Un superpuesto, Imagen estéreo de microscopía electrónica sin inclinación (filtrada por colores) de nanoesferas de carbono decoradas con nanopartículas. Las mismas estructuras aparecen en rojo y azul y las nanopartículas se desplazan ligeramente de acuerdo con su distribución tridimensional en la esfera de carbono. Esta imagen muestra la aplicabilidad de las nuevas técnicas de imágenes 3D sin inclinación a otras estructuras. Crédito:Cécile Hébert / Emad Oveisi / EPFL
Las ciencias físicas y biológicas requieren cada vez más la capacidad de observar objetos de tamaño nanométrico. Esto se puede lograr con microscopía electrónica de transmisión (TEM), que generalmente se limita a imágenes 2D. El uso de TEM para reconstruir imágenes en 3D generalmente requiere inclinar la muestra a través de un arco para obtener imágenes de cientos de vistas y necesita un procesamiento de imagen sofisticado para reconstruir su forma en 3D. creando una serie de problemas. Ahora, Los científicos de EPFL han desarrollado un método de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) que genera imágenes 3D rápidas y fiables de estructuras curvilíneas a partir de una única orientación de muestra. El trabajo está publicado en Informes científicos .
Los laboratorios de Cécile Hébert y Pascal Fua en EPFL han desarrollado un método de microscopía electrónica que puede obtener imágenes en 3D de estructuras curvilíneas complejas sin necesidad de inclinar la muestra. La técnica, desarrollado por el investigador de EPFL Emad Oveisi, se basa en una variación de TEM llamada TEM de exploración (STEM), donde un haz de electrones enfocado escanea a través de la muestra.
La novedad del método es que puede adquirir imágenes en un solo disparo, lo que abre el camino para estudiar muestras de forma dinámica a medida que cambian con el tiempo. Es más, puede proporcionar rápidamente un "sentido" de tres dimensiones, como lo haríamos con un cine en 3D.
"Nuestros propios ojos pueden ver representaciones en 3D de un objeto al combinar dos perspectivas diferentes del mismo, pero el cerebro todavía tiene que complementar la información visual con su conocimiento previo de la forma de ciertos objetos, "dice Hébert." Pero en algunos casos con TEM sabemos algo sobre qué forma debe tener la estructura de la muestra. Por ejemplo, puede ser curvilíneo, como el ADN o los misteriosos defectos que llamamos 'dislocaciones', que gobiernan las propiedades optoelectrónicas o mecánicas de los materiales ".
El enfoque clásico
TEM es una técnica muy poderosa que puede proporcionar vistas de alta resolución de objetos de solo unos pocos nanómetros de ancho, por ejemplo, un virus, o un defecto de cristal. Sin embargo, TEM solo proporciona imágenes 2D, que no son suficientes para identificar la morfología 3D de la muestra, lo que a menudo limita la investigación. Una forma de solucionar este problema es adquirir imágenes consecutivas mientras se gira la muestra en un arco de inclinación. Luego, las imágenes se pueden reconstruir en una computadora para obtener una representación en 3D de la muestra.
El problema con este enfoque es que requiere una precisión extrema en cientos de imágenes, que es difícil de lograr. Las imágenes 3D generadas de esta manera también son propensas a artefactos, que son difíciles de eliminar después. Finalmente, tomar varias imágenes con TEM requiere disparar un haz de electrones a través de la muestra cada vez, y la dosis total puede afectar realmente la estructura de la muestra durante la adquisición y producir una imagen falsa o corrupta.
La configuración tridimensional de las dislocaciones se reconstruye mediante sólo dos imágenes estéreo adquiridas con la técnica de imágenes de electrones tridimensionales sin inclinación. Crédito:Cécile Hébert / Emad Oveisi / EPFL
El nuevo enfoque
En el método STEM desarrollado por los investigadores, la muestra se detiene mientras el microscopio envía dos haces de electrones inclinados uno contra el otro, y dos detectores se utilizan simultáneamente para registrar la señal. Como resultado, el proceso es mucho más rápido que la técnica de imagen 3D TEM anterior y casi sin artefactos.
El equipo también utilizó un sofisticado algoritmo de procesamiento de imágenes, desarrollado en colaboración con CVlab de Fua, para reducir el número de imágenes necesarias para la reconstrucción 3D a solo dos imágenes tomadas con diferentes ángulos de haz de electrones. Esto aumenta la eficiencia de la adquisición de datos y la reconstrucción 3D en uno o dos órdenes de magnitud en comparación con las técnicas TEM 3D convencionales. Al mismo tiempo, previene cambios estructurales en la muestra debido a altas dosis de electrones.
Debido a su velocidad e inmunidad a problemas con los métodos TEM estándar, Este método de "imágenes de electrones 3D sin inclinación" es una gran ventaja para estudiar radiación sensible, policristalino o materiales magnéticos. Y debido a que la dosis total de electrones se reduce a un solo escaneo, Se espera que el método abra nuevas vías para la obtención de imágenes electrónicas en 3D en tiempo real de materiales dinámicos y procesos biológicos.
