التصوير المقطعي الإلكتروني

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
المبدأ الأساسي للتصوير المقطعي: مقارنة المقاطع المقطعية الخالية من التراكب S1 و S2 بالصورة المسقطة P

التصوير المقطعي الإلكتروني (ET) هو تقنية تصوير مقطعي تُستخدم للحصول على صور ثلاثية الأبعاد مفصلة [ 1 ] لعينات من مكونات دون خلوية ، أو جزيئات كبيرة ، أو مواد. يُعدّ التصوير المقطعي الإلكتروني امتدادًا للمجهر الإلكتروني النافذ التقليدي ، ويستخدم مجهرًا إلكترونيًا نافذًا لجمع البيانات. في هذه العملية، يمر شعاع من الإلكترونات عبر العينة بزوايا دوران متزايدة حول مركزها. تُجمع هذه المعلومات وتُستخدم لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد للعينة المستهدفة. بالنسبة للتطبيقات البيولوجية، تتراوح الدقة النموذجية لأنظمة التصوير المقطعي الإلكتروني [ 2 ] بين 5 و20 نانومترًا ، وهي مناسبة لفحص التراكيب فوق الجزيئية متعددة البروتينات، ولكنها غير مناسبة لفحص البنية الثانوية والثالثية لبروتين أو عديد ببتيد منفرد . [ 3 ] [ 4 ] وقد تم مؤخرًا إثبات دقة ذرية في عمليات إعادة بناء الصور ثلاثية الأبعاد باستخدام التصوير المقطعي الإلكتروني. [ 5 ] [ 6 ]

التصوير المقطعي باستخدام BF-TEM و ADF-STEM

في مجال علم الأحياء، يُعدّ كلٌّ من المجهر الإلكتروني النافذ ذي المجال الساطع (BF-TEM) والمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة ( HRTEM ) من أهمّ طرق التصوير المستخدمة في التصوير المقطعي ثلاثي الأبعاد. مع ذلك، توجد مشكلتان مرتبطتان بهاتين الطريقتين. أولًا، يتطلب الحصول على صورة مقطعية ثلاثية الأبعاد قابلة للتفسير أن تتغير شدة الصورة المسقطة بشكل مطرد مع سُمك المادة. يصعب ضمان هذا الشرط في BF/HRTEM، حيث تهيمن تباينات الطور على شدة الصورة، مع احتمال حدوث انعكاسات متعددة للتباين مع السُمك، مما يُصعّب التمييز بين الفراغات والشوائب عالية الكثافة. [ 7 ] [ 8 ] ثانيًا، تُعتبر دالة نقل التباين في BF-TEM بمثابة مرشح تمرير عالي ، حيث يتم كبح المعلومات عند الترددات المكانية المنخفضة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تضخيم الملامح الحادة. مع ذلك، فإن تقنية المجهر الإلكتروني الماسح النافذ ذي المجال المظلم الحلقي (ADF-STEM)، المستخدمة عادةً على عينات المواد، [ 9 ] تُقلل تباين الطور والحيود بشكل أكثر فعالية، مما يوفر شدة صور تتغير بتغير سُمك الكتلة المُسقطة للعينات حتى سُمك ميكرومترات للمواد ذات العدد الذري المنخفض . كما تعمل تقنية ADF-STEM كمرشح تمرير منخفض ، مما يُزيل التشوهات المُحسّنة للحواف الشائعة في تقنية BF/HRTEM. وبالتالي، شريطة إمكانية تمييز التفاصيل، يُمكن أن يُوفر التصوير المقطعي بتقنية ADF-STEM إعادة بناء موثوقة للعينة الأساسية، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقاتها في علم المواد . [ 10 ] بالنسبة للتصوير ثلاثي الأبعاد، يُوصف الدقة تقليديًا بمعيار كروثر . في عام 2010، تم تحقيق دقة ثلاثية الأبعاد تبلغ 0.5±0.1×0.5±0.1×0.7±0.2 نانومتر باستخدام التصوير المقطعي أحادي المحور بتقنية ADF-STEM. [ 11 ] 

التصوير المقطعي الإلكتروني الذري (AET)

رسم تخطيطي يوضح مفهوم التصوير المقطعي الإلكتروني.

