stringtranslate.com

Электронная томография

Основной принцип томографии: томографические сечения S 1 и S 2 без суперпозиции по сравнению с проецируемым изображением P.

Электронная томография (ЭТ) — это метод томографии для получения детальных трехмерных структур [1] субклеточных , макромолекулярных или образцов материалов . Электронная томография является расширением традиционной трансмиссионной электронной микроскопии и использует трансмиссионный электронный микроскоп для сбора данных. При этом пучок электронов проходит через образец с возрастающими градусами вращения вокруг центра целевого образца. Эта информация собирается и используется для построения трехмерного изображения цели. Для биологических применений типичное разрешение ЭТ-систем [2] находится в диапазоне 5–20 нм , что подходит для исследования супрамолекулярных мультибелковых структур, но не вторичной и третичной структуры отдельного белка или полипептида . [3] [4] Недавно было продемонстрировано атомное разрешение в реконструкциях трехмерной электронной томографии. [5] [6]

Томография BF-TEM и ADF-STEM

В области биологии просвечивающая электронная микроскопия в светлом поле (BF-TEM) и TEM высокого разрешения ( HRTEM ) являются основными методами визуализации для получения серий наклонов томографии. Однако есть две проблемы, связанные с BF-TEM и HRTEM. Во-первых, для получения интерпретируемой трехмерной томограммы необходимо, чтобы интенсивность проецируемого изображения монотонно менялась в зависимости от толщины материала. Это условие трудно гарантировать в BF/HRTEM, где в интенсивности изображения преобладает фазовый контраст с возможностью многократного изменения контраста с толщиной, что затрудняет различие пустот от включений высокой плотности. [7] Во-вторых, передаточная функция контрастности BF-TEM по существу представляет собой фильтр верхних частот – информация на низких пространственных частотах значительно подавляется, что приводит к преувеличению резких особенностей. Однако метод кольцевой сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в темном поле (ADF-STEM), который обычно используется для исследования образцов материалов, [8] более эффективно подавляет фазовый и дифракционный контраст, обеспечивая интенсивность изображения, которая варьируется в зависимости от предполагаемой толщины материала. образцы толщиной до микрометров для материалов с низким атомным номером . ADF-STEM также действует как фильтр нижних частот , устраняя артефакты усиления фронтов, характерные для BF/HRTEM. Таким образом, при условии, что особенности могут быть разрешены, томография ADF-STEM может дать надежную реконструкцию основного образца, что чрезвычайно важно для ее применения в материаловедении . [9] Для 3D-изображений разрешение традиционно описывается критерием Кроутера . В 2010 году трехмерное разрешение 0,5±0,1×0,5±0,1×0,7±0,2 нм было достигнуто с помощью одноосной томографии ADF-STEM. [10]

Атомно-электронная томография (АЭТ)

Схема, показывающая концепцию электронной томографии.

Было продемонстрировано разрешение атомного уровня в реконструкциях трехмерной электронной томографии. Были достигнуты реконструкции кристаллических дефектов, таких как дефекты упаковки , границы зерен , дислокации и двойникование в структурах. [11] Этот метод актуален для физических наук, где крио-ЭМ методы не всегда могут быть использованы для определения координат отдельных атомов в неупорядоченных материалах. Реконструкции AET достигаются с использованием комбинации серии томографических наклонов ADF-STEM и итеративных алгоритмов реконструкции . В настоящее время такие алгоритмы, как метод алгебраической реконструкции в реальном пространстве (ART) и равно наклонная томография с быстрым преобразованием Фурье (EST), используются для решения таких проблем, как шум изображения, дрейф выборки и ограниченность данных. [12] ADF-STEM-томография недавно была использована для прямой визуализации атомной структуры винтовых дислокаций в наночастицах. [13] [14] [15] [16] AET также использовался для определения трехмерных координат 3769 атомов вольфрамовой иглы с точностью 19 пм [17] и 20 000 атомов в наночастице палладия с двойным двойником. [18] Сочетание AET со спектроскопией потерь энергии электронов (EELS) позволяет исследовать электронные состояния в дополнение к трехмерной реконструкции. [19] Проблемы разрешения атомного уровня при электронной томографии включают необходимость в более совершенных алгоритмах реконструкции и повышении точности угла наклона, необходимого для изображения дефектов в некристаллических образцах.

