一次简单的改造即可将电子显微镜转变为高速原子级相机
美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员及其合作者已经开发出一种方法,可以改造透射电子显微镜(一种用于制作清晰的显微图像的长期科学力量),以便它还可以制作高质量的超级电影。 -快速的原子和分子过程。通过与旧的和新的电子显微镜兼容,该翻新有望通过使这种电影摄制功能更广泛地应用于世界各地的实验室,从而使您能够洞悉从显微镜机器到下一代计算机芯片和生物组织的所有事物。
NIST科学家June Lau说:“我们希望能够观察到材料科学中很快发生的事情。” 她在《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)杂志上与同事们一起报告了这种改进设计的首次概念验证操作。该团队将改造设计为现有仪器的经济高效的附加组件。她说:“这预计将是新型电子显微镜成本的一小部分。”
电子显微镜是一项已有近100年历史的发明,在许多科学实验室中仍然是必不可少的工具。流行的版本称为透射电子显微镜(TEM),它可以通过目标样品发射电子以产生图像。现代版本的显微镜可以将物体放大多达五千万倍。电子显微镜有助于确定病毒的结构,测试计算机电路的运行并揭示新药的有效性。
Lau说:“电子显微镜可以在原子尺度上观察非常小的物体。” 她说:“它们很棒。但是从历史上看,它们只关注时间固定的事物。它们不善于观察移动的目标。”
在过去的15年中,激光辅助电子显微镜使视频成为可能,但是这种系统非常复杂且昂贵。虽然这些设置可以捕获持续时间从纳秒(十亿分之一秒)到飞秒(十亿分之一秒)的事件,但是实验室通常必须购买更新的显微镜来适应这种能力以及专用激光器,而总投资可以花费数百万美元 实验室还需要内部激光物理学专业知识来帮助建立和操作这种系统。
刘说:“坦率地说,并不是每个人都有这种能力。”
相反,通过使用相对简单的“ 光束斩波器” ,改造可使任何年龄的TEM都能在皮秒级(万亿分之一秒)的范围内制作高质量的电影。原则上,光束斩波器可用于任何制造商的TEM。要安装它,NIST研究人员在电子源正下方打开显微镜柱,插入光束斩波器,然后再次关闭显微镜。Lau和她的同事已成功改装了三种不同功能和年份的TEM。
像频闪仪一样,该光束斩波器释放出精确定时的电子脉冲,可以捕获重要的重复或循环过程的帧。
劳说:“想象一下摩天轮,它以周期性和可重复的方式运动。” “如果我们使用针孔相机进行记录,它看起来会模糊。但是我们希望看到个别的汽车。我可以在针孔相机前面放置一个快门,以使快门速度与车轮的运动相匹配。我们可以只要指定的汽车到达顶部,百叶窗就会打开。这样,我就可以制作一堆图像,显示每辆汽车在摩天轮的顶部。”
像光闸一样,斩波器会中断连续的电子束。但是,与具有可打开和关闭的光圈的百叶窗不同,该光束光圈始终保持打开状态,从而无需复杂的机械零件。
金(Au)纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图像被连续电子束(左)和脉冲束(右)放大了200,000倍。规模为5纳米(nm)。图片来源:NIST
而是,光束斩波器在电子束的方向上产生射频(RF)电磁波。Lau说,该波使行进的电子表现出“像软木塞在水波的表面上上下摆动”的行为。
骑着这个波,电子在接近孔径时遵循波状路径。除了与孔径完全对准的电子外,大多数电子都被阻挡了。射频波的频率是可调的,因此电子每秒可撞击样品4000万至120亿次。结果,研究人员可以约10纳秒至10皮秒的时间间隔捕获样品中的重要过程。