لقد تم إثبات دقة على المستوى الذري في عمليات إعادة بناء التصوير المقطعي الإلكتروني ثلاثي الأبعاد. وبمساعدة التصوير المقطعي الحاسوبي، تم تحديد هوية كل ذرة على حدة وتحديد إحداثياتها ثلاثية الأبعاد بدقة [ 12 ] في الأجسام متناهية الصغر، مما يُظهر بوضوح البنى الجزيئية على المستويين الكبير والصغير. وقد أُنجزت عمليات إعادة بناء عيوب البلورات، مثل أخطاء التراص ، وحدود الحبيبات ، والانخلاعات ، والتوأمة في البنى [ 13 ] . تُعد هذه الطريقة ذات أهمية في العلوم الفيزيائية، حيث لا يُمكن دائمًا استخدام تقنيات المجهر الإلكتروني فائق البرودة لتحديد إحداثيات الذرات الفردية في المواد غير المنتظمة. تُنجز عمليات إعادة بناء التصوير المقطعي الإلكتروني باستخدام مزيج من سلسلة صور مائلة للتصوير المقطعي بتقنية ADF-STEM وخوارزميات تكرارية لإعادة البناء . حاليًا، تُستخدم خوارزميات مثل تقنية إعادة البناء الجبرية في الفضاء الحقيقي (ART) والتصوير المقطعي ذي الميل المتساوي باستخدام تحويل فورييه السريع (EST) لمعالجة مشكلات مثل تشويش الصورة، وانحراف العينة، ومحدودية البيانات. [ 14 ] استُخدم التصوير المقطعي ADF-STEM مؤخرًا لتصوير البنية الذرية للانخلاعات اللولبية في الجسيمات النانوية بشكل مباشر. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] كما استُخدمت تقنية AET لتحديد الإحداثيات ثلاثية الأبعاد لـ 3769 ذرة في إبرة من التنجستن بدقة 19 بيكومتر [ 19 ] و20000 ذرة في جسيم نانوي من البلاديوم متعدد التوأمة. [ 20 ] يتيح الجمع بين تقنية AET ومطيافية فقدان طاقة الإلكترون (EELS) دراسة الحالات الإلكترونية بالإضافة إلى إعادة البناء ثلاثي الأبعاد. [ 21 ] [ 8 ] تشمل التحديات التي تواجه دقة التصوير المقطعي الإلكتروني على المستوى الذري الحاجة إلى خوارزميات إعادة بناء أفضل وزيادة دقة زاوية الميل المطلوبة لتصوير العيوب في العينات غير البلورية.