Различные методы наклона

Наиболее популярными методами наклона являются одноосный и двухосный наклоны. Геометрия большинства держателей образцов и электронных микроскопов обычно не позволяет наклонить образец на полный диапазон 180°, что может привести к появлению артефактов при трехмерной реконструкции мишени. [20] Стандартные держатели образцов с одним наклоном имеют ограниченное вращение ±80°, что приводит к отсутствию клина при реконструкции. Решение состоит в том, чтобы использовать образцы игольчатой ​​формы, чтобы обеспечить полное вращение. При использовании двухосного наклона артефакты реконструкции уменьшаются в разы по сравнению с одноосным наклоном. Однако необходимо сделать в два раза больше изображений. Другим методом получения наклон-серии является так называемый метод конической томографии, при котором образец наклоняют, а затем поворачивают на полный оборот. [21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Р. Ховден; Д.А. Мюллер (2020). «Электронная томография функциональных наноматериалов». Вестник МРС . 45 (4): 298–304. arXiv : 2006.01652 . Бибкод : 2020MRSBu..45..298H. дои : 10.1557/мс.2020.87. S2CID  216522865.
  2. ^ Р. А. Кроутер; диджей ДеРозье; А. Клюг (1970). «Реконструкция трехмерной структуры по проекциям и ее применение к электронной микроскопии». Учеб. Р. Сок. Лонд. А. _ 317 (1530): 319–340. Бибкод : 1970RSPSA.317..319C. дои : 10.1098/rspa.1970.0119. S2CID  122980366.
  3. ^ Франк, Иоахим (2006). Франк, Иоахим (ред.). Электронная томография . дои : 10.1007/978-0-387-69008-7. ISBN 978-0-387-31234-7. S2CID  241282825.
  4. ^ Мастронард, DN (1997). «Двухосевая томография: подход с методами выравнивания, сохраняющими разрешение». Журнал структурной биологии . 120 (3): 343–352. дои : 10.1006/jsbi.1997.3919. ПМИД  9441937.
  5. ^ Ю. Ян; и другие. (2017). «Расшифровка химического порядка/беспорядка и свойств материала на уровне одного атома». Природа . 542 (7639): 75–79. arXiv : 1607.02051 . Бибкод : 2017Natur.542...75Y. дои : 10.1038/nature21042. PMID  28150758. S2CID  4464276.
  6. ^ Скотт, MC; Чен, CC; Мекленбург, М.; Чжу, К.; Сюй, Р.; Эрциус, П.; Дамен, У.; Риган, Британская Колумбия; Мяо, Дж. (2012). «Электронная томография с разрешением 2,4 ангстрема» (PDF) . Природа . 483 (7390): 444–7. Бибкод : 2012Natur.483..444S. дои : 10.1038/nature10934. PMID  22437612. S2CID  1600103.
  7. ^ Балс, С .; Киселовский, CF; Кроитору, М.; Тенделоо, Г.В. (2005). «Кольцевая томография темного поля в ПЭМ». Микроскопия и микроанализ . 11 . дои : 10.1017/S143192760550117X .
  8. ^ БДА Левин; и другие. (2016). «Наборы данных наноматериалов для развития томографии в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии». Научные данные . 3 (160041): 160041. arXiv : 1606.02938 . Бибкод : 2016NatSD...360041L. doi : 10.1038/sdata.2016.41. ПМЦ 4896123 . ПМИД  27272459. 
  9. ^ Миджли, Пенсильвания ; Вейланд, М. (2003). «3D электронная микроскопия в физических науках: развитие Z-контраста и EFTEM-томографии». Ультрамикроскопия . 96 (3–4): 413–431. дои : 10.1016/S0304-3991(03)00105-0. ПМИД  12871805.
  10. ^ Синь, HL; Эрциус, П.; Хьюз, К.Дж.; Энгстрем, младший; Мюллер, Д.А. (2010). «Трехмерное изображение пористых структур внутри диэлектриков с низким κ». Письма по прикладной физике . 96 (22): 223108. Бибкод : 2010ApPhL..96v3108X. дои : 10.1063/1.3442496.
