从大脑细胞电池,有什么主要离子波束扫描电子显微镜研究吗?艾玛·戴维斯需要一看
“我喜欢回答问题。如果有人告诉我什么是不可能的,我通常会感兴趣。“Andreas Schertel涉及显微镜的任何挑战。工作在德国蔡司显微镜公司客户中心,他帮助找到方法来分析各种各样的东西,从沐浴露到老鼠的大脑,斑马鱼的尾巴和海胆胚胎。
Schertel的专业主要是离子波束扫描电子显微镜(FIB-SEM),最初是针对使用的半导体行业现在惊人的数组的应用。心房纤颤和SEM分别已使用了几十年,但研究人员越来越多地吸引到技术相结合,将高分辨率成像和微加工。
离子束通常是由液体镓和可用于成像或解除超薄切片,而扫描电镜分析每个新层。叠加SEM图像然后创建一个三维的谎言。当扫描电镜的电子束扫描样品,不同的信息可以从发射的二次电子,聚集和x射线背散射电子。例如,给信息表面二次电子和电气性能。
弹出二次电子从内部电子壳留下了带正电荷的“空穴”,然后由从外层电子。之间的能量差壳释放x射线,用能量色散x射线能谱(EDX)。
从深处也背散射电子样本,揭示元素构成。一般来说,元素原子序数较高的后向散射电子比光元素更强烈,因此出现明亮的图像。
大脑训练
2006年,斯苏在马里兰州贝塞斯达国家癌症研究所,我们是第一个表明FIB-SEM可以用来产生3 d的生物样品在尸块。几年后,Schertel FIB-SEM用来计数的突触数量的老鼠的大脑,和一个团队一起从西班牙的马德里工业大学。西班牙球队仍然使用这项技术,建立详细的3 d模型从图像产生许多FIB-cut层。
这项工作有助于疾病,如阿尔茨海默氏症的研究,哈维尔·DeFelipe马德里研究员解释道。例如,它可以让他们比较突触的分布在患病和健康的大脑。我们正在努力建设的难题。我们希望能够填补空缺,为了更好地理解大脑的工作,同事说天使Merchan-Perez。的重要性,这是我们可以量化的所有数据。你可以给非常准确的突触密度的估计,他们的大小和分布,”他补充道。知道有多少神经元兴奋性或抑制性突触在大脑部分也有助于建立精确的预测模型。
在类似的研究中,美国和英国团队利用FIB-SEM了解脊髓损伤后神经元试图自我修复。幸存神经元试图重建途径,胶质细胞被认为在重新发挥关键作用的神经回路,在运动神经元集群。细胞被认为调节信号机制,控制神经修复能力但尚未有可能看到这种情况发生。
我们希望能够填补空缺,为了更好的理解大脑的工作
天使Merchan-Perez,马德里工业大学
领导的一个团队在美国俄亥俄州立大学的大卫·麦库姆曾与菲利普•威瑟斯来自曼彻斯特大学的英国,填补知识空白,结合x射线计算机断层扫描(CT), FIB-SEM断层扫描和扫描透射电子显微镜(杆)。
他们在树脂固定鼠标脊髓,利用x射线CT定位感兴趣的区域,使用前FIB修剪样本和FIB-SEM检查它。3 d结果证实先前的研究表明直接神经胶质细胞和神经元之间的相互作用可能是神经修复的关键。
开发相关的方法是有用的。的工作流可以应用非常广泛的问题,从看热障涂层金属组件的涡轮引擎交互的假体植入与矿化组织如骨骼,”麦库姆说,俄亥俄州立大学的电子显微镜中心主任和分析。
软样品
Schertel设置自己的挑战3 d成像本国国内的生物样本,选择快速冻结他们在高压力。低温技术避免脱水,染色和嵌入的步骤,使成像后立即可以开始冻结。样品冷冻这么快没有冰晶生长的时间;他们是陶瓷的。
2011年,Schertel与领导的研究小组Wiebke莫比乌斯马克斯普朗克研究所的实验医学在哥廷根,德国,分析鼠标使用cryo-FIB-SEM视神经。3 d成像出现高度详细的结构在细胞的线粒体,包括核和核孔。研究团队发现对比最好通过检测低能量的二次电子的影响表面的潜力。
