Электронная томография
Электронная томография (ЭТ) — это метод томографии для получения детальных трехмерных структур. [1] субклеточных или , макромолекулярных образцов образцов материалов. Электронная томография является расширением традиционной трансмиссионной электронной микроскопии и использует трансмиссионный электронный микроскоп для сбора данных. При этом пучок электронов проходит через образец с возрастающими градусами вращения вокруг центра целевого образца. Эта информация собирается и используется для построения трехмерного изображения цели. Для биологических приложений типичное разрешение ЭТ-систем [2] находятся в диапазоне 5–20 нм и подходят для изучения супрамолекулярных мультибелковых структур, но не вторичной и третичной структуры отдельного белка или полипептида . [3] [4] Недавно было продемонстрировано атомное разрешение в реконструкциях трехмерной электронной томографии. [5] [6]
Томография BF-TEM и ADF-STEM [ править ]
В области биологии просвечивающая электронная микроскопия в светлом поле (BF-TEM) и TEM высокого разрешения ( HRTEM ) являются основными методами визуализации для получения серий наклонов томографии. Однако есть две проблемы, связанные с BF-TEM и HRTEM. Во-первых, для получения интерпретируемой трехмерной томограммы необходимо, чтобы интенсивность проецируемого изображения монотонно менялась в зависимости от толщины материала. Это условие трудно гарантировать в BF/HRTEM, где в интенсивности изображения преобладает фазовый контраст с возможностью многократного изменения контраста с толщиной, что затрудняет различие пустот от включений высокой плотности. [7] [8] Во-вторых, передаточная функция контрастности BF-TEM по сути представляет собой фильтр верхних частот — информация на низких пространственных частотах значительно подавляется, что приводит к преувеличению резких особенностей. Однако метод кольцевой сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в темном поле (ADF-STEM), который обычно используется для исследования образцов материалов, [9] более эффективно подавляет фазовый и дифракционный контраст, обеспечивая интенсивность изображения, которая варьируется в зависимости от предполагаемой массы и толщины образцов толщиной до микрометров для материалов с низким атомным номером . ADF-STEM также действует как фильтр нижних частот , устраняя артефакты усиления фронтов, характерные для BF/HRTEM. Таким образом, при условии, что особенности могут быть разрешены, томография ADF-STEM может дать надежную реконструкцию основного образца, что чрезвычайно важно для ее применения в материаловедении . [10] Для 3D-изображений разрешение традиционно описывается критерием Кроутера . В 2010 году трехмерное разрешение 0,5±0,1×0,5±0,1×0,7±0,2 нм было достигнуто с помощью одноосной томографии ADF-STEM. [11]
Атомно-электронная томография (АЭТ) [ править ]
Было продемонстрировано разрешение атомного уровня в реконструкциях трехмерной электронной томографии. реконструкции кристаллических дефектов, таких как дефекты упаковки , границы зерен , дислокации и двойникование в структурах. Были достигнуты [12] Этот метод актуален для физических наук, где крио-ЭМ методы не всегда могут быть использованы для определения координат отдельных атомов в неупорядоченных материалах. Реконструкции AET достигаются с использованием комбинации серии томографических наклонов ADF-STEM итерационных алгоритмов реконструкции и . в реальном пространстве В настоящее время такие алгоритмы, как метод алгебраической реконструкции (ART) и равно наклонная томография с быстрым преобразованием Фурье (EST), используются для решения таких проблем, как шум изображения, дрейф выборки и ограниченность данных. [13] Томография ADF-STEM недавно использовалась для прямой визуализации атомной структуры винтовых дислокаций в наночастицах. [14] [15] [16] [17] AET также использовался для определения трехмерных координат 3769 атомов вольфрамовой иглы с точностью 19 часов. [18] и 20 000 атомов в наночастице палладия с двойным двойником. [19] Сочетание AET со спектроскопией потерь энергии электронов (EELS) позволяет исследовать электронные состояния в дополнение к трехмерной реконструкции. [20] [21] Проблемы разрешения на атомном уровне при электронной томографии включают необходимость в более совершенных алгоритмах реконструкции и повышении точности угла наклона, необходимого для изображения дефектов в некристаллических образцах.
