Электронная томография является современным инструментом для визуализации объектов на микро- и наноуровнях, однако данный метод не позволяет обеспечить построение 3D-изображения на атомном уровне по ряду технических причин. Ученые Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) заявили, что они смогли преодолеть некоторые технологические ограничения, продемонстрировав новый подход к съемке - «равномерно наклонную томографию» (Equally Sloped Tomography), что, по мнению ученых, позволит добиться значительных успехов в исследовании наноматериалов, включая биологические образцы.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) представляет собой мощный инструмент визуализации объектов менее 0,1 мкм, нашедший широкое применение в материаловедении, нанотехнологии и биологии. Электронная томография (ЭТ) является продолжением метода ПЭМ, позволяющим получать подробные 3D-структуры макромолекулярных объектов. Этот метод также использует просвечивающий электронный микроскоп, однако в ходе съемки пучок электронов проходит через образец под разными углами, вращаясь вокруг его центра, что позволяет собрать информацию о трехмерном изображении объекта с разрешением в 5-20 нм. Методом ЭТ возможно исследовать надмолекулярную структуру белков и полипептидов, но его применения недостаточно для визуализации вторичной или третичной структуры белка.
Представление о том, как атомы расположены в кристаллической структуре, сыграло решающую роль в развитии современной науки и техники. Для выявления 3D атомных структур уже давно используются стандартные кристаллографические методы, также при помощи сканирующих зондовых микроскопов можно определить структуру поверхности на атомном уровне, при помощи электронных микроскопов - можно увидеть некоторые атомы отдельно (в двумерных проекциях кристаллических образцов).
Тем не менее, в настоящее время не существует прямого способа по определению 3D-структуры на атомном уровне без предварительного знания о структуре кристаллической решетки исследуемого образца и принятия допущения, что атомы строго соответствуют своим теоретическим позициям в структуре. Ученый Jianwei Miao и его коллеги из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) говорят, что ими уже проведены первые эксперименты, в которых они могут напрямую получать локальные 3D изображения структуры, не полагаясь на априорную информацию о кристаллической решетке. Исследователям удалось наблюдать отдельные атомы в некоторых участках наночастиц золота (d = 10 нм) и выявить в них нескольких зерен с пространственным разрешением всего 2,4 Å в трех измерениях. Полученные 3D изображения поверхности и внутренней структуры решетки согласуются с искаженной икосаэдрической структурой многократно сдвоенных частиц. Возможность определения структуры только посредством электронной томографии является одним из самых значимых достижений в этой области за последние несколько лет. В интервью nanotechweb.org Jianwei Miao заявил: «Это было сделано впервые».
Преодолеть ограничения
Одним из основных недостатков традиционной томографии является то, что для получения наиболее общей структуры образцы должны быть наклонены несколько раз и сняты при каждом новом угле наклона без изменения их состояния. Но проблема состоит в том, что излучение от электронных пучков, используемое в ПЭМ, ограничивает число возможных проекций от одного объекта, так как оно «разрушает» структуру исследуемого образца, изменяя форму и положение атомов. Другим недостатком метода является сложность его технологического исполнения, а именно возможности согласованного наклонения образцов вдоль общей оси на атомном уровне точности. Наконец, образцы не могут быть наклонены за пределами ± 79°, что означает, что данные не могут быть получены из «отсутствующего оптического клина».
Jianwei Miao и его коллеги смогли преодолеть все эти проблемы, применив новый метод выравнивания благодаря итерационной технологии томографической реконструкции и использования сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с кольцевым темным полем (ADF-STEM). Использование аберрационно-корректирующих электронных линз в просвечивающем электронном микроскопе позволило исследователям UCLA значительно улучшить как разрешающую способность, так и качество изображения. Разрешение, которое удалость достигнуть американским ученым, при выявлении 3D-изображения, составило менее 0,5 Å.
Команда исследователей говорит, что она работает в этом направлении с 2005 года, первые исследования преследовали цель улучшить метод традиционной томографии, развивая технологию "равномерно наклонной томографии" (EST). Этот метод позволил ученым наклонять исследуемые образцы с очень маленьким шагом и выполнять их 3D-реконструкцию с помощью Фурье-итерационного алгоритма. Метод EST позволил существенно уменьшить необходимое количество проекций по каждому образцу, который автоматически означало более низкие дозы радиации при сохранении того же разрешения, контрастности и качества изображения.
«В нашей новой работе, мы объединили метод EST с другой нашей идеей - возможностью выравнивания проекций относительно центра масс частиц, что значительно сокращает статистические расчеты. Для получения 3D-изображения наночастицы золота на атомном уровне мы использовали всего 69 проекций», - объяснил Jianwei Miao.
Наночастица золота в 3D представлении
По мнению ученых, их общий метод может быть применен для определения локальной 3D структуры кристаллических, поликристаллических и даже неупорядоченных наноматериалов на атомном уровне. Также это может помочь улучшить пространственное разрешение и качество изображения при проведении электронной томографии биологических образцов.
Автор русского текста: Мария Раскина (ранее Поверенная)
