Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronentomographie mit 3487 Bildern in 3,5 Sekunden

05.10.2015

Schonende Highspeed-Elektronentomographie setzt neue Maßstäbe für 3D-Aufnahmen aus der Nanowelt

Wissenschaftler des Ernst Ruska-Centrums am Forschungszentrum Jülich haben mit einem Transmissionselektronenmikroskop rund 3500 Bilder in 3,5 Sekunden aufgenommen. Die Bildserie dient als Datenbasis für die tomographische 3D-Rekonstruktion. Bislang waren 10 bis 60 Minuten und die zehnfache Elektronenstrahldosis nötig, um entsprechende Bildserien anzufertigen.


Elektronentomograpische 3D-Rekonstruktion eines Nanoröhrchens (orange) auf einer Kohlenstoff-Trägerschicht (blau).

Copyright: Migunov, V. et al. Sci. Rep. 5, 14516, 2015 (CC BY 4.0)


Die Bildserie dient als Datenbasis für die tomographische 3D-Rekonstruktion.

Copyright: Copyright: Migunov, V. et al. Sci. Rep. 5, 14516, 2015 (CC BY 4.0)

Die schonende Aufnahmetechnik eignet sich insbesondere zur Untersuchung von biologischen Zellen, Bakterien und Viren. Deren Struktur wurde durch überkritische Elektronenstrahldosen bisher oftmals geschädigt. Zudem ermöglicht es das Verfahren, dynamische Prozesse wie chemische Reaktionen oder elektronische Schaltvorgänge in Echtzeit und 3D mit Sub-Nanometer-Präzision sichtbar zu machen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Scientific Reports" veröffentlicht.

Die Elektronentomographie ist mit der Computertomographie verwandt, die aus der Forschung und dem klinischen Alltag mittlerweile nicht mehr wegzudenken ist. Elektronentomographische Abbildungen sind allerdings deutlich trennschärfer als diejenigen röntgenstrahlbasierter Verfahren.

Das Auflösungsvermögen der Elektronentomographie ist das mit Abstand beste, das heute technisch möglich ist. Die Methode eignet sich daher auf einzigartige Weise, um etwa Viren und Bakterien nach Ansatzpunkten für medizinische Wirkstoffe abzusuchen oder neuartige Nanomaterialien für unterschiedliche Anwendungsgebiete, von der Nanoelektronik bis hin zur Energietechnik, zu erforschen.

"Die Beschleunigung und Senkung der Strahlungsdosis eröffnet neue Perspektiven, speziell für die Lebenswissenschaften und für die Erforschung weicher Materie", schwärmt Prof. Rafal Dunin-Borkowski. Bei dem Verfahren nimmt ein Transmissionselektronenmikroskop in rascher Folge Bilder aus unterschiedlichen Winkeln von der Probe auf, die meist weniger als einen Mikrometer dick ist.

"Die einzelnen Bilder zeigen keinen Querschnitt durch die Probe. Stattdessen überlagern sich die Informationen aus unterschiedlichen Schichten ähnlich wie bei einem Röntgenbild und werden anschließend gemeinsam auf eine Ebene projiziert", erklärt der Kodirektor des Ernst Ruska-Centrums sowie Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-5). Daher sind Algorithmen notwendig, mit denen sich aus einer Bildserie am Computer die dreidimensionale Darstellung berechnen lässt.

Die erzielbare Auflösung wird dabei durch die präparatschädigende Wirkung des Elektronenstrahls beschränkt. Insbesondere weiche, biologische Proben „vertragen“ nur eine begrenzte Anzahl von Bildern. Ihre empfindlichen Strukturen, beispielsweise Proteinstrukturen, werden durch hochenergetische Elektronen schnell zerstört. Um die Elektronenstrahldosis zu verringern, haben die Forscher des Ernst Ruska-Centrums ihr Elektronenmikroskop mit einem neuartigen Detektor ausgestattet. Die verwendete Single Electron Detection-Kamera kann einfallende Elektronen direkt erfassen, ohne sie vorab in Photonen, also Licht, umwandeln zu müssen – wie es bislang üblich ist.

