Elektronentomographie mit 1000 fps

  • 06. October 2015

Schonendes Highspeed-Verfahren setzt neue Maß­stäbe für 3D-Auf­nahmen aus der Nano­welt.

Wissenschaftler des Ernst Ruska-Centrums am Forschungs­zentrum Jülich haben mit einem Trans­missions­elektronen­mikroskop rund 3500 Bilder in 3,5 Sekunden aufgenommen. Die Bildserie dient als Daten­basis für die tomo­graphische 3D-Rekons­truktion. Bislang waren zehn bis sechzig Minuten und die zehnfache Elektronen­strahl­dosis nötig, um entspre­chende Bildserien anzufertigen. Die schonende Aufnahme­technik eignet sich insbesondere zur Unter­suchung von biologischen Zellen, Bakterien und Viren. Deren Struktur wurde durch über­kritische Elektronen­strahl­dosen bisher oftmals geschädigt. Zudem ermöglicht es das Verfahren, dynamische Prozesse wie chemische Reaktionen oder elek­tronische Schalt­vorgänge in Echt­zeit und 3D mit Sub-Nano­meter-Präzision sichtbar zu machen.

Elektronentomograpische 3D-Rekonstruktion eines Nanoröhrchens (orange) auf einer Kohlenstoff-Trägerschicht (blau; Bild: V. Migunov et al., / AAAS; CC BY 4.0)

Abb.: Elektronentomograpische 3D-Rekonstruktion eines Nanoröhrchens (orange) auf einer Kohlenstoff-Träger­schicht (blau; Bild: V. Migunov et al., / NPG; CC BY 4.0)

Die Elektronentomographie ist mit der Computer­tomographie verwandt, die aus der Forschung und dem klinischen Alltag mittler­weile nicht mehr wegzudenken ist. Elektronen­tomo­graphische Abbildungen sind allerdings deutlich trenn­schärfer als diejenigen röntgen­strahl­basierter Verfahren. Das Auflösungs­vermögen der Elektronen­tomographie ist das mit Abstand beste, das heute technisch möglich ist. Die Methode eignet sich daher auf einzigartige Weise, um etwa Viren und Bakterien nach Ansatz­punkten für medizi­nische Wirkstoffe abzusuchen oder neuartige Nano­materialien für unter­schiedliche Anwendungs­gebiete, von der Nano­elektronik bis hin zur Energie­technik, zu erforschen.

„Die Beschleunigung und Senkung der Strahlungs­dosis eröffnet neue Perspektiven, speziell für die Lebens­wissen­schaften und für die Erforschung weicher Materie“, schwärmt Rafal Dunin-Borkowski. Bei dem Verfahren nimmt ein Trans­missions­elektronen­mikroskop in rascher Folge Bilder aus unter­schiedlichen Winkeln von der Probe auf, die meist weniger als einen Mikro­meter dick ist. „Die einzelnen Bilder zeigen keinen Quer­schnitt durch die Probe. Statt­dessen überlagern sich die Informationen aus unter­schiedlichen Schichten ähnlich wie bei einem Röntgenbild und werden anschließend gemeinsam auf eine Ebene projiziert“, erklärt der Kodirektor des Ernst Ruska-Centrums sowie Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-5). Daher sind Algorithmen notwendig, mit denen sich aus einer Bildserie am Computer die dreidimen­sionale Darstellung berechnen lässt.

Die erzielbare Auflösung wird dabei durch die präparat­schädigende Wirkung des Elektronen­strahls beschränkt. Insbe­sondere weiche, biologische Proben „vertragen“ nur eine begrenzte Anzahl von Bildern. Ihre empfindlichen Strukturen, beispielsweise Proteinstrukturen, werden durch hochenergetische Elektronen schnell zerstört. Um die Elektronen­strahl­dosis zu verringern, haben die Forscher des Ernst Ruska-Centrums ihr Elektronen­mikroskop mit einem neuartigen Detektor ausge­stattet. Die verwendete Single-Electron-Detection-Kamera kann einfallende Elektronen direkt erfassen, ohne sie vorab in Photonen, also Licht, umwandeln zu müssen – wie es bislang üblich ist.

„Die jüngste Generation von Detektor­chips besitzt eine sehr hohe Empfind­lichkeit, was bedeutet, dass man für die gleiche Aufnahme­qualität mit einer zwei- bis dreimal kleineren Elektronen­strahl­dosis auskommt“, erläutert Vadim Migunov, tätig am Ernst-Ruska-Centrum und dem Jülicher Peter-Grünberg-Institut. Kollegen von ihm am Jülicher Zentral­institut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2) haben die Elektronik des Chips mitentwickelt. Sie sorgt dafür, dass sich die Daten deutlich schneller auslesen und damit extrem schnelle Aufnahmeraten erzielen lassen.

Die Bildserie dient als Datenbasis für die tomographische 3D-Rekonstruktion (Bild: V. Migunov et al. / AAAS; CC BY 4.0)

Abb.: Die Bildserie dient als Datenbasis für die tomographische 3D-Rekonstruktion (Bild: V. Migunov et al. / NPG; CC BY 4.0) Caption


Zur Überprüfung des verbesserten Verfahrens hat Vadim Migunov gemeinsam mit seinen Kollegen vom Ernst-Ruska-Centrum ein anorga­nisches Nano­röhrchen aus Lantha­niden untersucht. Derartige Strukturen werden aktuell mit großem Interesse erforscht, da sie sich möglicher­weise für die Strom­gewinnung aus Abwärme sowie für neuartige Licht­quellen und Kataly­satoren eignen. „Durch die Aufnahme­rate von rund tausend Bildern pro Sekunde wird es beispielsweise erstmals möglich, mittels Elektronen­tomographie schnelle Prozesse in 3D auf der Nanoskala und in Echtzeit zu beobachten – beispiels­weise chemische Reaktionen, an denen Kataly­satoren beteiligt sind, Kristall­wachstums­prozesse oder Phasen­zustands­wechsel“, erklärt Migunov.

Untersuchungen mit besserer zeitlicher und räumlicher Auflösung könnten beispiels­weise helfen zu erklären, wie es zum Funktions­verlust von Nano­kataly­satoren kommt. Derartige Nanopartikel lassen sich unter anderem zur Gewinnung von Wasserstoff oder zur Abtrennung schädlicher Klima­gase einsetzen. Ihr Wirkungs­grad hängt maßgeblich davon ab, wie sich die Atome an Ober­flächen anordnen, an denen sich die chemischen Reaktionen abspielen.

Darüber hinaus bringt das neue Verfahren weitere Vorteile mit sich. Nur wenige Sekunden Rechenzeit sind nötig, um die 3D-Struktur am Rechner zu rekons­truieren. Die zeitliche Verzögerung fällt also sehr gering aus, was es Wissen­schaftlern ermöglicht, laufende Experimente praktisch live in 3D mitzu­verfolgen.

FZJ / OD

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