Forskere anvender transmissionselektronmikroskopi gennem unikke flydende grafenceller (m/ video)

(Phys.org) — Efteråret er normalt ikke et så godt tidspunkt for store special effects-film, da sommerfilmene er falmet, og dem til feriesæsonen endnu ikke er åbnet. Efteråret er oftere tid til tankevækkende film om små emner, hvilket gør den perfekt til afsløringen af ​​en ny film produceret af forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Gennem en kombination af transmissionselektronmikroskopi (TEM) og deres egen unikke grafen flydende celle, forskerne har registreret den tredimensionelle bevægelse af DNA forbundet med guld nanokrystaller. Det er første gang, TEM er blevet brugt til 3D dynamisk billeddannelse af såkaldte bløde materialer.

"Vores demonstration af 3D dynamisk billeddannelse går ud over TEM's konventionelle brug til at se flad, tørre prøver og åbner mange spændende muligheder for at studere dynamikken i biologiske makromolekylære samlinger og kunstige nanostrukturer, " siger fysiker Alex Zettl, en af ​​lederne af denne forskning. "Disse resultater blev muliggjort af vores nye flydende grafencelle, som kan imødekomme udfordringerne ved at bruge TEM til at afbilde bløde materialer."

Zettl, som har fælles aftaler med Berkeley Lab's Materials Sciences Division og UC Berkeley's Physics Department, hvor han leder Center of Integrated Nanomechanical Systems, er en af ​​medforfatterne til et papir i NANO bogstaver beskriver denne forskning. Artiklen har titlen "3D Motion of DNA-Au Nanoconjugates in Graphene Liquid Cell Electron Microscopy."

Paul Alivisatos, Berkeley Lab Director og UC Berkeleys Samsung Distinguished Chair i nanovidenskab og nanoteknologi, er den tilsvarende forfatter. Andre forfattere er Qian Chen, Jessica Smith, Jungwon Park, Kwanpyo Kim, Davy Ho og Haider Rasool.

Udtrykket "bløde materialer" omfatter en lang række ting, herunder DNA, proteiner og andre biologiske forbindelser, plastik, terapeutiske lægemidler, fleksibel elektronik, og visse typer solcelleanlæg. På trods af deres allestedsnærværende tilstedeværelse i vores daglige liv, bløde materialer stiller mange spørgsmål, fordi studiet af deres dynamik på nanoskala, især biologiske systemer, har været en udfordring. TEM, hvor en stråle af elektroner i stedet for lys bruges til belysning og forstørrelse, giver opløsningen til sådanne undersøgelser, men kan kun bruges i et højvakuum, da molekyler i luften forstyrrer elektronstrålen. Da væsker fordamper i højvakuum, prøver af bløde materialer, som er blevet beskrevet som "meget viskøse væsker, " skal hermetisk forsegles i specielle solide beholdere (kaldet celler) med et visningsvindue, før det afbildes med TEM.

I fortiden, flydende celler indeholdt siliciumbaserede visningsvinduer, hvis tykkelse begrænsede opløsningen og forstyrrede den naturlige tilstand af de bløde materialer. Zettl og Alivisatos og deres respektive forskningsgrupper overvandt disse begrænsninger med udviklingen af ​​en flydende celle baseret på en grafenmembran, der kun er et enkelt atom tyk. Denne udvikling er sket i tæt samarbejde med forskere ved National Center for Electron Microscopy (NCEM), som er placeret på Berkeley Lab.

"Vores flydende grafenceller skubbede den rumlige opløsning af væskefase TEM-billeddannelse til atomskalaen, men fokuserede stadig på vækstbaner for metalliske nanokrystaller, " siger hovedforfatter Qian Chen, en postdoc i Alivisatos' forskningsgruppe. "Nu har vi taget teknikken til at afbilde 3D-dynamikken i bløde materialer, startende med dobbeltstrenget (dsDNA) forbundet til guld nanokrystaller og opnået nanometer opløsning."

For at oprette cellen, to modstående grafenplader er bundet til hinanden ved deres van der Waals-attraktion. Dette danner et forseglet kammer i nanoskala og skaber inde i kammeret en stabil lomme til vandig opløsning på ca. 100 nanometer i højden og en mikron i diameter. Cellernes enkeltatomtykke grafenmembran er i det væsentlige gennemsigtig for TEM-elektronstrålen, minimerer det uønskede tab af billeddannende elektroner og giver overlegen kontrast og opløsning sammenlignet med siliciumbaserede vinduer. De vandige lommer giver mulighed for op til to minutters kontinuerlig billeddannelse af bløde materialeprøver udsat for en 200 kilo volt billeddannende elektronstråle. I løbet af denne tid, bløde materialeprøver kan frit rotere.

Efter at have demonstreret, at deres flydende grafencelle kan forsegle en vandig prøveopløsning mod et TEM højvakuum, Berkeley-forskerne brugte det til at studere de typer af guld-dsDNA nanokonjugater, der er blevet meget brugt som dynamiske plasmoniske prober.

"Tilstedeværelsen af ​​dobbeltstrengede DNA-molekyler inkorporerer de store udfordringer ved at studere dynamikken i biologiske prøver med væskefase TEM, " siger Alivisatos. "De højkontrast guld nanokrystaller letter sporing af vores prøver."

Alivisatos- og Zettl-grupperne var i stand til at observere dimerer, par guld nanopartikler, bundet af et enkelt stykke dsDNA, og trimere, tre guld nanopartikler, forbundet til en lineær konfiguration af to enkelte stykker dsDNA. Fra en serie af 2D-projicerede TEM-billeder taget, mens prøverne roterede, forskerne skulle rekonstruere 3D-konfiguration og bevægelser af prøverne, efterhånden som de udviklede sig over tid.

"Denne information ville være utilgængelig med konventionelle TEM-teknikker, " siger Chen.

Udviklingen af ​​væskecelleteknikken til in situ TEM, oprindeligt rapporteret i journalen Videnskab i 2012.