Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн впервые показали, что для достижения рекордного микроскопического разрешения больше не требуются дорогостоящие микроскопы с коррекцией аберраций.

В области микроскопии происходит великая революция. С 1800-х годов и изобретения составного светового микроскопа произошло лишь несколько серьезных скачков в разрешении, чтобы увидеть различные масштабы длины: от бактерий и клеток до вирусов и белков и даже до отдельных атомов.

В целом, по мере того как разрешение совершало невероятные скачки, росла и цена микроскопов, используемых для достижения этого разрешения. Столь высокие цены серьезно ограничивают доступность этих инструментов. Нынешний скачок в разрешении обусловлен новой техникой, называемой электронной птихографией — методом, который использует вычисления для повышения разрешения электронных микроскопов, — который взял штурмом эту область в последние 5-6 лет.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне продемонстрировали рекордное разрешение с помощью электронной птихографии на «обычных» трансмиссионных электронных микроскопах (традиционный смысл без дорогостоящих корректоров аберраций). Это ломает тенденцию роста цен на микроскопы с увеличением разрешения. Им удалось достичь глубокого субангстремного пространственного разрешения до 0,44 ангстрема (один ангстрем равен одной десятимиллиардной метра), что превышает разрешение инструментов с коррекцией аберраций и конкурирует с их самым высоким птихографическим разрешением.

«Последние 90-100 лет в нашей области считалось, что лучший способ добиться хороших результатов в микроскопии — это создавать все более и более совершенные микроскопы», — говорит профессор материаловедения и инженерии Пиншейн Хуанг, который руководил этой работой. «Самое интересное в нашем исследовании то, что мы показываем, что для выполнения этой работы не нужен современный микроскоп. Мы можем взять «обычный» микроскоп и сделать то же самое, используя птихографию, и это просто очень хорошо! Это потрясающе, потому что разница в стоимости между двумя установками может достигать нескольких миллионов долларов».

Это исследование, соавторами которого являются бывший постдокторант MatSE UIUC Кайла Нгуен, бывшая аспирантка MatSE UIUC Чиа-Хао Ли и научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории И Цзян, было недавно опубликовано в журнале. Наука.

До появления птихографии электронные микроскопы с самым высоким разрешением использовали технологию, называемую коррекцией аберраций, которая позволяла ученым видеть отдельные атомы. Вместо использования луча света для исследования образца электронные микроскопы используют луч электронов, фокусируемый электромагнитами.

Электроны имеют длину волны в тысячи раз меньшую, чем видимый свет, что позволяет электронным микроскопам разрешать объекты, которые во много раз меньше, чем можно увидеть в оптические микроскопы. Ученые используют эти микроскопы для расшифровки структур объектов, начиная от белка-шипа вируса COVID-19 и заканчивая расположением атомов в графене и, в более общем плане, для заглядывания внутрь материи, чтобы понять ее атомную структуру, состав и связи.

Однако одной из проблем использования пучков электронов является фокусировка этого луча. «Невозможно создать идеальную линзу для электронов», — говорит Хуанг. «Чтобы компенсировать это, люди делают «плохие» линзы, а затем устанавливают после них корректоры аберраций, которые представляют собой серию «плохих» линз, которые «плохи» в противоположных отношениях. В сумме они делают «хорошие» линзы. , и это было золотым стандартом того, как мы визуализируем изображения на атомном уровне, по крайней мере, 20 лет».

В оптике аберрация – это любое отклонение линзы от идеальной. Например, человеческие глаза могут иметь несколько типов аберраций, таких как близорукость и близорукость (глаза не могут фокусироваться на всех расстояниях) и астигматизм (искривление глазного яблока, вызывающее нечеткость зрения).

Ли объясняет: «Для электромагнитных линз способ фокусировки этих электронов заключается в электромагнитном поле. Но у нас нет хорошего способа контролировать форму и силу электромагнитного поля, что накладывает очень сильное ограничение на точность. мы можем фокусировать эти электроны».

В микроскопии с коррекцией аберраций, современной передовой технологии, существует дополнительный набор линз для исправления аберраций обычных линз, который меняет форму луча до того, как он попадет на образец. Эти дополнительные линзы, корректирующие аберрации, являются причиной значительных затрат на микроскоп.

Хотя невозможно создать идеальный объектив, целью последних 100 лет было постоянное создание более совершенных объективов, чтобы минимизировать аберрации. Но Хуан говорит: «Что интересно в птихографии, так это то, что вам не нужно делать линзы все лучше и лучше. Вместо этого мы можем использовать компьютеры».

Вместо использования набора линзовой оптики для устранения аберраций птихография удаляет их вычислительным путем. Благодаря новому поколению детекторов, называемых гибридными пиксельными детекторами, стоимость которых составляет несколько сотен тысяч долларов (по сравнению с микроскопами с коррекцией аберраций, которые стоят до 7 миллионов долларов) и компьютерными алгоритмами, этот метод может удвоить, утроить или даже учетверить разрешение того, что микроскоп может достичь с помощью своих физических линз.

Хуанг и ее команда показали, что их подход в четыре раза увеличивает разрешение обычных трансмиссионных электронных микроскопов. Кроме того, практически любой сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп теперь можно адаптировать для достижения современного разрешения за небольшую часть стоимости.

Хотя этот подход меняет правила игры, Хуанг отмечает, что птихография по-прежнему остается сложной техникой, требующей больших вычислительных мощностей. Чтобы получить одну реконструкцию для достижения наилучшего разрешения, могут потребоваться часы. Но, как и во многих других технологиях, вычисления развиваются довольно быстро и становятся дешевле, быстрее и проще в использовании.

«Мы внедрили в обычные трансмиссионные электронные микроскопы передовую технику — электронную птихографию, чтобы впервые показать, что «посредственный» микроскоп может работать так же хорошо, как и самые дорогие микроскопы на рынке», — говорит Хуанг.

«Это важно для сотен учреждений по всей стране и по всему миру, которые раньше не могли себе позволить самые передовые технологии. Теперь все, что им нужно, — это детектор, несколько компьютеров и электронная печатная машина. И как только вы это сделаете, вы сможете увидеть атомный мир с гораздо большим количеством деталей, чем кто-либо мог себе представить даже 10 лет назад. Это представляет собой огромный сдвиг парадигмы».