Различные методы наклона [ править ]
Наиболее популярными методами наклона являются одноосный и двухосный наклоны. Геометрия большинства держателей образцов и электронных микроскопов обычно не позволяет наклонить образец на полный диапазон 180°, что может привести к появлению артефактов при трехмерной реконструкции мишени. [22] [23] Стандартные держатели образцов с одним наклоном имеют ограниченное вращение ±80°, что приводит к отсутствию клина при реконструкции. Решение состоит в том, чтобы использовать образцы игольчатой формы, чтобы обеспечить полное вращение. Благодаря использованию двухосного наклона артефакты реконструкции уменьшаются в несколько раз. по сравнению с одноосным наклоном. Однако необходимо сделать в два раза больше изображений. Другим методом получения наклон-серии является так называемый метод конической томографии, при котором образец наклоняют, а затем поворачивают на полный оборот. [24]
См. также [ править ]
- Томография
- Томографическая реконструкция
- 3D реконструкция
- Криоэлектронная томография
- Позитронно-эмиссионная томография
- Критерий Кроутера
- Рентгеновская компьютерная томография
- программное обеспечение для томографии Tomviz
- против программного обеспечения для томографии
- Рентгеновская компьютерная томография
Ссылки [ править ]
- ^ Р. Ховден; Д.А. Мюллер (2020). «Электронная томография функциональных наноматериалов». Вестник МРС . 45 (4): 298–304. arXiv : 2006.01652 . Бибкод : 2020MRSBu..45..298H . дои : 10.1557/mrs.2020.87 . S2CID 216522865 .
- ^ Р.А. Кроутер; диджей ДеРозье; А. Клюг (1970). «Реконструкция трехмерной структуры по проекциям и ее применение к электронной микроскопии». Учеб. Р. Сок. Лонд. А. 317 (1530): 319–340. Бибкод : 1970RSPSA.317..319C . дои : 10.1098/rspa.1970.0119 . S2CID 122980366 .
- ^ Франк, Иоахим (2006). Франк, Иоахим (ред.). Электронная томография . дои : 10.1007/978-0-387-69008-7 . ISBN 978-0-387-31234-7 . S2CID 241282825 .
- ^ Мастронард, Д.Н. (1997). «Двухосевая томография: подход с методами выравнивания, сохраняющими разрешение». Журнал структурной биологии . 120 (3): 343–352. дои : 10.1006/jsbi.1997.3919 . ПМИД 9441937 .
- ^ Ю. Ян; и др. (2017). «Расшифровка химического порядка/беспорядка и свойств материала на уровне одного атома». Природа . 542 (7639): 75–79. arXiv : 1607.02051 . Бибкод : 2017Natur.542...75Y . дои : 10.1038/nature21042 . ПМИД 28150758 . S2CID 4464276 .
- ^ Скотт, MC; Чен, CC; Мекленбург, М.; Чжу, К.; Сюй, Р.; Эрциус, П.; Дамен, У.; Риган, Британская Колумбия; Мяо, Дж. (2012). «Электронная томография с разрешением 2,4 ангстрема» (PDF) . Природа . 483 (7390): 444–7. Бибкод : 2012Natur.483..444S . дои : 10.1038/nature10934 . ПМИД 22437612 . S2CID 1600103 .
- ^ Бальс, С. ; Киселовский, CF; Кроитору, М.; Тенделоо, Г.В. (2005). «Кольцевая томография темного поля в ПЭМ» . Микроскопия и микроанализ . 11 . дои : 10.1017/S143192760550117X .
- ^ Ван Арл, В.; Паленстейн, штат Вашингтон; Де Батчер, Дж; Аланцис, Т; Бальс, С; Батенбург, Дж; Сийберс, Дж (2015). «ASTRA Toolbox: платформа для разработки передовых алгоритмов электронной томографии». Ультрамикроскопия . 157 : 35–47. дои : 10.1016/j.ultramic.2015.05.002 . hdl : 10067/1278340151162165141 .
- ^ БДА Левин; и др. (2016). «Наборы данных наноматериалов для развития томографии в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии» . Научные данные . 3 (160041): 160041. arXiv : 1606.02938 . Бибкод : 2016NatSD...360041L . дои : 10.1038/sdata.2016.41 . ПМЦ 4896123 . ПМИД 27272459 .
- ^ Мидгли, Пенсильвания ; Вейланд, М. (2003). «3D-электронная микроскопия в физических науках: развитие Z-контраста и EFTEM-томографии». Ультрамикроскопия . 96 (3–4): 413–431. дои : 10.1016/S0304-3991(03)00105-0 . ПМИД 12871805 .
- ^ Синь, HL; Эрциус, П.; Хьюз, К.Дж.; Энгстрем, младший; Мюллер, Д.А. (2010). «Трехмерное изображение пористых структур внутри диэлектриков с низким κ». Письма по прикладной физике . 96 (22): 223108. Бибкод : 2010ApPhL..96v3108X . дои : 10.1063/1.3442496 .
- ^ Мяо, Дж.; Эрциус, П.; Биллинге, SJL (23 сентября 2016 г.). «Атомно-электронная томография: 3D-структуры без кристаллов» . Наука . 353 (6306): ааф2157. doi : 10.1126/science.aaf2157 . ПМИД 27708010 . S2CID 30174421 .
- ^ Саги, Зинеб; Мидгли, Пол А. (2012). «Электронная томография в (S)TEM: от наномасштабного морфологического анализа к трехмерной атомной визуализации» . Ежегодный обзор исследований материалов . 42 : 59–79. doi : 10.1146/annurev-matsci-070511-155019 . Проверено 13 декабря 2022 г.
