Durchbruch in der Mikroskopie verspricht bessere Bildgebung für empfindliche Materialien

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Trinity College Dublin hat eine innovative Bildgebungsmethode entwickelt, die modernste Mikroskope verwendet und den Zeit- und Strahlenaufwand erheblich reduziert. Ihre Arbeit stellt einen bedeutenden Durchbruch dar, der mehreren Disziplinen von der Materialwissenschaft bis zur Medizin zugutekommen wird, da die Methode eine verbesserte Bildgebung für empfindliche Materialien wie biologisches Gewebe verspricht, das besonders anfällig für Schäden ist.

Derzeit richten Rastertransmissionselektronenmikroskope (STEMs) einen hochfokussierten Elektronenstrahl über Proben und bauen so Punkt für Punkt Bilder auf. Herkömmlicherweise stoppt der Strahl an jedem Punkt für eine feste, vordefinierte Zeit und hält inne, um Signale zu sammeln.

Ähnlich wie bei Kameras, die fotografischen Film verwenden, werden hiermit Bilder mit einer überall konstanten Belichtungszeit erzeugt, unabhängig von den Merkmalen im Bildbereich. Elektronen fallen kontinuierlich auf die Probe, bis die sogenannte „Verweilzeit“ für jedes Pixel abgelaufen ist. Der herkömmliche Ansatz ist einfach umzusetzen, birgt jedoch das Risiko übermäßiger schädlicher Strahlung, die zu einer Veränderung oder Zerstörung der Probe führen kann.

Die neue Methode revolutioniert jedoch den zugrunde liegenden Ansatz, indem sie die grundlegende Logik der Bildgebung neu betrachtet. Anstatt über einen festgelegten Zeitraum zu beobachten und die Anzahl der erkannten „Ereignisse“ zu messen – bei denen Elektronen von verschiedenen Teilen der Probe gestreut werden, um ein Bild zu erzeugen – entwickelte das Team ein ereignisbasiertes Erkennungssystem, bei dem die unterschiedliche Zeit gemessen wird, die zum Erkennen einer festgelegten Anzahl dieser Ereignisse benötigt wird.

Beide Ansätze können einen gleichwertigen Bildkontrast mit „Erkennungsrate“ liefern, aber entscheidend ist, dass die neue mathematische Theorie hinter ihrem Ansatz zeigt, dass das erste an jeder Prüfposition erkannte Elektron viele Informationen für den Aufbau des Bildes liefert, aber nachfolgende Elektronentreffer an derselben Stelle schnell abnehmende Informationsrückgaben liefern. Und jedes Elektron auf der Probe birgt das gleiche Risiko einer Beschädigung.

Im Wesentlichen bedeutet die neue Methode, dass Sie die Beleuchtung genau am Höhepunkt der Abbildungseffizienz „abschalten“ können und so weniger Elektronen benötigen, um ein Bild ähnlicher oder besserer Qualität zu erzeugen.

Eine Theorie allein liefert jedoch noch keinen reduzierten Strahlungsmodus. Um dies zu erreichen, hat das Team gemeinsam mit IDES Ltd. eine Technologie (Tempo STEM) patentiert, die genau dies erreicht. Sie kombiniert einen Hightech-Strahlaustaster, der den Strahl ausblendet, sobald die gewünschte Präzision an jedem Messpunkt in der Probe erreicht ist.

Dr. Lewys Jones, Ussher-Assistenzprofessor an der Fakultät für Physik des Trinity College Dublin, Forschungsstipendiat der Royal Society-Science Foundation Ireland University und Forscher bei AMBER, dem SFI-Zentrum für fortgeschrittene Werkstoff- und Bioingenieurforschung, leitete das Team hinter dem Forschungsartikel, der veröffentlicht In Wissenschaft.

Er sagte: „Die Kombination zweier bereits hochmoderner Technologien auf so spannende Weise bedeutet einen echten Leistungssprung des Mikroskops. Mikroskopikern die Möglichkeit zu geben, den Elektronenstrahl als Reaktion auf Echtzeitereignisse innerhalb von Nanosekunden ‚auszublenden‘ oder ‚auszublenden‘, ist noch nie zuvor gelungen.“

„Unser Ansatz verringert die Gesamtstrahlungsdosis, die zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Bilder erforderlich ist, eliminiert die Überdosis, die nur zu abnehmenden Ergebnissen führt, und vermeidet unnötige Schäden an der Probe.“

Dr. Jon Peters von Trinity ist Erstautor der Arbeit. Er sagte: „Wir neigen dazu, Elektronen aus Strahlungsperspektive als relativ mild zu betrachten, aber wenn sie mit einer Geschwindigkeit von etwa 75 % der Lichtgeschwindigkeit auf eine winzige biologische Probe abgefeuert werden, ist es keine Überraschung, dass sie diese Proben beschädigen.“

„Dies ist ein großes Problem für die Mikroskopie, da die erhaltenen Bilder unbrauchbar oder, schlimmer noch, irreführend sein können. Dies ist offensichtlich problematisch, wenn Sie Entscheidungen über zukünftige Batteriematerialien oder die Entwicklung von Katalysatoren treffen müssen.“