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Development and Implementation of In-Focus Phase Contrast TEM for Materials and Life Sciences

Barton, Bastian

German Title: Entwicklung und Implementierung von in-Fokus-Phasenkontrast-TEM für Materialwissenschaften und Life Sciences

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Abstract

Transmission electron microscopy (TEM) allows the imaging of objects from materials sciences and biology with a resolution of a few nm to a few Å. Biological systems can be reconstructed in 3D under physiological conditions using cryo TEM. However, the low signal-to-noise ratio (SNR) of individual images hampers resolution. Weak-phase objects such as native biological samples can be visualized only by phase contrast, which is generated in conventional TEM by defocusing. The defocus technique yields weak contrast and incomplete transfer of object information, which makes reconstruction difficult. Therefore, generating contrast by placing a phase plate in the back focal plane of the objective lens is desirable. This allows for artefact-free imaging of weak-phase objects with strong contrast. For TEM, phase plates have been realised only in the form of a thin carbon film which causes loss of signal and resolution. This work presents the first technical implementation of an electrostatic (Boersch) phase plate for TEM and gives the experimental proof-of-principle for this device. The Boersch phase plate generates maximum phase contrast while avoiding resolution loss. It consists of a miniaturised electrostatic einzel lens that shifts the phase of the unscattered wave. Obstruction effects are minimised by optically magnifying the focal plane. The advancement to an entirely obstruction-free phase plate is outlined which generates pseudo-topographic (Hilbert) contrast. The enhancement of electron-microscopic reconstruction by such a Hilbert phase plate is demonstrated for electron tomography of unstained cell sections.

Translation of abstract (German)

Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) erlaubt die Abbildung von Objekten aus Materialwissenschaften und Biologie mit einer Auflösung von wenigen nm bis wenigen Å. Durch Kryopräparation sind 3D-Rekonstruktionen von biologischen Systemen unter physiologischen Bedingungen möglich. Die Auflösung ist dabei eingeschränkt durch das niedrige Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) der Bilder. Schwache Phasenobjekte, wie native biologische Proben, werden erst durch Phasenkontrast sichtbar, der in der konventionellen TEM durch Defokussieren erzeugt wird. Die Defokusmethode liefert jedoch schwachen Kontrast und eine unvollständige Übertragung der Objektinformation, was die Rekonstruktion erschwert. Wünschenswert ist daher die Kontrasterzeugung durch eine Phasenplatte in der hinteren Brennebene der Objektivlinse. Dies ermöglicht eine artefaktfreie und kontrastreiche Abbildung schwacher Phasenobjekte. Phasenplatten wurden in der TEM bisher nur in Form eines dünnen Kohlenstofffilmes realisiert, der jedoch Signal- und damit Auflösungsverluste verursacht. Diese Arbeit zeigt erstmals die technische Implementierung einer elektrostatischen (Boersch-) Phasenplatte und liefert den experimentellen Beweis ihrer Funktionsfähigkeit. Die Boersch-Phasenplatte erzeugt maximalen Phasenkontrast, während Auflösungsverluste vermieden werden. Sie besteht aus einer miniaturisierten elektrostatischen Einzellinse, die eine Phasenverschiebung des ungestreuten Wellenanteils bewirkt. Abschattungseffekte durch die Linse werden durch optische Vergrößerung der Brennebene minimiert. Die Weiterentwicklung zur gänzlich abschattungsfreien “anamorphotischen” Phasenplatte wird beschrieben, die einen pseudotopografischen (Hilbert-) Kontrast erzeugt. Die Verbesserung der elektronenmikroskopischen Rekonstruktion durch eine solche Hilbert-Phasenplatte wird an Hand von Elektronentomografie ungefärbter Zellschnitte demonstriert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schröder, Dr. Rasmus R.
Date of thesis defense: 11. June 2008
Date Deposited: 07. Jul 2008 14:04
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Uni-externe Einrichtungen
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Elektronenmikroskop, Elektronenmikroskopie, Elektronenholographie, Elektronenoptik, Elektronenlinse, Phasenverschiebung, Phasenschieber, Phasen
Uncontrolled Keywords: elektrostatische Phasenplatte , Hilbert-Phasenplatte , schwache Phasenobjekte , Elektronentomografieelectrostatic phase plate , Hilbert phase plate , weak-phase objects , electron tomography
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