FAQ
© 2018 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94673
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9467/


Low-dose computational phase contrast transmission electron microscopy via electron ptychography

Computergestuetzte Phasenkontrast-Elektronenmikroskopie bei niedrigen Dosen via Elektronenptychographie

Pelz, Philipp M.

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (5.936 KB) 


SWD-Schlagwörter: Mikroskopie , Elektronenmikroskopie , Computerphysik , Optimierung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Phasenkontrast
Freie Schlagwörter (Englisch): phase contrast microscopy , non-convex optimization , ptychography , phase space
Basisklassifikation: 33.20 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Miller, R.J. Dwayne (Prof. Dr. Dr. h.c.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.12.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 13.12.2018
Kurzfassung auf Englisch: In the recent years, cryo-electron microscopy (cryo-EM) has evolved into a main-
stream technique to decipher the structure-function relationship of biological
specimens from single molecules to whole cells. Cryo-EM relies on the strong
interaction of high-energy electrons with matter, which causes a measurable
phase shift of the electron wave even for single small macromolecules. Experi-
mental methods to measure this phase shift effectively are therefore the key to
obtaining higher spatial resolution images or even movies before radiation dam-
age destroys the molecule, yet current phase contrast methods suffer several
limitations for biological electron microscopy. They are either impractical to im-
plement, do not allow to deconvolve the influence of microscope optics from the
image, or involve inelastic scattering events after the electron wave has passed
the sample, which scramble the acquired phase information.
Ptychography creates a high-dimensional phase space map of the imaging process
by scanning a spatially confined coherent wavefront over the sample and col-
lecting a two-dimensional far-field diffraction pattern at each position. Both the
complex-valued transmission function of the sample and the wave function of
the incoming beam can be recovered from this dataset through deconvolution
in phase space with a range of reconstruction methods.
Electron ptychography is easy to implement in a transmission electron micro-
scope TEM but has so far only been applied to phase contrast imaging of sam-
ples in the field of materials science because of the high dose required for the re-
construction of a ptychographic dataset and the resulting high requirements on
the sample for radiation damage tolerance. We propose the use of non-convex
Bayesian optimization to overcome this limitation, and show via numerical simu-
lations that one can reduce the dose required for successful ptychographic recon-
struction by two orders of magnitude compared to previous experiments. This
opens up the field of biological electron microscopy for computational phase
contrast imaging via electron ptychography.
Using multi-slice simulations and our Bayesian reconstruction algorithm, we
demonstrate imaging of single biological macromolecules and show 2D single-
particle reconstructions from simulated data with a resolution up to 5.4 Å at a
2 dose of 20 e− /Å . When averaging 30 low-dose datasets, a 2D resolution around
3.5 Å is possible for macromolecular complexes with molecular weight even be-
low 100 kDa.
Further, we present the open-source framework scikit-pr, a GPU-accelerated
implementation of the proposed Bayesian algorithm based on the open-source
neural network library pytorch. Through the use of automatic differentiation,
scikit-pr allows the expression of the image formation process with a differen-
tiable computational graph and makes it easy to exchange experimental forward
models, loss functions, and optimization algorithms in a plug-and-play fashion.
We then discuss the practical aspects and technical requirements for implement-
ing low-dose electron ptychography in a TEM. We show two proof-of-principle
reconstructions from datasets collected on two different microscopes and detec-
tors: one of a benchmark carbon sample obtained on a Titan Krios with a K2
Summit camera at a dose of 50 e− /Å, and one of horse-spleen apo-ferritin pro-
teins obtained on a Tecnai F20 with a Medipix3 camera at a dose of 30 e− /Å.
Subsequently, we describe how the information contained in the ptychographic
data set can be optimized by tailoring the illumination wavefront and show first
results of creating a diffuse, speckled beam for electron ptychography by using
a nanostructured mask in the condenser plane of a TEM.
We highlight several avenues of further investigations based on the developed
methods in the conclusion: the possibility of measurement of additional inco-
herent signals, like energy-dispersive X-ray and annular dark field information,
during a ptychography scan, the application of quantum tomography schemes