"Die jüngste Generation von Detektorchips besitzt eine sehr hohe Empfindlichkeit, was bedeutet, dass man für die gleiche Aufnahmequalität mit einer zwei- bis dreimal kleineren Elektronenstrahldosis auskommt", erläutert Dr. Vadim Migunov, tätig am Ernst Ruska-Centrum und dem Jülicher Peter Grünberg Institut. Kollegen von ihm am Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2) haben die Elektronik des Chips mitentwickelt. Sie sorgt dafür, dass sich die Daten deutlich schneller auslesen und damit extrem schnelle Aufnahmeraten erzielen lassen.

Erste Tests mit Nanoröhrchen und Katalysatoren

Zur Überprüfung des verbesserten Verfahrens hat Vadim Migunov gemeinsam mit seinen Kollegen vom Ernst Ruska-Centrum ein anorganisches Nanoröhrchen aus Lanthaniden untersucht. Derartige Strukturen werden aktuell mit großem Interesse erforscht, da sie sich möglicherweise für die Stromgewinnung aus Abwärme sowie für neuartige Lichtquellen und Katalysatoren eignen. "Durch die Aufnahmerate von rund 1000 Bildern pro Sekunde wird es beispielsweise erstmals möglich, mittels Elektronentomographie schnelle Prozesse in 3D auf der Nanoskala und in Echtzeit zu beobachten – beispielsweise chemische Reaktionen, an denen Katalysatoren beteiligt sind, Kristallwachstumsprozesse oder Phasenzustandswechsel", erklärt Vadim Migunov.

Untersuchungen mit besserer zeitlicher und räumlicher Auflösung könnten beispielsweise helfen zu erklären, wie es zum Funktionsverlust von Nanokatalysatoren kommt. Derartige Nanopartikel lassen sich unter anderem zur Gewinnung von Wasserstoff oder zur Abtrennung schädlicher Klimagase einsetzen. Ihr Wirkungsgrad hängt maßgeblich davon ab, wie sich die Atome an Oberflächen anordnen, an denen sich die chemischen Reaktionen abspielen.

Darüber hinaus bringt das neue Verfahren weitere Vorteile mit sich. Nur wenige Sekunden Rechenzeit sind nötig, um die 3D-Struktur am Rechner zu rekonstruieren. Die zeitliche Verzögerung fällt also sehr gering aus, was es Wissenschaftlern ermöglicht, laufende Experimente praktisch "live" in 3D mitzuverfolgen.

Movie: Electron Tomography with 3487 Images in 3.5 Seconds
noPlaybackVideo

DownloadVideo

Copyright: Migunov, V. et al. Sci. Rep. 5, 14516, 2015 (CC BY 4.0)

Originalpublikation

Rapid low dose electron tomography using direct electron detection camera. V. Migunov, H. Ryll, X. Zhuge, M. Simson, L. Strüder, K. Batenburg, L. Houben, R. Dunin-Borkowski. Scientific Reports (published 5 October 2015), DOI: 10.1038/srep1451.6. http://www.nature.com/articles/srep14516

Weiterführende Informationen

Ernst Ruska-Centrum für Elektronenmikroskopie und Elektronenspektroskopie (ER-C)

Peter Grünberg Institut, Mikrostrukturforschung

Kontakt:

Dr. Vadim Migunov
Ernst Ruska-Centrum (ER-C)
Peter Grünberg Institut, Mikrostrukturforschung (PGI-5)
Forschungszentrums Jülich
Tel. +49 2461 61-9478
v.migunov@fz-juelich.de

Prof. Dr. Rafal Dunin-Borkowski
Direktor am Ernst Ruska-Centrum (ER-C)
Peter Grünberg Institut, Mikrostrukturforschung (PGI-5)
Forschungszentrums Jülich
Tel. +49 2461 61-9297
r.dunin-borkowski@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation
Forschungszentrum Jülich
Tel. +49 2461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Angela Wenzik
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Tel. +49 2461 61-6048
a.wenzik@fz-juelich.de

Tobias Schlößer | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Fit im Alter durch Hirnstimulation und Training
19.04.2017 | Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund

nachricht CTCelect – die Projekt(erfolgs)geschichte wird fortgeschrieben
06.04.2017 | Fraunhofer ICT-IMM

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten