Sol Gruner, izquierda, profesor de física, y David Muller, profesor de física aplicada e ingeniería. Crédito:Chris Kitchen / Fotografía universitaria
El microscopio electrónico una poderosa herramienta para la ciencia, se volvió aún más poderoso, con una mejora desarrollada por los físicos de Cornell. Su detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD) no solo produce una imagen, pero una gran cantidad de información sobre los electrones que crean la imagen y, a partir de ese, más sobre la estructura de la muestra.
"Podemos extraer cepas locales, se inclina, rotaciones polaridad e incluso campos eléctricos y magnéticos, "explicó David Muller, profesor de física aplicada e ingeniería, que desarrolló el nuevo dispositivo con Sol Gruner, profesor de física, y miembros de sus grupos de investigación.
El Centro de Licencias de Tecnología de Cornell (CTL) ha licenciado la invención a FEI, un fabricante líder de microscopios electrónicos (una división de Thermo Fisher Scientific, que suministra productos y servicios para las ciencias de la vida a través de varias marcas). FEI espera completar la comercialización del diseño y ofrecer el detector para microscopios electrónicos nuevos y modernizados este año.
"Es alucinante contemplar lo que los investigadores de todo el mundo descubrirán a través de esta combinación de la profunda experiencia de Cornell en la ciencia de los detectores con el líder del mercado Thermo Fisher Scientific, "dijo Patrick Govang, oficial de licencias de tecnología en CTL.
Los científicos describieron su trabajo en la edición de febrero de 2016 de la revista Microscopía y microanálisis .
En el microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) habitual, un haz estrecho de electrones se dispara a través de una muestra, escaneando hacia adelante y hacia atrás para producir una imagen. Un detector debajo lee la intensidad variable de los electrones que entran y envía una señal que dibuja una imagen en la pantalla de una computadora.
Un microscopio electrónico de transmisión de barrido, izquierda, dispara un haz estrecho de electrones a través de una muestra, escaneando hacia adelante y hacia atrás para producir una imagen. El detector de matriz de píxeles, Derecha, lee el punto de aterrizaje y de ahí el ángulo de dispersión de cada electrón, dando información sobre la estructura atómica de la muestra.
El EMPAD que reemplaza al detector habitual se compone de una matriz de 128x128 píxeles sensibles a los electrones, cada 150 micrones (millonésimas de metro) cuadrado, unido a un circuito integrado que lee las señales, algo así como la matriz de píxeles sensibles a la luz en el sensor de una cámara digital, pero no para formar una imagen. Su propósito es detectar los ángulos en los que emergen los electrones, ya que cada electrón golpea un píxel diferente. El EMPAD es un derivado de los detectores de rayos X que los físicos han construido para el trabajo de cristalografía de rayos X en Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), y puede funcionar de manera similar para revelar la estructura atómica de una muestra.
Combinado con el haz enfocado del microscopio electrónico, el detector permite a los investigadores construir un mapa "cuatridimensional" de la posición y el momento de los electrones a medida que pasan a través de una muestra para revelar la estructura atómica y las fuerzas internas. El EMPAD es inusual en su velocidad, sensibilidad y una amplia gama de intensidades que puede registrar, desde la detección de un solo electrón hasta haces intensos que contienen cientos de miles o incluso un millón de electrones.
"Sería como tomar una fotografía de una puesta de sol que mostrara tanto los detalles de la superficie del sol como los detalles de las sombras más oscuras, Muller explicó.
La mejora también es emocionante para los científicos de la vida porque la recolección de todos los electrones dispersos hace que el instrumento sea mucho más sensible. usar una exposición menos intensa para obtener una imagen y limitar el daño a un espécimen vivo.
"El EMPAD registra un cuadro de imagen en menos de un milisegundo y puede detectar de uno a un millón de electrones primarios por píxel, por marco de imagen, "Muller explicó." Este es el 1, 000 veces el rango dinámico, y 100 veces la velocidad de los sensores de imagen de electrones convencionales ".
"Ahora podemos ver mejor los procesos dentro de las células intactas, "dijo Lena Kourkoutis, profesor asistente de física aplicada e ingeniería. La baja dosis de radiación permite múltiples exposiciones, para tomar "películas" en intervalos de tiempo de procesos celulares o para ver la misma muestra desde diferentes ángulos para obtener una imagen tridimensional más clara. Kourkoutis planea utilizar estas técnicas en el trabajo con el nuevo Centro de Cornell para la Física del Metabolismo del Cáncer, observar cómo el cáncer progresa de una célula a otra.
Los investigadores probaron su primer EMPAD instalándolo en un puerto de repuesto en un microscopio FEI de última generación. El prototipo se utiliza intensamente para experimentos en el Centro de Investigación de Materiales de Cornell.
