruktion um ein bis zwei Größenordnungen gegenüber herkömmlichen TEM-3D-Techniken. Gleichzeitig verhindert es Strukturveränderungen an der Probe durch hohe Elektronendosen.

Aufgrund seiner Schnelligkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Problemen mit Standard-TEM-Methoden ist dieses "Tiltless 3D Electron Imaging" -Verfahren von großem Vorteil für die Untersuchung strahlungsempfindlicher, polykristalliner oder magnetischer Materialien. Und weil die Gesamtelektronendosis auf einen einzigen Scan reduziert wird, eröffnet die Methode neue Wege für die Echtzeit-3D-Elektronenabbildung dynamischer materieller und biologischer Prozesse.

Originalveröffentlichung:
Emad Oveisi, Antoine Letouzey, Duncan T. L. Alexander, Quentin Jeangros, Robin Schäublin, Guillaume Lucas, Pascal Fua & Cécile Hébert; "Tilt-less 3-D electron imaging and reconstruction of complex curvilinear structures"; Scientific Reports; 2017

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