طرق إمالة مختلفة

أكثر طرق الإمالة شيوعًا هي الإمالة أحادية المحور والإمالة ثنائية المحور. عادةً ما تمنع هندسة معظم حوامل العينات والمجاهر الإلكترونية إمالة العينة بزاوية 180 درجة كاملة، مما قد يؤدي إلى ظهور تشوهات في إعادة بناء النموذج ثلاثي الأبعاد. [ 9 ] [ 8 ] تتميز حوامل العينات القياسية أحادية الإمالة بدوران محدود يبلغ ±80 درجة، مما يؤدي إلى فقدان جزء من النموذج في عملية إعادة البناء. يتمثل أحد الحلول في استخدام عينات على شكل إبرة للسماح بالدوران الكامل. باستخدام الإمالة ثنائية المحور، يتم تقليل تشوهات إعادة البناء بمعامل2{\displaystyle {\sqrt {2}}}بالمقارنة مع الإمالة أحادية المحور. ومع ذلك، يلزم التقاط ضعف عدد الصور. هناك طريقة أخرى للحصول على سلسلة صور مائلة وهي ما يسمى بطريقة التصوير المقطعي المخروطي، حيث يتم إمالة العينة ثم تدويرها دورة كاملة. [ 22 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ر. هوفدين؛ د. أ. مولر (2020). "التصوير المقطعي الإلكتروني للمواد النانوية الوظيفية". نشرة جمعية أبحاث المواد . 45 (4): 298-304 . arXiv : 2006.01652 . Bibcode : 2020MRSBu..45..298H . doi : 10.1557/mrs.2020.87 . S2CID 216522865 . 
  2. ↑ آر. إيه. كروثر؛ دي. جيه. ديروسير؛ إيه. كلوج (1970). "إعادة بناء بنية ثلاثية الأبعاد من الإسقاطات وتطبيقها على المجهر الإلكتروني". وقائع الجمعية الملكية بلندن، السلسلة أ ، 317 (1530): 319-340 . رمز Bibcode : 1970RSPSA.317..319C . doi : 10.1098/rspa.1970.0119 . S2CID 122980366 . 
  3. ↑ فرانك، يواكيم (2006). فرانك، يواكيم (محرر). التصوير المقطعي الإلكتروني . doi : 10.1007/978-0-387-69008-7 . ISBN 978-0-387-31234-7. S2CID 241282825 . 
  4. ↑ ماسترونارد، دي إن (1997). "التصوير المقطعي ثنائي المحور: منهج مع طرق محاذاة تحافظ على الدقة". مجلة البيولوجيا الهيكلية . 120 (3): 343-352 . doi : 10.1006/jsbi.1997.3919 . PMID 9441937 . 
  5. ↑ يانغ وآخرون (2017). "فك شفرة الترتيب/اللا ترتيب الكيميائي وخواص المواد على مستوى الذرة المفردة". مجلة نيتشر . 542 (7639): 75-79 . arXiv : 1607.02051 . Bibcode : 2017Natur.542...75Y . doi : 10.1038/nature21042 . PMID: 28150758. S2CID : 4464276 .   
  6. ↑ سكوت، إم سي؛ تشين، سي سي؛ مكلنبورغ، إم؛ تشو، سي؛ شو، آر؛ إرسيوس، بي؛ داهمن، يو؛ ريغان، بي سي؛ مياو، جيه. (2012). "التصوير المقطعي الإلكتروني بدقة 2.4 أنغستروم" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 483 (7390): 444-447 . رمز Bibcode : 2012Natur.483..444S . doi : 10.1038/nature10934 . PMID : 22437612. S2CID : 1600103 .  
  7. ↑ Bals, S. ; Kisielowski, CF; Croitoru , M.; Tendeloo, GV (2005). "التصوير المقطعي الحلقي ذو الحقل المظلم في المجهر الإلكتروني النافذ" . المجهر والتحليل المجهري . 11. doi : 10.1017/S143192760550117X .
  8. 1 2 3 فان آرل، دبليو؛ بالينستين، WJ؛ دي بينهاور، J؛ ألانتسيس، تي؛ بال، س؛ باتنبورغ، J. سيجبرس، J (2015). "صندوق أدوات ASTRA: منصة لتطوير الخوارزمية المتقدمة في التصوير المقطعي الإلكتروني" . الفحص المجهري . 157 : 35– 47. دوى : 10.1016/j.ultramic.2015.05.002 . اتش دي ال : 10067/1278340151162165141 . بميد 26057688 . 
  9. 1 2 ب. د. أ. ليفين وآخرون (2016). "مجموعات بيانات المواد النانوية لتطوير التصوير المقطعي في المجهر الإلكتروني الماسح النافذ" . البيانات العلمية . 3 (160041) 160041. arXiv : 1606.02938 . Bibcode : 2016NatSD...360041L . doi : 10.1038/sdata.2016.41 . PMC 4896123. PMID 27272459 .   
  10. ↑ ميدجلي، بنسلفانيا ؛ ويلاند، م. (2003). "المجهر الإلكتروني ثلاثي الأبعاد في العلوم الفيزيائية: تطوير التصوير المقطعي بتقنية التباين Z و EFTEM". المجهر فائق الدقة . 96 ( 3-4 ): 413-431 . doi : 10.1016/S0304-3991(03)00105-0 . PMID 12871805 . 
  11. ↑ شين، إتش إل؛ إرسيوس، بي؛ هيوز، كيه جيه؛ إنجستروم، جيه آر؛ مولر، دي إيه (2010). "التصوير ثلاثي الأبعاد لبنية المسام داخل المواد العازلة ذات ثابت العزل الكهربائي المنخفض". رسائل الفيزياء التطبيقية . 96 (22): 223108. رمز Bibcode : 2010ApPhL..96v3108X . doi : 10.1063/1.3442496 .
