Delftse truc maakt 20 keer snellere beeldvorming met elektronenmicroscopie mogelijk

Elektronenmicroscopen zijn ongeëvenaard als het gaat om het afbeelden van details op de allerkleinste schaal. Anders dan een lichtmicroscoop, die lichtdeeltjes opvangt, schiet een zogeheten scannende-elektronenmicroscoop (SEM) elektronen op een preparaat. Dat kan bijvoorbeeld een dun plakje weefsel zijn. Het weefsel verstrooit de elektronen die erop geschoten worden, waarna een sensor de afgeketste elektronen weer opvangt. Een computer maakt daarna een plaatje op basis van hoeveel elektronen er op elke positie verstrooid zijn.

Monnikenwerk

Elektronenmicroscopen zijn in staat om voorwerpen tot een miljoen keer te vergroten, waardoor je tot op bijna moleculair niveau de structuur van weefsel of materialen kunt bekijken. Maar omdat het apparaat zo gedetailleerd te werk gaat, is het in kaart brengen van kleine voorwerpen modern monnikenwerk. "Samen met onderzoekers van het UMC Groningen maken wij voor diabetesonderzoek bijvoorbeeld afbeeldingen van de insuline-producerende eilandjes van Langerhans in de alvleesklier", zegt onderzoeker Jacob Hoogenboom van de TU Delft. "Voor een volledige afbeelding van één plakje weefsel van een alvliesklier van een rat moeten we al ongeveer een week lang meten."

De groep van Hoogenboom, die zich bezighoudt met het verbeteren van licht- en elektronenmicroscopen, heeft nu een truc bedacht om dit proces met een factor twintig te versnellen. "Door een voltage op de samplehouder aan te brengen remmen we de inkomende elektronen af, en versnellen we de uitgaande elektronen juist. Door die versnelling komen de elektronen met meer energie op de detector, waardoor ze meer signaal genereren en er dus relatief minder ruis is. Dat zorgt ervoor dat het apparaat efficiënter meet."

Twee beelden van een HeLa-cel, allebei opgenomen in 33,6 seconden. Bij het maken van het rechterbeeld werd een voltage op de houder van het preparaat aangebracht.

Potentiaal

De onderzoekers kwamen op het idee door een ander, fundamenteel onderzoeksproject. Daarbij proberen ze te achterhalen welke chemische reacties elektronen bij verschillende energieën aangaan met de materialen die ze meten. "Het doel is om die reacties zoveel mogelijk te beperken, want je wil niet dat wat je meet verandert terwijl je het meet", aldus Hoogenboom. "Om de energie van de elektronen aan te passen experimenteerden we ook met het aanbrengen van een elektrisch potentiaal op het preparaat. Tijdens een onderlinge discussie daarover realiseerden we ons dat je zo’n potentiaal ook kunt gebruiken om tijd te winnen bij het maken van een afbeelding."

Het mooie is dat er geen ingewikkelde ingrepen voor nodig zijn: iedereen met een scannende-elektronenmicroscoop kan ‘m toepassen. Hoogenboom: "In de meeste elektronenmicroscopen is het standaard mogelijk om een voltage aan te brengen op de samplehouder. Normaal gesproken gebruiken mensen die optie om verstrooide elektronen met hoge energie te scheiden van die met een lagere energie, zodat je alleen het nuttige signaal overhoudt. Wat niemand zich tot nu toe gerealiseerd had, is dat je er ook zoveel sneller mee kunt detecteren."