  11. ^ Мяо, Дж.; Эрциус, П.; Биллинге, SJL (23 сентября 2016 г.). «Атомно-электронная томография: 3D-структуры без кристаллов». Наука . 353 (6306): ааф2157. doi : 10.1126/science.aaf2157 . PMID  27708010. S2CID  30174421.
  12. ^ Саги, Зинеб; Мидгли, Пол А. (2012). «Электронная томография в (S)TEM: от наномасштабного морфологического анализа к трехмерной атомной визуализации». Ежегодный обзор исследований материалов . 42 : 59–79. doi : 10.1146/annurev-matsci-070511-155019 . Проверено 13 декабря 2022 г.
  13. ^ Чен, CC; Чжу, К.; Уайт, скорая помощь; Чиу, Калифорния; Скотт, MC; Риган, Британская Колумбия; Маркс, Л.Д.; Хуанг, Ю.; Мяо, Дж. (2013). «Трехмерное изображение дислокаций в наночастице с атомным разрешением». Природа . 496 (7443): 74–77. Бибкод : 2013Natur.496...74C. дои : 10.1038/nature12009. PMID  23535594. S2CID  4410909.
  14. ^ Миджли, Пенсильвания ; Дунин-Борковский, Р.Э. (2009). «Электронная томография и голография в материаловедении». Природные материалы . 8 (4): 271–280. Бибкод : 2009NatMa...8..271M. дои : 10.1038/nmat2406. ПМИД  19308086.
  15. ^ Эрциус, П.; Вейланд, М.; Мюллер, Д.А.; Жиньяк, LM (2006). «Трехмерное изображение нановоидов в медных межсоединениях с использованием некогерентной томографии в светлом поле». Письма по прикладной физике . 88 (24): 243116. Бибкод : 2006ApPhL..88x3116E. дои : 10.1063/1.2213185 .
  16. ^ Ли, Х.; Синь, HL; Мюллер, Д.А.; Эстрофф, Луизиана (2009). «Визуализация трехмерной внутренней структуры монокристаллов кальцита, выращенных в агарозных гидрогелях». Наука . 326 (5957): 1244–1247. Бибкод : 2009Sci...326.1244L. дои : 10.1126/science.1178583. PMID  19965470. S2CID  40526826.
  17. ^ Сюй, Руй; Чен, Цзянь-Чун; Ву, Ли; Скотт, MC; Тайс, В.; Офус, Колин; Бартельс, Матиас; Ян, Ёнсу; Рамезани-Дахель, Хади; Савая, Майкл Р.; Хайнц, Хендрик; Маркс, Лоуренс Д.; Эрциус, Питер; Мяо, Цзяньвэй (ноябрь 2015 г.). «Трехмерные координаты отдельных атомов в материалах, выявленные с помощью электронной томографии». Природные материалы . 14 (11): 1099–1103. arXiv : 1505.05938 . дои : 10.1038/nmat4426. PMID  26390325. S2CID  5455024.
  18. ^ Пельц, Филипп М.; Грошнер, Кэтрин; Брюфах, Александра; Сатариано, Адам; Офус, Колин; Скотт, Мэри К. (25 января 2022 г.). «Одновременное последовательное двойникование, зафиксированное с помощью атомно-электронной томографии». АСУ Нано . 16 (1): 588–596. arXiv : 2109.06954 . doi : 10.1021/acsnano.1c07772. PMID  34783237. S2CID  237513855.
  19. ^ Балс, Сара; Горис, Барт; Де Бакер, Анник; Ван Аэрт, Сандра; Ван Тенделоо, Густав (1 июля 2016 г.). «Электронная томография атомного разрешения». Вестник МРС . 41 (7): 525–530. дои : 10.1557/мс.2016.138. hdl : 10067/1356900151162165141 . S2CID  139058353.
  20. ^ БДА Левин; и другие. (2016). «Наборы данных наноматериалов для развития томографии в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии». Научные данные . 3 (160041): 160041. arXiv : 1606.02938 . Бибкод : 2016NatSD...360041L. doi : 10.1038/sdata.2016.41. ПМЦ 4896123 . ПМИД  27272459. 
  21. ^ Зампиги, Джорджия; Файн, Н; Зампиги, LM; Кантеле, Ф; Ланзавеккья, С; Райт, Э.М. (2008). «Коническая электронная томография химического синапса: многогранные клетки прикрепляют везикулы к активной зоне». Журнал неврологии . 28 (16): 4151–60. doi :10.1523/JNEUROSCI.4639-07.2008. ПМЦ 3844767 . ПМИД  18417694.