这样,经过NIST改装的显微镜可以捕获微型机械(如微机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS))中来回运动的原子级细节。它可以潜在地研究用于高速通信的天线中规则重复的信号,并探测下一代计算机处理器中的电流运动。
在一个演示中,研究人员希望证明改装后的显微镜的功能与改装前相同。他们以传统的“连续”模式和脉冲束模式对金纳米颗粒成像。脉冲模式下的图像具有与静态图像相当的清晰度和分辨率。
Lau说:“我们对其进行了设计,因此应该相同。”
光束斩波器还可以执行双重任务,将射频能量泵入材料样本中,然后为结果拍照。研究人员通过将微波(一种无线电波形式)注入金属的梳状MEMS器件来证明这种能力。微波在MEMS器件内产生电场,并导致电子的入射脉冲发生偏转。这些电子偏转使研究人员能够制作通过MEMS梳传播的微波的电影。
Lau和她的同事们希望他们的发明能够很快取得新的科学发现。例如,它可以研究分子级存储设备中迅速变化的磁场的行为,这些设备有望存储比以前更多的信息。
研究人员花了六年的时间开发和开发了他们的光束斩波器,并因其工作获得了多项专利和R&D 100奖。该工作的共同作者包括纽约阿普顿的布鲁克海文国家实验室和伊利诺伊州博灵布鲁克的欧几里得技术实验室。
使Lau感到最自豪的一件事是,他们的设计可以为任何TEM注入新的活力,包括执行最新演示的25年历史的部门。NIST的设计使各地实验室都可以使用显微镜捕获明天材料中重要的快速移动过程。
刘说:“使科学民主化是整个动机。”
推荐内容
-
美敦力为糖尿病护理购买营养数据创业公司
美敦力将收购以色列的营养数据分析提供商Nutrino Health,以加强其糖尿病团体产品。该交易的财务条款未被公司披露。该医疗设备公司打算将N
-
日本研究小组阐明了细菌鞭毛运动蛋白的结构
许多细菌物种使用附着在马达上的螺旋螺旋桨(鞭毛)在液体环境中移动。电动机的转子和定子部件之间的相互作用产生运动所需的旋转力。在经...
-
基因组在战斗中映射以击败超级细菌
一位昆士兰科学家完成了世界上第一个对所有市售抗生素产生抗性的超级细菌的基因解码。昆士兰大学化学与分子生物科学学院博士后研究员Brian
-
研究显示 伤寒毒素加速细胞衰老 增强杀手感染
科学家们已经揭示了伤寒毒素是如何劫持DNA修复机器并加速细胞衰老的,这一突破可以为新战略对抗致命疾病铺平道路。作为研究的一部分,从生
-
细菌必须进行进化大小与功能权衡
最小的有机体可能有多小?生物体的大小是否有限制?生物学这些基本问题涉及进化,生态学和天体生物学领域,对于理解生命在地球上如何产生...
-
亨廷顿病的突变可能改变亨廷顿蛋白与Rac1的相互作用
自1993年以来,当确定引起亨廷顿病(HD)的基因时,人们一直非常关注这种基因突变如何导致疾病严重的进行性神经衰退。在亨廷顿病杂志上发表的
-
年龄相关的细胞自我毁灭使肾脏容易受伤
随着医学的进步使人们的寿命更长,人们面临着与年龄相关的独特健康挑战。随着年龄的增长,肾脏等器官更容易受到伤害,自我修复的能力也...
-
使用太阳能电池从太阳中收集能量的环保电化学催化剂
东京工业大学(Tokyo Tech)和金泽大学的研究团队开发了一种环保型设备,该设备利用太阳能高效催化电化学氧化反应。由于当前的环境危机以及
-
研究人员揭示了与阿尔茨海默氏症癌症相关的酶的失效安全结构
像数百万美国人一样,哈佛医学院的博士后汤姆·塞加(Tom Seegar)在看到几个家庭成员从老年痴呆症中退缩时挣扎。看到他们开始失去我们最重
-
新方法降低细胞因子疗法的毒性
尽管它们有潜力,但细胞因子尚未成功地发展成有效的癌症疗法,因为它们对健康组织和肿瘤都具有高毒性。根据最近的一项研究,这可能会发...