Прорыв в электронной микроскопии

Сканирующие просвечивающие микроскопы направляют сфокусированный пучок электронов на образец и точка за точкой, пиксель за пикселем создают его изображение. В каждом таком пикселе пучок обычно останавливается на определенное время и делает паузу для накопления сигнала. Так прибор получает изображение с постоянной экспозицией, не зависящей от особенностей области изображения и места падения электронов на образец.

Однако этот метод опасен для объекта. Например, если в крошечный биологический образец массово попадают электроны, движущиеся со скоростью три четвертых световой, они его разрушат. Так что электронная микроскопия применима для образцов определенных размеров, массы и природы. Да и полученные изображения могут быть непригодны для анализа или ввести исследователей в заблуждение.

Международная группа ученых под руководством профессора Джонатана Питерса (Jonathan J.P. Peters) из Тринити-колледжа в Дублине заметно продвинулась в решении этой проблемы. Команда пересмотрела всю логику работы микроскопа и придумала, как значительно сократить время облучения каждого участка образца, а значит, снизить число попавших в него электронов.

Вместо того чтобы облучать и накапливать сигнал в каждом пикселе фиксированное время и строить изображение по количеству рассеянных электронов, обнаруженных датчиком, ученые строят изображение на основе данных о времени, необходимом для обнаружения определенного порогового количества электронов на датчике.

Математическая теория, лежащая в основе такого подхода, показывает, что уже первый электрон, который появляется от определенного участка образца на датчике, несет основную информацию о строении объекта. Информационный вклад последующих электронов постоянно снижается. Это значит, что их можно отсечь выключением падающего пучка прямо на пике эффективности сигнала. Это и позволяет снизить число повреждающих образец электронов без потери качества изображения.

Чтобы автоматически перекрывать пучок, ученые совместно с одной из инженерных фирм разработали и запатентовали технологию Tempo STEM. Новый модуль за наносекунды автоматически включает и выключает электронный луч после достижения необходимой точности измерений в пикселе. Ученые провели эксперименты и подтвердили применимость своего метода для визуализации таких чувствительных к электронам объектов, как биологические ткани человека и силикатные минералы цеолиты.

Новый метод наверняка принесет пользу многим научным и практическим исследованиям, от материаловедения до медицины. Он, например, пригодится при разработке медицинских препаратов, материалов энергоемких батарей, новых катализаторов, в биохимических исследованиях. Статья о методе опубликована в журнале Science.