材料科学家通常使用溶液相透射电子显微镜 (TEM) 来揭示纳米晶体三维 (3-D) 结构的独特理化特性。在一份关于科学进展的新报告中，Cyril F. Reboul 和澳大利亚莫纳什大学、韩国首尔国立大学和劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队开发了一种单粒子布朗 3-D 重建方法。为了实现这一点，他们使用石墨烯液体电池对胶体纳米晶体的集合进行成像透射电子显微镜。该团队使用直接电子探测器获得了不同旋转纳米晶体的投影图像，以获得 3-D 重建的集合。在这项工作中，他们引入了计算方法以成功地以原子分辨率重建 3-D 纳米晶体，并通过在整个时间内跟踪单个粒子，同时减去干扰背景来实现这一点。该方法还可以识别/拒绝低质量图像，以促进与生物冷冻电子显微镜不同的 2-D/3-D 对齐策略。该团队通过名为 SINGLE 的开源软件包提供了这些开发。免费软件可在 GitHub 上获得.
使用 SINGLE 进行晶体学
在过去的 50 年里，研究人员在晶体学方面取得了持续的进步，以改变对化学和生物学的现有理解。然而，包括增溶纳米晶体在内的一些目标对于传统的晶体学方法仍然难以处理。例如，胶体纳米晶体包含数十到数百个原子，并在多学科领域保持各种应用包括电子、催化和生物传感器。多功能性源于纳米晶体特性对合成过程中的尺寸、化学成分和其他变量的高度敏感性。通常，科学家在结构生物学中使用单粒子 3-D 重建来确定蛋白质的结构。对于溶解的单个纳米晶体的原位 3-D 重建，该技术相对较新。在这项工作中，Reboul 等人。开发单; 一种依赖于溶解的单个纳米晶体的独立 3-D 重建的方法，包括布朗运动。该技术是直接从溶液相解析纳米晶体的 3-D 原子结构的研究中的第一个进步。
科学家们引入了新的预处理方法来提高信噪比 (SNR)，以跟踪粒子轨迹，同时去除石墨烯引起的背景信号。先进的计算方法可以成功地从原位石墨烯液体细胞 (GLC) 透射电子显微镜数据进行 3-D 重建。与现有技术相比，这项工作展示了一种前所未有的计算方法的适用性，以获得分散在溶液中的纳米晶体的原子分辨率 3-D 重建。他们将 SINGLE 工作流程分为两个主要步骤 (1) 预处理和 (2) 粒子 3-D 重建。科学家们的目标是在任何 CPU 硬件上提供尽可能高的性能和效率，包括超级计算机到工作站甚至笔记本电脑。
起初，该团队通过各向异性运动平均跨多个帧的时间窗口，以提高信噪比，从而产生可见粒子和增强的石墨烯信号。然后，该团队在第一个时间窗口平均值中手动识别粒子位置。此后，该团队基于预期的晶体结构、粒径和组成元素开发了一个初始模型，并使用拟合的原子坐标进行 3-D 重建，用于原子尺度的结构分析。
雷布尔等人。引入了一种新的跟踪方法，使用快速傅立叶变换和相位相关来识别具有亚像素精度的相关最大值。团队使用基于总变异 (TV) 的去噪技术对提取时间窗口进行去噪并结合去噪和时间平均，以提供一种稳健的方法来跟踪整个样品中单个纳米晶体的运动。该方法使他们能够辨别纳米晶体的整体形状和/或其晶体特征——这证明了跟踪算法的稳健性。使用该方法，他们还恢复了以前具有挑战性的轨迹以获得 3-D 重建，并在所有图像处理步骤中采用减去背景的粒子轨迹，用于 GLC(石墨烯液体电池)的石墨烯减法。该团队进一步表征了石墨烯液体电池高度受限空间中纳米晶体旋转的性质。由于 3-D 重建算法的概率性质，该方法非常重要。
生成模型
研究人员接下来利用粒子具有近似立方原子位置排列的知识开发了一个起始模型。他们使用5-Gaussian 原子散射因子模拟原子密度. 模拟 3-D 密度的 2-D 投影代表了纳米晶体核心中投影的特征，以克服与平移对称性和干扰背景信号相关的问题。用于生物冷冻电子显微镜的 3-D 精修方法不能直接应用于纳米晶体的时间序列数据;因此，Reboul 等人。引入了关键修改。他们使用两阶段精修方案来建立纳米晶体的正确形状，以允许原子及其形状驱动 3-D 排列。研究人员选择了三种不同尺寸的纳米晶体，这些纳米晶体之前没有重建用于基准测试，然后使用该方法生成的原子图，Reboul 等人。获得了原子水平的微观结构细节。
验证 3-D 重建
研究人员使用分子动力学模拟进一步生成了无序纳米晶体的模型，以了解 SINGLE 对高度无序纳米晶体的适用性。使用多切片模拟，他们应用平移运动和随机散焦变化来表示真实的粒子运动。然后，他们从 500 个模拟图像中获得了无序纳米晶体的 3-D 密度图，信噪比为 0.1，初始模型具有完美的结晶顺序，与原始粒子非常吻合。该团队获得了旋转纳米晶体的投影方向分布，以验证 3-D 重建的质量，并将需要进一步研究以了解纳米晶体的实际原子结构如何影响旋转动力学。
通过这种方式，Cyril F. Reboul 及其同事在 SINGLE 中演示了计算方法，以获得原子分辨率的纳米晶体密度图。使用先进的液体电池配置，例如具有有序纳米室的石墨烯液体电池，该团队允许控制液体厚度，以扩展 SINGLE 的适用性，以实现高效数据采集。SINGLE 套件提供了一个首创的高效分析平台，以了解纳米晶体在其天然溶液相中独特的物理和化学性质的结构起源。