处理领导的研究小组Lia Addadi和史蒂夫·维纳的以色列魏茨曼科学研究所的Schertel cryo-FIB-SEM也用来研究斑马鱼幼体和海胆胚胎骨架,广泛应用于发育生物学和毒理学。骨骼形式虽然高度不稳定的前体矿物阶段中可以改变传统的样品制备但是被快速冷冻保存。
为了了解生物制造和运输矿物,研究人员已经冻结,分析了海胆胚胎和斑马鱼幼鱼的尾巴。背散射电子清楚地表明生物矿物的骨骼和局部区域,而二次电子检测提供有关细胞结构的信息。
Cryo-FIB-SEM是唯一的方法可以提供一个完整的水化组织的三维重建,高分辨率,在几十微米,“Addadi说。的看到一只大体积允许我们理解矿物沉积的途径。特别是,他们发现碳酸钙和磷酸钙有不同的对比使用二次电子成像时,尽管他们还没有明白为什么这可能是工作。
很酷的催化剂
荷兰乌特勒支大学伯特Weckhuysen正试图找出如何提高zeolite-based商业催化剂或创建新的。催化剂的性能不仅取决于活动网站的属性也对反应物分子通过其孔隙空间旅行。孔隙可访问性不是一个简单的属性检查个人催化剂粒子,他解释说。
使用3 d FIB-SEM,他的团队分析了各种工业催化剂颗粒的孔隙结构。结果显示惊人的孔隙结构的差异以及缺乏一致性。例如,其中一个粒子流化床催化裂解显然有密集的表层,减少进入毛孔内,这将影响性能。
的工作显示空间不同的部件有不同的孔隙度和活动,“Weckhuysen说。“如果我们现在可以干预将是一件很酷的事,看看我们可以做,例如,一个结构化催化剂粒子在一个地方,多孔和多孔在另一个。“例如,大型原油分子可能目前只能进入的第一个2µm催化剂粒子。我们能在不久的将来空间调整催化剂粒子的孔隙度,因此可访问性和性能?”他问道。
充电
但组织和其他生物材料并不是唯一的地方FIB-SEM可以使用(见酷催化剂盒)。深入揭示三维结构还承诺帮助改善锂离子电池。虽然控制充电的便携式电子产品市场,电池的寿命有限,可燃性问题仍然还有许多待改进之处。
Timo Bernthaler Aalen大学在德国使用FIB-SEM分析商业电池的阴极,剪掉一小部分进行分析。它们通常由锂过渡金属氧化物,如锂锰氧化物。在充放电过程中,锂离子电极之间的旅行。
x射线显微镜显示亮点地表以下,而二次电子和背散射图像从FIB-SEM显示一个黑暗的阶段和一个光明的添加剂。EDS与最亮的对比结果表明粒子富含镧,并不像预期的锰。镧有点神秘,虽然Bernthaler肯定是故意添加。
亚历山大·Korsunsky运行一个多波束在英国牛津大学工程实验室显微镜使用同步加速器x射线和3 d FIB-SEM研究锂离子电池,以帮助防止减少经过无数次充放电循环性能。他遵循“损伤级联”尺度,从毫米到埃,了解电池失去能力。
他的团队分析了从两个完全充电和放电阴极库,使用李路从新加坡国立大学。他们的工作表明,lithiation和delithiation导致阴极结构变化,在一个方向上扩张和收缩。说,骑自行车有一个机械元素Korsunsky。
EDS是最常见的SEM分析锂离子系统的工具却不足,他说。问题是探测器通常坐在一室铍窗为x射线吸收很低但切断等信号的光元素锂。除非你去“无窗”,你不可能让一个信号锂。这是一个问题,因为每个人都想知道如何扩散在充放电过程中锂电池,Korsunsky说。
“我们意识到,即使我们不能接特征x射线辐射我们可以使用FIB削减一些离子表面,”他说。使用FIB的光栅模式,研究人员溅射材料,产生二次离子从标本的越来越深。然后他们使用飞行时间二次离子质谱检测锂。
他们发现“热点”在晶界锂粒子。内部缺陷和边界可能会允许锂离子被困,他们建议。如果你有热点的锂,得到当地的应变和应力,“Korsunsky说。电极使用FIB断层扫描,研究人员发现,最终开始片段。
