Flydende celle transmission elektronmikroskopi gør et vindue ind i nanoskalaen

Fra energimaterialer til sygdomsdiagnostik, nye mikroskopiteknikker kan give mere nuanceret indsigt. Forskere skal først forstå virkningerne af stråling på prøver.

I et nyt blad udgivet i sidste uge i Videnskabens fremskridt , et hold af videnskabsmænd og ingeniører gravede i de mekanismer, der forringer prøvekvaliteten i væskecelletransmissionselektronmikroskopi (LC-TEM). De udviklede en LC-TEM-enhed, der bruger flere vinduer og mønstrede funktioner til at udforske virkningerne af højenergi-elektronbombardement på nanopartikler og følsomme biologiske prøver.

De samarbejdende institutioner omfatter EMSL, det miljømolekylære laboratorium, en Department of Energy Office of Science User Facility ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), University of Illinois Chicago, Florida State University, Washington State University og Michigan Technological University. Studiets hovedforfatter, Trevor Moser, i øjeblikket på PNNL, er en ph.d.-studerende ved Michigan Tech, der studerer under både Tolou Shokuhfar, en adjungeret professor i maskinteknik ved Michigan Tech og en lektor i bioteknik ved University of Illinois, Chicago, og James Evans, seniorforsker ved PNNL.

Holdet forklarer, at transmissionselektronmikroskopi (TEM) er afhængig af en højenergistråle af elektroner, der passerer gennem en prøve. Uanset om prøven er fra en batterielektrode eller bakterieceller, de passerende elektroner vil spredes på en bestemt måde, hvilket afspejler prøvens atomare struktur. I LC-TEM, materialer kan undersøges i en naturlig tilstand, hvilket tillader dynamiske observationer, men prøverne er flydende eller suspenderet i væske og skal forsegles tæt for at modstå instrumentets rumlignende vakuum. Der er en balance mellem at sikre, at væsken ikke fordamper, samtidig med at der er tilstrækkelig visningsplads til, at elektronstrålen kan passere igennem.

"Vi har designet og fremstillet nye enheder til at holde væskeprøver, som giver os flere 'vindue'-områder til at indsamle billeder, end der tidligere var tilgængelige, " siger Moser. "Ved at bruge disse flere vinduer, vi var i stand til at studere, hvordan historien om elektronbestråling påvirker kernedannelsen og væksten af ​​sølvnanopartikler, hvis vækstegenskaber er følsomme over for de radikaler, der genereres med strålen. Vi brugte dem også til at studere, hvordan disse radikaler påvirker bakterieceller og demonstrerer disse biologiske prøvers ekstreme følsomhed over for elektronstrålen."

Bestråling fra den højenergistråle, der anvendes i LC-TEM, kan forårsage fysisk skade på prøver. For eksempel, holdet fandt, at når en celle blev afbildet - og blev udsat for betydelig elektronflux for første gang - var observeret nanopartikelbevægelse i forhold til cellemembranen et resultat af celleskade. Det betyder noget, fordi indsigten viser, at bevægelsen er en artefakt af at afbilde cellen i stedet for at se celledynamikken ske i realtid.

"Vi var i stand til at fange uberørte billeder af celler ved hjælp af vores flerkammerenhed, hvor det første billede repræsenterede cellernes første eksponering for betydelige elektrondoser, " siger Evans.

"Da prøvens native egenskaber kan blive ændret eller ændret af virkningerne af disse elektronstrålegenererede radikaler, "Shokuhfar siger, "at forstå kemiændringerne i en væskeprøve som følge af elektronbestråling er nøglen til korrekt fortolkning af data indsamlet med denne teknik."

Efterhånden som nuancerne i LC-TEM opsamles, mulige anvendelser omfatter indsamling af ekstrem høj opløsning, detaljerede oplysninger om energiudstyr og lagermaterialer samt sygdomsdetektion, medicinsk billeddannelse og grave dybt ned i det grundlæggende i celleaktivitet. Med hensyn til de næste skridt, holdet planlægger at fokusere på at karakterisere flere biologiske prøver, som ser ud til at være sårbare over for virkningerne af elektronbestråling. Den nye LC-TEM-enhed tilbyder flere vinduer til denne komplekse atomare verden, giver flere chancer for gennembrud inden for energi og sundhed.