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Tomografía electrónica

Principio básico de la tomografía: superposición de secciones transversales tomográficas libres S 1 y S 2 con la imagen proyectada P

La tomografía electrónica (ET) es una técnica de tomografía para obtener estructuras 3D detalladas [1] de muestras subcelulares , macromoleculares o materiales. La tomografía electrónica es una extensión de la microscopía electrónica de transmisión tradicional y utiliza un microscopio electrónico de transmisión para recopilar los datos. En el proceso, se pasa un haz de electrones a través de la muestra en grados incrementales de rotación alrededor del centro de la muestra objetivo. Esta información se recopila y se utiliza para ensamblar una imagen tridimensional del objetivo. Para aplicaciones biológicas, la resolución típica de los sistemas ET [2] está en el rango de 5 a 20 nm , adecuada para examinar estructuras multiproteicas supramoleculares, aunque no la estructura secundaria y terciaria de una proteína o polipéptido individual . [3] [4] Recientemente, se ha demostrado la resolución atómica en reconstrucciones de tomografía electrónica 3D. [5] [6]

Tomografía BF-TEM y ADF-STEM

En el campo de la biología, la microscopía electrónica de transmisión de campo claro (BF-TEM) y la TEM de alta resolución ( HRTEM ) son los principales métodos de obtención de imágenes para la adquisición de series de inclinación de tomografía. Sin embargo, existen dos problemas asociados con BF-TEM y HRTEM. En primer lugar, la adquisición de un tomograma 3-D interpretable requiere que las intensidades de la imagen proyectada varíen monótonamente con el espesor del material. Esta condición es difícil de garantizar en BF/HRTEM, donde las intensidades de la imagen están dominadas por el contraste de fase con el potencial de múltiples inversiones de contraste con el espesor, lo que dificulta la distinción entre huecos e inclusiones de alta densidad. [7] [8] En segundo lugar, la función de transferencia de contraste de BF-TEM es esencialmente un filtro de paso alto : la información a bajas frecuencias espaciales se suprime significativamente, lo que resulta en una exageración de las características nítidas. Sin embargo, la técnica de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular (ADF-STEM), que se utiliza típicamente en muestras de materiales, [9] suprime de manera más efectiva el contraste de fase y difracción, proporcionando intensidades de imagen que varían con la masa-espesor proyectada de las muestras hasta micrómetros de espesor para materiales con bajo número atómico . ADF-STEM también actúa como un filtro de paso bajo , eliminando los artefactos de mejora de bordes comunes en BF/HRTEM. Por lo tanto, siempre que las características se puedan resolver, la tomografía ADF-STEM puede producir una reconstrucción confiable de la muestra subyacente, lo cual es extremadamente importante para su aplicación en la ciencia de los materiales . [10] Para imágenes 3D, la resolución se describe tradicionalmente por el criterio de Crowther . En 2010, se logró una resolución 3D de 0,5 ± 0,1 × 0,5 ± 0,1 × 0,7 ± 0,2 nm con una tomografía ADF-STEM de un solo eje. [11]

Tomografía electrónica atómica (AET)

Esquema que muestra el concepto de tomografía electrónica.

Se ha demostrado la resolución a nivel atómico en reconstrucciones de tomografía electrónica 3D. Se han logrado reconstrucciones de defectos cristalinos como fallas de apilamiento , límites de grano , dislocaciones y maclado en estructuras. [12] Este método es relevante para las ciencias físicas, donde las técnicas crio-EM no siempre se pueden utilizar para localizar las coordenadas de átomos individuales en materiales desordenados. Las reconstrucciones AET se logran utilizando la combinación de una serie de inclinación tomográfica ADF-STEM y algoritmos iterativos para la reconstrucción . Actualmente, se utilizan algoritmos como la técnica de reconstrucción algebraica en espacio real (ART) y la tomografía de pendiente igual por transformada rápida de Fourier (EST) para abordar problemas como el ruido de la imagen, la deriva de la muestra y los datos limitados. [13] La tomografía ADF-STEM se ha utilizado recientemente para visualizar directamente la estructura atómica de las dislocaciones de tornillo en nanopartículas. [14] [15] [16] [17] La ​​AET también se ha utilizado para encontrar las coordenadas 3D de 3.769 átomos en una aguja de tungsteno con una precisión de 19 pm [18] y 20.000 átomos en una nanopartícula de paladio maclada múltiplemente. [19] La combinación de AET con espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS) permite la investigación de estados electrónicos además de la reconstrucción 3D. [20] [21] Los desafíos para la resolución a nivel atómico de la tomografía electrónica incluyen la necesidad de mejores algoritmos de reconstrucción y una mayor precisión del ángulo de inclinación necesario para obtener imágenes de defectos en muestras no cristalinas.

Diferentes métodos de inclinación

Los métodos de inclinación más populares son los de un solo eje y los de doble eje. La geometría de la mayoría de los portamuestras y microscopios electrónicos normalmente impide inclinar la muestra en un rango completo de 180°, lo que puede generar artefactos en la reconstrucción 3D del objetivo. [22] [23] Los portamuestras de una sola inclinación estándar tienen una rotación limitada de ±80°, lo que provoca la falta de una cuña en la reconstrucción. Una solución es utilizar muestras con forma de aguja para permitir una rotación completa. Al utilizar la inclinación de doble eje, los artefactos de reconstrucción se reducen en un factor de en comparación con la inclinación de un solo eje. Sin embargo, se necesita tomar el doble de imágenes. Otro método para obtener una serie de inclinaciones es el llamado método de tomografía cónica, en el que se inclina la muestra y luego se gira una vuelta completa. [24]

Véase también

Referencias

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