to optimize the information content of the measurements and quantum state
reconstruction from inelastic scattering processes.
Kurzfassung auf Deutsch: In den letzten Jahren hat sich Cryo-Elektronenmikroskopie (Cryo-EM) zu einer
etablierten Technik entwickelt, um die Struktur-Funktions-Beziehung von bio-
logischen Proben von einzelnen Molekülen zu ganzen Zellen zu entschlüsseln.
Cryo-EM beruht auf der starken Wechselwirkung von hochenergetischen Elek-
tronen mit Materie, die sogar für einzelne kleine Makromoleküle eine messba-
re Phasenverschiebung der Elektronenwelle bewirkt. Experimentelle Verfahren,
um diese Phasenverschiebung effektiv zu messen, sind daher der Schlüssel dazu,
um Bilder mit höherer räumlicher Auflösung oder sogar Filme zu erhalten, bevor
eine Strahlungsschädigung das Molekül zerstört. Gegenwärtige Phasenkontrast-
verfahren jedoch unterliegen einigen Beschränkungen für die biologische Elek-
tronenmikroskopie. Sie sind entweder unpraktisch zu implementieren, erlauben
nicht, die optische Übertragungsfunktion des Mikroskops von dem Bild zu entfal-
ten, oder involvieren inelastische Streuereignisse, nachdem die Elektronenwelle
die Probe passiert hat.
Die Ptychographie erzeugt eine hochdimensionale Phasenraumabbildung des
Bildgebungsprozesses durch Abrastern einer räumlich begrenzten kohärenten
Wellenfront über die Probe und Aufnahme eines zweidimensionalen Fernfeld-
beugungsmusters an jeder Position. Sowohl die komplexwertige Übertragungs-
funktion der Probe als auch die Wellenfunktion des ankommenden Strahls kön-
nen aus diesem Datensatz durch Entfaltung im Phasenraum mit einer Reihe von
Rekonstruktionsverfahren wiederhergestellt werden.
Die Elektronenptychographie ist in einem Transmissionselektronenmikroskop
(TEM) einfach zu implementieren, wurde aber bisher nur auf die Phasenkontrast-
Bildgebung von Proben im Bereich der Materialwissenschaften angewendet, da
die für die Rekonstruktion eines ptychographischen Datensatzes erforderliche
hohe Dosis hohe Anforderungen an die Probe hinsichtlich der Strahlenschädi-
gungstoleranz stellt. Wir schlagen die Verwendung von nicht-konvexer Bayes-
scher Optimierung vor, um diese Einschränkung zu überwinden, und zeigen
über numerische Simulationen, dass man die für eine erfolgreiche ptychogra-
phische Rekonstruktion erforderliche Dosis um zwei Größenordnungen im Ver-
gleich zu früheren Experimenten reduzieren kann. Dies erschließt das Feld der
biologischen Elektronenmikroskopie für die computergestützte Phasenkontrast-
Bildgebung mittels Elektronen-Ptychographie.
Mit Multi-Slice-Simulationen und unserem Bayesschen Rekonstruktionsalgorith-
mus demonstrieren wir die Abbildung einzelner biologischer Makromoleküle
und zeigen 2D-Einzelpartikel-Rekonstruktionen aus simulierten Daten mit ei-
ner Auflösung von bis zu 5.4 Å bei einer Dosis von 20 e− /Å^2. Durch Mittelung
von 30 niedrig dosierten Datensätzen ist eine 2D-Auflösung um 3.5 Å für makro-
molekulare Komplexe mit einem Molekulargewicht sogar unter 100 kDa mög-
lich. Außerdem stellen wir das Open-Source-Framework scikit-pr vor, eine GPU-
beschleunigte Implementierung des Bayesschen Algorithmus basierend auf der
Open-Source-Bibliothek pytorch für neuronale Netzwerke. Durch die Verwen-
dung von automatische Differenzierung ermöglicht scikit-pr den Ausdruck des Bil-
derzeugungsprozesses mit einem differenzierbaren Rechengraphen und erleich-
tert den Austausch experimenteller Vorwärtsmodelle, Verlustfunktionen und Op-
timierungsalgorithmen in einem plug-and-play Modus.
Anschließend diskutieren wir die praktischen Aspekte und technischen Voraus-
setzungen für die Implementierung von Elektronen-Ptychographie mit geringer
Dosis in einem TEM. Wir zeigen zwei proof-of-principle Rekonstruktionen an
zwei verschiedenen Mikroskopen und Detektoren: eine Rekonstruktion einer
Benchmark-Kohlenstoffprobe, die auf einem Titan Krios Mikroskop mit einer
K2-Summit-Kamera bei einer Dosis von 50 e−/Å erhalten wurde, und einer von
apo-Ferritin-Proteinen aus der Pferde-Milz, die auf einem Tecnai F20 Mikroskop
mit einer Medipix3-Kamera bei einer Dosis von 30 e−/Å erhalten wurden An-
schließend beschreiben wir, wie die im ptychographischen Datensatz enthaltene
Information optimiert werden kann, indem die Beleuchtungswellenfront maßge-
schneidert wird. Wir zeigen erste Ergebnisse von der Erzeugung eines diffusen,
gesprenkelten Strahls für die Elektronenptychographie unter Verwendung einer
nanostrukturierten Maske in der Kondensorebene eines Elektronenmikroskops.
Wir heben mehrere Möglichkeiten weiterer Untersuchungen auf der Grundla-
ge der entwickelten Methoden in der Schlussfolgerung hervor: die Möglichkeit
der Messung von zusätzlichen inkohärenten Signalen, wie energiedispersiver
Röntgen- und ringförmiger Dunkelfeldinformation, während eines Ptychogra-
phiescans. Die Anwendung von Quantentomographie-Schemata zur Optimie-
rung des Informationsgehalts der Messungen. Und Quantenzustandsrekonstruk-
tion aus inelastischen Streuprozessen.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende