新型顯微技術實現了快速可靠的曲線納米結構的三維成像
上圖所示，納米顆粒修飾的碳納米球的疊加、傾斜電子顯微鏡立體圖像（彩色濾波後）。相同的結構呈現紅色和藍色，並且納米粒子在碳球中的三維分布略有改變。這張照片顯示了新的傾斜三維成像技術在其他結構中的適用性。
物理和生物科學越來越需要能夠觀察納米物體的能力。通常這種需求可以通過透射電子顯微鏡（TEM）來完成，但透射電子顯微鏡通常僅限於二維圖像。利用透射電子顯微鏡重建三維圖像通常需要通過一個圓弧將樣品傾斜到數百個視圖，需要複雜的圖像處理來重建它們的三維形狀，而在過程中會產生許多問題。現在，瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家研製的掃描透射電子顯微鏡（S透射電子顯微鏡）方法產生快速、可靠的從一個單一的樣品定位曲線結構的三維圖像。這項工作的行管論文已經發表在《科學報告》上。
在瑞士洛桑聯邦理工學院的Cécile Hébert 和 Pascal Fua實驗室已經開發了一個電子顯微鏡法，可以獲得複雜的曲線結構的三維圖像，而不需要傾斜樣品。這一技術，由瑞士洛桑聯邦理工學院的研究員Emad Oveisi開發的，該技術依賴於一個變化的稱為掃描透射電鏡透射電子顯微鏡，通過聚焦電子束掃描樣品。
該方法的新穎之處在於它可以在單次拍攝中獲取圖像，這就打開了動態研究樣本的方法，因為它們會隨時間而變化。此外，它可以迅速提供一個「感官」的三個方面，就像我們將有一個三維影院那樣。
「我們的眼睛可以通過結合兩種不同的視角來觀察物體的三維表象，但是大腦仍然必須用它對某些物體形狀的先驗知識來補充視覺信息，」 Hébert說。但在某些情況下，我們知道樣品結構的形狀。例如，它可以是曲線狀的，像DNA或我們稱之為「位錯」的神秘缺陷，它控制著材料的光電或機械性質。
透射電鏡是一種非常強大的技術，可以提供解析度高達幾納米的物體的視圖，例如病毒或晶體缺陷。然而，透射電子顯微鏡僅能提供二維圖像，這不足以確定樣品的三維形貌，這往往限制了其相關研究。解決這個問題的一個方法是在獲取樣品圖像時，連續沿著一個圓弧傾斜旋轉樣品。然後可以在計算機上重建圖像以獲得樣品的三維表示。
這種方法的問題是，它需要數百個極高精度的圖像，然而這是很難實現的。以這種方式生成的三維圖像也容易產生人工痕迹，因此很難再去除。最後，用透射電子顯微鏡拍攝多幅圖像需要每次拍攝一束電子，電子的總劑量實際上會影響樣品在採集過程中的結構併產生虛假或損壞的圖像。
上圖所示，利用傾斜三維電子成像技術獲得的兩幅立體圖像重建了的位錯的三維結構。
在研究人員開發的透射電子顯微鏡方法中，樣品可以靜止不動，而顯微鏡發出兩束相互傾斜的電子束，同時用兩個探測器記錄信號。其結果是，這一過程比以前的透射電子顯微鏡三維成像技術快得多，而且幾乎沒有人工干擾。
該小組還使用複雜的圖像處理演算法，與CVlab公司合作開發，以減少三維重建的需求，降低至只需要兩個不同的電子束角獲取的圖像。與傳統的透射電子顯微鏡三維技術相比，這使數據採集和三維重建的效率提高了一到兩個數量級。同時，由於不存在很高的電子劑量，它可以防止樣品上的結構變化。
由於這種技術的速度和避免了相對於標準透射電子顯微鏡方法的問題，這種「傾斜三維電子成像」方法對於研究輻射敏感、多晶或磁性材料具有很大的優勢。由於總的電子劑量降低到僅需一次掃描，該方法有望為動態材料和生物過程的實時三維電子成像開闢新的途徑。
來源：https://phys.org/news/2017-09-microscopy-method-quick-reliable-d.html
2017年9月6~9日，歡迎您到深圳會展中心CIOE 【1A21展台】參觀實驗幫。
點擊展開全文
TAG:實驗幫 |