Wir bringen High-End-Auflösung in kostengünstigere Mikroskope

Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign haben erstmals gezeigt, dass teure, aberrationskorrigierte Mikroskope nicht mehr erforderlich sind, um eine rekordverdächtige mikroskopische Auflösung zu erreichen.

Der Bereich der Mikroskopie befindet sich mitten in einer großen Revolution. Seit dem 19. Jahrhundert und der Erfindung des Verbundlichtmikroskops gab es nur wenige große Auflösungssprünge, um verschiedene Längenskalen zu erkennen: von Bakterien und Zellen über Viren und Proteine ​​bis hin zu einzelnen Atomen.

Generell gilt, dass mit den unglaublichen Sprüngen bei der Auflösung auch der Preis der Mikroskope, die zur Erzielung dieser Auflösung verwendet werden, gestiegen ist. Solch hohe Preise schränken die Zugänglichkeit dieser Instrumente erheblich ein. Der aktuelle Auflösungssprung ist auf eine neue Technik namens Elektronenptychographie zurückzuführen – eine Methode, die mithilfe von Berechnungen die Auflösung von Elektronenmikroskopen steigert –, die in den letzten fünf bis sechs Jahren das Feld im Sturm erobert hat.

Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben mithilfe der Elektronenptychographie auf „herkömmlichen“ Transmissionselektronenmikroskopen (konventionell bedeutet ohne teure Aberrationskorrektoren) eine rekordverdächtige Auflösung demonstriert. Dies durchbricht den Trend, dass die Mikroskoppreise mit zunehmender Auflösung steigen. Sie konnten eine tiefe räumliche Auflösung im Sub-Angström-Bereich bis zu 0,44 Angström erreichen (ein Angström ist ein Zehnmilliardstel Meter), was die Auflösung von aberrationskorrigierten Werkzeugen übertrifft und mit deren höchsten ptychografischen Auflösungen mithalten kann.

„In den letzten 90 bis 100 Jahren war man in unserem Fachgebiet davon überzeugt, dass der Weg zu großartiger Mikroskopie darin besteht, immer bessere Mikroskope herzustellen“, sagt Pinshane Huang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, der diese Arbeit leitete. „Das Aufregendste an unserer Forschung ist, dass wir zeigen, dass man dafür kein hochmodernes Mikroskop braucht. Wir können ein „konventionelles“ Mikroskop nehmen und das Gleiche tun, indem wir Ptychographie verwenden, und es ist einfach.“ so gut! Das ist erstaunlich, da es zwischen den beiden Konfigurationen einen Kostenunterschied von mehreren Millionen Dollar geben kann.“

Diese Forschungdas gemeinsam von der ehemaligen MatSE UIUC-Postdoktorandin Kayla Nguyen, der ehemaligen MatSE UIUC-Doktorandin Chia-Hao Lee und dem wissenschaftlichen Mitarbeiter des Argonne National Laboratory, Yi Jiang, verfasst wurde, wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

Vor der Ptychographie nutzten die Elektronenmikroskope mit der höchsten Auflösung eine Technologie namens Aberrationskorrektur, um Wissenschaftlern die Sicht auf einzelne Atome zu ermöglichen. Anstatt einen Lichtstrahl zur Untersuchung einer Probe zu verwenden, verwenden Elektronenmikroskope einen Elektronenstrahl, der von Elektromagneten fokussiert wird.

Elektronen haben eine tausendmal kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht, wodurch Elektronenmikroskope Objekte auflösen können, die um ein Vielfaches kleiner sind, als sie mit optischen Mikroskopen sichtbar sind. Wissenschaftler verwenden diese Mikroskope, um die Strukturen von Objekten zu entschlüsseln, die vom Spike-Protein des COVID-19-Virus bis zur Anordnung von Atomen in Graphen reichen, und ganz allgemein, um in das Innere der Materie zu blicken, um deren atomare Struktur, Zusammensetzung und Bindung zu verstehen.

Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Elektronenstrahlen besteht jedoch darin, diesen Strahl zu fokussieren. „Es ist unmöglich, eine perfekte Linse für Elektronen herzustellen“, sagt Huang. „Um das zu kompensieren, haben die Leute ‚schlechte‘ Objektive hergestellt und ihnen dann Aberrationskorrektoren hinzugefügt, also eine Reihe von ‚schlechten‘ Objektiven, die in entgegengesetzter Weise ‚schlecht‘ sind. Zusammengenommen ergeben sie ‚gute‘ Objektive.“ , und das ist seit mindestens 20 Jahren der Goldstandard dafür, wie wir uns auf atomarer Ebene vorstellen.“

In der Optik ist eine Aberration jede Art und Weise, in der eine Linse von einer perfekten Linse abweicht. Beispielsweise können menschliche Augen verschiedene Arten von Aberrationen aufweisen, wie Kurz- und Kurzsichtigkeit (Augen können nicht auf alle Entfernungen fokussieren) und Astigmatismus (Krümmung des Augapfels, die zu verschwommenem Sehen führt).

Lee erklärt: „Bei elektromagnetischen Linsen erfolgt die Fokussierung dieser Elektronen durch ein elektromagnetisches Feld. Wir haben jedoch keine gute Möglichkeit, die Form und Stärke des elektromagnetischen Feldes zu steuern, was die Präzision sehr stark einschränkt.“ Wir können diese Elektronen fokussieren.“

Bei der aberrationskorrigierten Mikroskopie, der aktuellen Spitzentechnologie, gibt es einen zusätzlichen Linsenstapel zur Korrektur der Aberrationen der regulären Linsen, der die Form des Strahls ändert, bevor er auf die Probe trifft. Diese zusätzlichen aberrationskorrigierenden Linsen verursachen erhebliche zusätzliche Kosten für das Mikroskop.

Obwohl es unmöglich ist, eine perfekte Linse herzustellen, bestand das Ziel der letzten 100 Jahre darin, kontinuierlich bessere Linsen herzustellen, um Aberrationen zu minimieren. Aber Huang sagt: „Das Spannende an der Ptychographie ist, dass man nicht immer bessere Linsen herstellen muss. Stattdessen können wir Computer verwenden.“

Anstatt einen Stapel von Linsenoptiken zu verwenden, um Aberrationen zu entfernen, entfernt die Ptychographie sie rechnerisch. Mit einer neuen Generation von Detektoren, sogenannten Hybrid-Pixel-Detektoren, die ein paar hunderttausend Dollar kosten (im Vergleich zu aberrationskorrigierten Mikroskopen, die bis zu 7 Millionen Dollar kosten) und Computeralgorithmen, kann diese Methode die Auflösung verdoppeln, verdreifachen oder sogar vervierfachen was ein Mikroskop mit seinen physikalischen Linsen leisten kann.

Huang und ihr Team haben gezeigt, dass ihr Ansatz die Auflösung herkömmlicher Transmissionselektronenmikroskope vervierfacht. Darüber hinaus kann mittlerweile nahezu jedes Rastertransmissionselektronenmikroskop angepasst werden, um eine hochmoderne Auflösung zu einem Bruchteil der Kosten zu erreichen.

Obwohl dieser Ansatz bahnbrechend ist, stellt Huang fest, dass die Ptychographie immer noch eine anspruchsvolle Technik ist, die viel Rechenleistung erfordert. Es kann Stunden dauern, bis eine einzelne Rekonstruktion die beste Auflösung erreicht. Aber wie bei vielen anderen Technologien schreitet die Rechenleistung recht schnell voran und wird kostengünstiger, schneller und benutzerfreundlicher.

„Wir haben eine hochmoderne Technik, die Elektronenptychographie, in herkömmliche Transmissionselektronenmikroskope integriert, um zum ersten Mal zu zeigen, dass ein ‚mittelmäßiges‘ Mikroskop genauso gut funktionieren kann wie die teuersten Mikroskope auf dem Markt“, sagt Huang.

„Das ist von Bedeutung für die Hunderte von Institutionen im ganzen Land und auf der ganzen Welt, die sich früher die modernste Technik nicht leisten konnten. Jetzt brauchen sie nur noch einen Detektor, ein paar Computer und Elektronen-Ptychographie. Und wenn man das einmal gemacht hat, kann man sehen.“ Die atomare Welt mit viel mehr Details zu erforschen, als irgendjemand sich noch vor 10 Jahren vorstellen konnte. Das stellt einen gewaltigen Paradigmenwechsel dar.“