Naukowcy z Trinity College w Dublinie wprowadzili nowatorską metodę mikroskopii, która ogranicza promieniowanie i przyspiesza obrazowanie poprzez regulację ekspozycji elektronów w czasie rzeczywistym, poprawiając jakość obrazu i minimalizując uszkodzenia wrażliwych próbek.
Zespół z Trinity College w Dublinie opracował innowacyjną technikę obrazowania mikroskopowego, która zmniejsza narażenie na promieniowanie i przyspiesza proces, zwiększając bezpieczeństwo i wydajność obrazowania materiałów wrażliwych.
Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez Trinity College w Dublinie, opracował zaawansowaną technikę obrazowania przy użyciu najnowocześniejszych mikroskopów. Ta nowa metoda znacznie skraca czas i narażenie na promieniowanie. Ich osiągnięcie stanowi poważny przełom, przynoszący korzyści wielu dziedzinom, od materiałoznawstwa po medycynę. Technika ta zapewnia ulepszone obrazowanie delikatnych materiałów, takich jak tkanki biologiczne, które są szczególnie podatne na uszkodzenia.
Obecnie skaningowe transmisyjne mikroskopy elektronowe (STEM) kierują wysoce skupioną wiązkę elektronów przez próbki, tworząc obrazy punkt po punkcie. Konwencjonalnie w każdym punkcie wiązka zatrzymuje się na ustalony, z góry określony czas, zatrzymując się w celu zgromadzenia sygnału(ów). Działa to podobnie do aparatów fotograficznych wykorzystujących kliszę fotograficzną, co pozwala uzyskać obrazy ze stałym czasem naświetlania w każdym miejscu, niezależnie od cech obszaru obrazu. Elektrony stale spadają na próbkę, aż upłynie tzw. „czas przebywania” dla każdego piksela. Konwencjonalne podejście jest proste do wdrożenia, ale wiąże się z ryzykiem stosowania nadmiernego szkodliwego napromieniowania, które może prowadzić do przekształcenia lub zniszczenia próbki.
Rewolucja w obrazowaniu dzięki detekcji opartej na zdarzeniach
Nowa metoda rewolucjonizuje jednak podstawowe podejście, ponownie rozważając podstawową logikę obrazowania. Zamiast obserwować przez ustalony czas i mierzyć liczbę wykrytych „zdarzeń” – gdy elektrony są rozpraszane z różnych części próbki w celu stworzenia obrazu – zespół opracował system detekcji oparty na zdarzeniach, w którym mierzono zmienny czas potrzebny do wykrycia określoną liczbę tych wydarzeń.
Obydwa podejścia mogą zapewnić równoważny kontrast obrazu „współczynnika detekcji”, ale co najważniejsze, nowa teoria matematyczna leżąca u podstaw ich podejścia pokazuje, że pierwszy elektron wykryty w każdej pozycji sondowania dostarcza wielu informacji przy tworzeniu obrazu, ale kolejne trafienia elektronu w ten sam punkt zapewniają szybko malejące strumienie informacji. A każdy elektron na próbce niesie ze sobą takie samo ryzyko uszkodzenia.
Zasadniczo nowa metoda oznacza, że można „wyłączyć” oświetlenie tuż przy maksymalnej wydajności obrazowania, co wymaga mniejszej liczby elektronów do uzyskania obrazu o podobnej lub lepszej jakości.
Jednak sama teoria nie zapewnia trybu zmniejszonego promieniowania. Aby to osiągnąć, zespół opatentował technologię (Tempo STEM) – wspólnie z IDES Ltd. – która właśnie to robi, łącząc zaawansowany technologicznie „wygaszacz wiązki”, który zamyka wiązkę po osiągnięciu pożądanej precyzji w każdym punkcie pomiarowym próbki zostało osiągnięte.
Wdrożenie i wpływ
Dr Lewys Jones, adiunkt Usshera w Szkole Fizyki w Trinity College w Dublinie, pracownik naukowy Royal Society-Science Foundation Ireland University i fundator w AMBER, Centrum SFI ds. Zaawansowanych Materiałów i Badań Bioinżynieryjnych, kierował zespołem odpowiedzialnym za artykuł badawczy, który właśnie opublikowano w wiodącym międzynarodowym czasopiśmie Science.
Powiedział: „Połączenie dwóch i tak najnowocześniejszych technologii w tak ekscytujący sposób zapewnia prawdziwy skok w możliwościach mikroskopu. Nigdy wcześniej nie dano mikroskopistom możliwości „wygaszania” lub „przesłaniania” wiązki elektronów w ciągu kilku nanosekund w odpowiedzi na zdarzenia w czasie rzeczywistym.
„Nasze podejście zmniejsza całkowitą dawkę promieniowania potrzebną do uzyskania obrazów o wysokiej jakości, eliminuje nadmierną dawkę, która zapewniała jedynie malejące zyski, i pozwala uniknąć niepotrzebnego uszkodzenia próbki”.
Pierwszym autorem tej pracy jest dr Jon Peters z Trinity. Powiedział: „Mamy tendencję do postrzegania elektronów jako stosunkowo łagodnych z punktu widzenia promieniowania, ale kiedy są wystrzeliwane w maleńką próbkę biologiczną z prędkością około 75% prędkości światła, nie jest zaskoczeniem, że uszkadzają te próbki. Jest to poważny problem w przypadku mikroskopii, ponieważ uzyskiwane obrazy mogą być bezużyteczne lub, co gorsza, wprowadzać w błąd. Jest to oczywiście problematyczne, jeśli trzeba podjąć decyzje dotyczące przyszłych materiałów do akumulatorów lub rozwoju katalizatora.
Odniesienie: „Skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa reagująca na zdarzenia” Jonathana JP Petersa, Bryana W. Reeda, Yu Jimbo, Kanako Noguchi, Karin H. Müller, Alexandry Porter, Daniela J. Masiela i Lewysa Jonesa, 1 sierpnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado8579
Badania zostały sfinansowane przez Science Foundation Ireland i Royal Society.
Więcej informacji na temat powiązanej opatentowanej technologii TempoSTEM i turboTEM typu Trinity/AMBER można znaleźć na stronie: https://www.turbotem.com/tempo/.
