Un sovrapposto, Immagine stereo di microscopia elettronica tilt-less (filtrata a colori) di nanosfere di carbonio decorate con nanoparticelle. Le stesse strutture appaiono in rosso e blu e le nanoparticelle sono leggermente spostate secondo la loro distribuzione 3-D nella sfera di carbonio. Questa immagine mostra l'applicabilità delle nuove tecniche di imaging 3-D tilt-less ad altre strutture. Credito:Cécile Hébert/Emad Oveisi/EPFL
Le scienze fisiche e biologiche richiedono sempre più la capacità di osservare oggetti di dimensioni nanometriche. Ciò può essere ottenuto con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), che è generalmente limitato alle immagini 2D. L'utilizzo di TEM per ricostruire le immagini 3D di solito richiede di inclinare il campione attraverso un arco per ottenere l'immagine di centinaia di visualizzazioni e richiede un'elaborazione delle immagini sofisticata per ricostruire la loro forma 3D, creando una serie di problemi. Ora, Gli scienziati dell'EPFL hanno sviluppato un metodo di microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) che genera immagini 3D veloci e affidabili di strutture curvilinee da un singolo orientamento del campione. L'opera è pubblicata in Rapporti scientifici .
I laboratori di Cécile Hébert e Pascal Fua dell'EPFL hanno sviluppato un metodo di microscopia elettronica in grado di ottenere immagini 3D di complesse strutture curvilinee senza dover inclinare il campione. La tecnica, sviluppato dal ricercatore dell'EPFL Emad Oveisi, si basa su una variazione di TEM chiamata TEM di scansione (STEM), dove un fascio focalizzato di elettroni scansiona il campione.
La novità del metodo è che può acquisire immagini in un unico scatto, che apre la strada allo studio dinamico dei campioni mentre cambiano nel tempo. Per di più, può fornire rapidamente un "senso" di tre dimensioni, proprio come faremmo con un cinema 3D.
"I nostri occhi possono vedere le rappresentazioni 3D di un oggetto combinando due diverse prospettive di esso, ma il cervello deve ancora integrare le informazioni visive con la sua precedente conoscenza della forma di certi oggetti, " dice Hébert. "Ma in alcuni casi con TEM sappiamo qualcosa su quale forma deve avere la struttura del campione. Per esempio, può essere curvilineo, come il DNA o i misteriosi difetti che chiamiamo 'lussazioni', che regolano le proprietà optoelettroniche o meccaniche dei materiali".
L'approccio classico
TEM è una tecnica molto potente che può fornire viste ad alta risoluzione di oggetti di pochi nanometri di diametro, ad esempio, un virus, o un difetto del cristallo. Tuttavia TEM fornisce solo immagini 2D, che non sono sufficienti per identificare la morfologia 3D del campione, che spesso limita la ricerca. Un modo per aggirare questo problema è acquisire immagini consecutive mentre si ruota il campione attraverso un arco di inclinazione. Le immagini possono quindi essere ricostruite su un computer per ottenere una rappresentazione 3D del campione.
Il problema con questo approccio è che richiede un'estrema precisione su centinaia di immagini, che è difficile da raggiungere. Le immagini 3D generate in questo modo sono anche soggette ad artefatti, che sono difficili da rimuovere in seguito. Finalmente, scattare più immagini con TEM richiede di sparare un raggio di elettroni attraverso il campione ogni volta, e la dose totale può effettivamente influenzare la struttura del campione durante l'acquisizione e produrre un'immagine falsa o corrotta.
La configurazione 3-D delle dislocazioni viene ricostruita da solo due immagini stereo acquisite con la tecnica di imaging elettronico 3-D tilt-less. Credito:Cécile Hébert/Emad Oveisi/EPFL
Il nuovo approccio
Nel metodo STEM sviluppato dai ricercatori, il campione rimane fermo mentre il microscopio invia due fasci di elettroni inclinati l'uno contro l'altro, e due rilevatori vengono utilizzati contemporaneamente per registrare il segnale. Di conseguenza, il processo è molto più veloce della precedente tecnica di imaging 3D TEM e quasi senza artefatti.
Il team ha anche utilizzato un sofisticato algoritmo di elaborazione delle immagini, sviluppato in collaborazione con il CVlab di Fua, per ridurre il numero di immagini necessarie per la ricostruzione 3D a sole due immagini scattate con diversi angoli del fascio di elettroni. Ciò aumenta l'efficienza dell'acquisizione dei dati e della ricostruzione 3D di uno o due ordini di grandezza rispetto alle tecniche TEM 3D convenzionali. Allo stesso tempo, previene modifiche strutturali sul campione dovute ad alte dosi di elettroni.
A causa della sua velocità e immunità ai problemi con i metodi TEM standard, questo metodo di "imaging elettronico 3D senza inclinazione" è di grande vantaggio per lo studio sensibile alle radiazioni, policristallino, o materiali magnetici. E poiché la dose totale di elettroni è ridotta a una singola scansione, il metodo dovrebbe aprire nuove strade per l'imaging elettronico 3D in tempo reale di materiali dinamici e processi biologici.