热点的后果和局部颗粒浓度的变化,意味着储存锂逐步瓦解,他解释说。使用较小的初级粒子和减少发生内部晶界能减少锂捕获的影响,研究人员建议。尽管无数的实验挑战与液体电解质,球队已经开始研究原位充电和放电,Korsunsky说。
他的同事们在新加坡目前致力于固态电池,这将解决这个问题液体电解质的可燃性。研究人员已经开始商业化的技术,可以彻底改变,他说。Korsunsky的团队参与3 d成像新设备使用FIB-SEM和x射线断层扫描。
腐蚀和裂纹
威瑟斯也研究了锂离子电池,目睹了内容扩张和收缩在充电和放电。“电池呼吸,”他说。他的团队使用相关显微镜——一个数组显微镜技术操作在不同的分辨率,解决所有的问题,从发展中蝶蛹内里裂缝后合金。所以您可能使用光学显微镜观察低长度尺度,x射线显微镜中等长度尺度和电子显微镜细长度尺度,”威瑟斯说。
我们可以看到裂纹成核,他们如何连接起来,最终导致失败
曼彻斯特大学菲利普•威瑟斯
他的大部分工作是在3 d。的3 d成像的一个挑战是,通常感兴趣的领域并不是表面上看,”威瑟斯说。“与传统相关显微镜可以看到表面上的东西,你所要做的就是找到同一地区使用下一个技术。当感兴趣的领域是也许几十毫米在表面之下,这有点像挖宝藏。”
然而,3 d成像的美妙之处在于,威瑟斯能够研究裂缝随着他们的成长。通过研究相同的样本,我们可以看出裂纹成核,他们如何连接起来,最终导致失败。“他的团队通常使用x射线成像技术来找到一个裂缝。我们可能想看看前面的损伤裂纹,因为它被连接起来,有点像加入点。为此,研究者可以减少该地区和FIB连续切片在高分辨率图像。
他使用技术来研究腐蚀不锈钢、切削层在使用FIB-SEM腐蚀坑,同时与电子背散射衍射成像。一起干结果,图片显示一个明确的沿着晶界腐蚀面前。EDS还显示元素合金隔离的裂缝。
在海军服役
了解材料的船只和飞机的行为在盐水和其他腐蚀性环境中尤为重要的海军,帮助建立更强的结构和节省维修。美国亚利桑那州立大学,美国海军研究办公室(ONR)和蔡司为一个新的四维材料科学中心。
中心研究材料在三维空间和时间(第四维)使用技术跨长度范围从纳米到微米。的想法是使用这个相关的方法来回答我们的问题一直未能解决,”尼克拉说,该中心负责人。
ONR已经感兴趣的材料在他们的船只、飞机和其他结构表现在盐水和腐蚀性环境中,”他说。由于铝合金是无处不在的,了解腐蚀坑成核和成长是很重要的,他补充说。
这是一个很好的技术,但并不是解决一切
俄亥俄州立大学的大卫•麦库姆
例如,他的团队已经运行实时实验使用x射线CT和FIB-SEM铝合金。他们发现富镁沉淀,发现这些地区优先溶解接触腐蚀性液体,而铁基沉淀和粒子被搁浅。
挑战
尽管它的吸引力和无数应用,FIB-SEM不是一个完美的工具。”这是一个很好的技术,但并不是解决一切,”麦库姆说。例如,对于工作我们的脊髓,我们重建一个体积是100×100×100µm。获取数据仅花了约60个小时,”他说。正常FIB-SEM不是被设计通过大量的材料,他补充道。
在某些情况下,血浆FIB (PFIB),它使用氩、氙镓,可用于大卷。在曼彻斯特,威瑟斯使用PFIB-SEM磨样品高,60倍镓基系统。他怀疑有许多情况下的特性数百微米表面下可以使用x射线CT识别并使用PFIB-SEM分析。betway必威游戏下载大全
只是不要提及数据。存储、分析和想象高分辨率三维数据集将计算机系统的限制,需要无限量:最宝贵的资源——时间。
艾玛在主教Stortford戴维斯是一个基于科学作家,英国
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