Bringt High-End-Auflösung zu kostengünstigeren Mikroskopen

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

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

Da die Auflösung unglaubliche Fortschritte gemacht hat, ist im Allgemeinen auch der Preis der Mikroskope gestiegen, die zur Erzielung dieser Auflösung verwendet werden. Solche hohen Preise schränken die Zugänglichkeit dieser Instrumente erheblich ein. Der derzeitige Anstieg der Auflösung ist auf eine neue Technik namens Elektronenptychographie zurückzuführen – eine Methode, die die Auflösung von Elektronenmikroskopen mithilfe von Berechnungen erhöht –, die in den letzten fünf bis sechs Jahren das Feld im Sturm erobert hat.

Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign haben mithilfe der Elektronenptychographie auf „herkömmlichen“ Transmissionselektronenmikroskopen (d. h. ohne teure Aberrationskorrektoren) eine Rekordauflösung demonstriert. Dies bricht den Trend, dass Mikroskope mit zunehmender Auflösung teurer werden. Sie konnten eine räumliche Auflösung im Sub-Angström-Bereich von bis zu 0,44 Angström (ein Angström ist ein Zehnmilliardstel Meter) erreichen, was die Auflösung von aberrationskorrigierten Werkzeugen übertrifft und mit ihren höchsten ptychografischen Auflösungen mithalten kann.

„In den letzten 90 bis 100 Jahren war man in unserem Fachgebiet davon überzeugt, dass der beste Weg, qualitativ hochwertige Mikroskopie zu erreichen, darin besteht, immer bessere Mikroskope herzustellen“, sagt Pinshane Huang, Professor für Materialwissenschaften und -technik, der diese Arbeit leitete. „Das Spannendste an unserer Forschung ist, dass wir zeigen, dass man für diese Arbeit kein hochmodernes Mikroskop benötigt. Wir können ein ‚konventionelles‘ Mikroskop nehmen und das Gleiche tun, indem wir die Ptychographie nutzen. Und es ist einfach so gut! Es ist unglaublich, weil es zwischen den beiden Konfigurationen einen Kostenunterschied von mehreren Millionen Dollar geben kann.

Diese Forschungsarbeit, die erstmals gemeinsam von der ehemaligen UIUC MatSE-Postdoktorandin Kayla Nguyen, der ehemaligen UIUC MatSE-Doktorandin Chia-Hao Lee und dem Wissenschaftler Yi Jiang vom Argonne National Laboratory verfasst wurde, wurde kürzlich in einer Rezension veröffentlicht Wissenschaft.

Vor der Ptychographie verwendeten Elektronenmikroskope mit höherer 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 von Elektromagneten fokussierten Elektronenstrahl.

Elektronen haben eine tausendmal kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht, sodass Elektronenmikroskope Objekte auflösen können, die um ein Vielfaches kleiner sind als die mit optischen Mikroskopen sichtbaren. 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 ihre atomare Struktur, ihre Zusammensetzung und ihre Verbindungen 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 zu schaffen“, sagt Huang. „Um dies zu kompensieren, haben die Leute ‚schlechte‘ Linsen hergestellt und ihnen dann Aberrationskorrektoren angebracht, also eine Reihe von ‚schlechten‘ Linsen, die in entgegengesetzter Weise ‚schlecht‘ sind. Kurz gesagt, sie stellen „richtige“ Objektive her. , und es ist seit mindestens 20 Jahren der Goldstandard dafür, wie wir uns auf atomarer Ebene vorstellen.

In der Optik bezeichnet eine Aberration die Abweichung einer Linse von einer perfekten Linse. Beispielsweise können menschliche Augen verschiedene Arten von Aberrationen aufweisen, wie Kurzsichtigkeit und Kurzsichtigkeit (die 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 über ein elektromagnetisches Feld. Aber wir haben keine wirksame Möglichkeit, die Form und Stärke des elektromagnetischen Feldes zu kontrollieren, was die Präzision sehr stark einschränkt. Wir können diese Elektronen konzentrieren.

In der aberrationskorrigierten Mikroskopie, dem heutigen Stand der Technik, gibt es zur Korrektur von Aberrationen im Vergleich zu herkömmlichen Linsen einen zusätzlichen Linsenstapel, der die Form des Strahls verändert, bevor er die Probe erreicht. Diese zusätzlichen Aberrationskorrekturlinsen verursachen erhebliche zusätzliche Kosten für das Mikroskop.

Obwohl es unmöglich ist, eine perfekte Linse herzustellen, besteht das Ziel seit 100 Jahren 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 optischer Linsen zur Entfernung von Aberrationen zu verwenden, entfernt die Ptychographie sie rechnerisch. Mit einer neuen Generation von Detektoren, sogenannten Hybrid-Pixel-Detektoren, die einige 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 sein Team zeigten, dass ihr Ansatz die Auflösung herkömmlicher Transmissionselektronenmikroskope vervierfacht. Darüber hinaus können mittlerweile fast alle Transmissions- und Rasterelektronenmikroskope skaliert werden, um eine hochmoderne Auflösung zu einem Bruchteil der Kosten zu erreichen.

Obwohl dieser Ansatz bahnbrechend ist, stellt Huang fest, dass die Ptychographie nach wie vor eine schwierige Technik ist, die viel Rechenleistung erfordert. Es kann Stunden dauern, bis eine einzige Rekonstruktion die beste Auflösung erreicht. Aber wie bei vielen anderen Technologien schreitet auch die Datenverarbeitung rasant voran und wird billiger, schneller und benutzerfreundlicher.

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

„Dies ist wichtig für Hunderte von Institutionen im ganzen Land und auf der ganzen Welt, die sich zuvor keine Spitzentechnologie leisten konnten. Jetzt brauchen sie nur noch einen Detektor, ein paar Computer und elektronische Ptychografie. Und wenn Sie das einmal getan haben, können Sie es.“ Wir können die atomare Welt viel detaillierter sehen, als sich irgendjemand vor zehn Jahren vorstellen konnte. Dies stellt einen gewaltigen Paradigmenwechsel dar.