  12. ↑ مياو، جيانوي (2025). "المجهر الحاسوبي باستخدام التصوير الحيودي المتماسك والتصوير التداخلي" . مجلة نيتشر . 637 (8045): 281-295 . Bibcode : 2025Natur.637..281M . doi : 10.1038/s41586-024-08278-z . PMID 39780004 . 
  13. ↑ مياو، ج.؛ إرسيوس، ب.؛ بيلينج، إس. جيه. إل . (23 سبتمبر 2016). "التصوير المقطعي الإلكتروني الذري: هياكل ثلاثية الأبعاد بدون بلورات" . مجلة ساينس . 353 (6306) aaf2157. doi : 10.1126/science.aaf2157 . PMID 27708010. S2CID 30174421 .  
  14. ↑ ساغي، زينب؛ ميدجلي، بول أ. (2012). "التصوير المقطعي الإلكتروني في المجهر الإلكتروني الماسح النافذ: من التحليل المورفولوجي النانوي إلى التصوير الذري ثلاثي الأبعاد" . المراجعة السنوية لبحوث المواد . 42 : 59-79 . Bibcode : 2012AnRMS..42...59S . doi : 10.1146/annurev-matsci-070511-155019 . تاريخ الاسترجاع: 13 ديسمبر 2022 .
  15. ↑ تشين، سي سي؛ تشو، سي؛ وايت، إي آر؛ تشيو، سي واي؛ سكوت، إم سي؛ ريغان، بي سي؛ ماركس، إل دي؛ هوانغ، واي؛ مياو، جيه. (2013). "التصوير ثلاثي الأبعاد للانخلاعات في جسيم نانوي بدقة ذرية". نيتشر . 496 ( 7443): 74-77 . Bibcode : 2013Natur.496...74C . doi : 10.1038/nature12009 . PMID 23535594. S2CID 4410909 .  
  16. ↑ ميدجلي، بنسلفانيا ؛ دونين-بوركوفسكي، ر. إي. (2009). "التصوير المقطعي الإلكتروني والتصوير المجسم في علم المواد". مجلة نيتشر ماتيريالز . 8 (4): 271-280 . رمز Bibcode : 2009NatMa...8..271M . doi : 10.1038/nmat2406 . PMID 19308086 . 
  17. ↑ إرسيوس، ب.؛ ويلاند، م.؛ مولر، د.أ.؛ جينياك، ل.م. (2006). "التصوير ثلاثي الأبعاد للفراغات النانوية في وصلات النحاس باستخدام التصوير المقطعي غير المتماسك ذي المجال الساطع" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 88 (24): 243116. Bibcode : 2006ApPhL..88x3116E . doi : 10.1063/1.2213185 .
  18. ↑ لي، هـ.؛ شين، هـ. ل.؛ مولر، د. أ.؛ إستروف، ل. أ. (2009). "تصوير البنية الداخلية ثلاثية الأبعاد لبلورات الكالسيت الأحادية النامية في هيدروجيلات الأغاروز". مجلة ساينس . 326 (5957): 1244-1247 . رمز Bibcode : 2009Sci...326.1244L . doi : 10.1126/science.1178583 . PMID: 19965470. S2CID : 40526826 .  
  19. ↑ شو، روي؛ تشين، تشين-تشون؛ وو، لي؛ سكوت، إم سي؛ ثيس، دبليو؛ أوفوس، كولين؛ بارتلز، ماتياس؛ يانغ، يونغسو؛ رامزاني-دخيل، هادي؛ ساوايا، مايكل آر؛ هاينز، هندريك؛ ماركس، لورانس دي؛ إرسيوس، بيتر؛ مياو، جيانوي (نوفمبر 2015). "الإحداثيات ثلاثية الأبعاد للذرات الفردية في المواد كما كشفت عنها التصوير المقطعي الإلكتروني" . مجلة نيتشر ماتيريالز . 14 (11): 1099-1103 . arXiv : 1505.05938 . Bibcode : 2015NatMa..14.1099X . doi : 10.1038/nmat4426 . PMID: 26390325. S2CID : 5455024 .  
  20. ↑ بيلز، فيليب م.؛ غروشنر، كاثرين؛ بروفاخ، ألكسندرا؛ ساتاريانو، آدم؛ أوفوس، كولين؛ سكوت، ماري س. (25 يناير 2022). " التوأمة المتتالية المتزامنة التي تم التقاطها بواسطة التصوير المقطعي الإلكتروني الذري" . ACS Nano . 16 (1): 588-596 . arXiv : 2109.06954 . Bibcode : 2022ACSNa..16..588P . doi : 10.1021/ acsnano.1c07772 . OSTI 1830444. PMID 34783237. S2CID 237513855 .   
  21. ↑ بالس، سارة؛ جوريس، بارت. دي باكر، أنيك؛ فان آرت، ساندرا؛ فان تينديلو ، جوستاف (1 يوليو 2016). “التصوير المقطعي الإلكتروني ذو الدقة الذرية”. نشرة السيدة . 41 (7): 525–530 . بيب كود : 2016MRSBu..41..525B . دوى : 10.1557/السيدة.2016.138 . اتش دي ال : 10067/1356900151162165141 . S2CID 139058353 . 
  22. ↑ زامبيغي، جي إيه؛ فين، إن؛ زامبيغي، إل إم؛ كانتيل، إف؛ لانزافيكيا، إس؛ رايت، إي إم (2008). "التصوير المقطعي الإلكتروني المخروطي للتشابك الكيميائي: أقفاص متعددة الأوجه تربط الحويصلات بالمنطقة النشطة" . مجلة علم الأعصاب . 28 (16): 4151-60 . doi : 10.1523/JNEUROSCI.4639-07.2008 . PMC 3844767. PMID 18417694 .