- ^ Чен, CC; Чжу, К.; Уайт, скорая помощь; Чиу, Калифорния; Скотт, MC; Риган, Британская Колумбия; Маркс, Л.Д.; Хуанг, Ю.; Мяо, Дж. (2013). «Трехмерное изображение дислокаций в наночастице с атомным разрешением». Природа . 496 (7443): 74–77. Бибкод : 2013Natur.496...74C . дои : 10.1038/nature12009 . ПМИД 23535594 . S2CID 4410909 .
- ^ Мидгли, Пенсильвания ; Дунин-Борковский, Р.Э. (2009). «Электронная томография и голография в материаловедении». Природные материалы . 8 (4): 271–280. Бибкод : 2009NatMa...8..271M . дои : 10.1038/nmat2406 . ПМИД 19308086 .
- ^ Эрциус, П.; Вейланд, М.; Мюллер, Д.А.; Жиньяк, LM (2006). «Трехмерное изображение нановоидов в медных межсоединениях с использованием некогерентной томографии в светлом поле» . Письма по прикладной физике . 88 (24): 243116. Бибкод : 2006ApPhL..88x3116E . дои : 10.1063/1.2213185 .
- ^ Ли, Х.; Синь, HL; Мюллер, Д.А.; Эстрофф, Луизиана (2009). «Визуализация трехмерной внутренней структуры монокристаллов кальцита, выращенных в агарозных гидрогелях». Наука . 326 (5957): 1244–1247. Бибкод : 2009Sci...326.1244L . дои : 10.1126/science.1178583 . ПМИД 19965470 . S2CID 40526826 .
- ^ Сюй, Руй; Чен, Цзянь-Чун; Ву, Ли; Скотт, MC; Тайс, В.; Офус, Колин; Бартельс, Матиас; Ян, Ёнсу; Рамезани-Дахель, Хади; Савая, Майкл Р.; Хайнц, Хендрик; Маркс, Лоуренс Д.; Эрциус, Питер; Мяо, Цзяньвэй (ноябрь 2015 г.). «Трёхмерные координаты отдельных атомов в материалах, выявленные методом электронной томографии» . Природные материалы . 14 (11): 1099–1103. arXiv : 1505.05938 . дои : 10.1038/nmat4426 . ПМИД 26390325 . S2CID 5455024 .
- ^ Пельц, Филипп М.; Грошнер, Кэтрин; Брюфах, Александра; Сатариано, Адам; Офус, Колин; Скотт, Мэри К. (25 января 2022 г.). «Одновременное последовательное двойникование, зафиксированное с помощью атомно-электронной томографии» . АСУ Нано . 16 (1): 588–596. arXiv : 2109.06954 . дои : 10.1021/acsnano.1c07772 . ПМИД 34783237 . S2CID 237513855 .
- ^ Балс, Сара; Горис, Барт; Де Бакер, Анник; Ван Аэрт, Сандра; Ван Тенделоо, Густав (1 июля 2016 г.). «Электронная томография атомного разрешения» . Вестник МРС . 41 (7): 525–530. дои : 10.1557/мрс.2016.138 . hdl : 10067/1356900151162165141 . S2CID 139058353 .
- ^ Ван Арл, В.; Паленстейн, штат Вашингтон; Де Батчер, Дж; Аланцис, Т; Бальс, С; Батенбург, Дж; Сийберс, Дж (2015). «ASTRA Toolbox: платформа для разработки передовых алгоритмов электронной томографии». Ультрамикроскопия . 157 : 35–47. дои : 10.1016/j.ultramic.2015.05.002 . hdl : 10067/1278340151162165141 .
- ^ БДА Левин; и др. (2016). «Наборы данных наноматериалов для развития томографии в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии» . Научные данные . 3 (160041): 160041. arXiv : 1606.02938 . Бибкод : 2016NatSD...360041L . дои : 10.1038/sdata.2016.41 . ПМЦ 4896123 . ПМИД 27272459 .
- ^ Ван Арл, В.; Паленстейн, штат Вашингтон; Де Батчер, Дж; Аланцис, Т; Бальс, С; Батенбург, Дж; Сийберс, Дж (2015). «ASTRA Toolbox: платформа для разработки передовых алгоритмов электронной томографии». Ультрамикроскопия . 157 : 35–47. дои : 10.1016/j.ultramic.2015.05.002 . hdl : 10067/1278340151162165141 .
- ^ Зампиги, Джорджия; Файн, Н; Зампиги, LM; Кантеле, Ф; Ланзавеккья, С; Райт, Э.М. (2008). «Коническая электронная томография химического синапса: многогранные клетки пристыковывают везикулы к активной зоне» . Журнал неврологии . 28 (16): 4151–60. doi : 10.1523/JNEUROSCI.4639-07.2008 . ПМЦ 3844767 . ПМИД 18417694 .