Kapalinová elektronová mikroskopie - Liquid-Phase Electron Microscopy - Wikipedia

TEM vzorku v kapalině uzavřené dvěma membránovými okénky podporovanými křemíkovými mikročipy. Tloušťka kapaliny t je udržována dostatečně malá vzhledem ke střední délce volné dráhy rozptylu elektronů v materiálech, takže elektronový paprsek je přenášen vzorkem pro detekci. Membránová okna vyboulí ven do vakua.
ESEM nanočástic v kapalině umístěných ve vakuové komoře obsahující tlak pozadí páry. Stupeň podpory vzorku se ochladí, aby se dosáhlo kondenzace, například na 4 ° C pro vodní páru 813 Pa. Elektronová optika ve vysokém vakuu je oddělena od komory pro vzorek pomocí otvoru omezujícího čerpadlo. Detekce zpětně rozptýlených nebo sekundárních elektronů je optimální při aplikaci kladného elektrického potenciálu V mezi vzorek a detektor, takže se vytvoří kaskáda elektronů a iontů.

Elektronová mikroskopie v kapalné fázi (LP EM) odkazuje na třídu metod zobrazování vzorků v kapalině s nanometrovým prostorovým rozlišením pomocí elektronová mikroskopie. LP-EM překonává klíčové omezení elektronové mikroskopie: protože elektronová optika vyžaduje vysoké vakuum, musí být vzorek stabilní ve vakuovém prostředí. Mnoho typů vzorků souvisejících s biologií, vědou o materiálech, chemií, geologií a fyzikou však mění své vlastnosti, když jsou umístěny ve vakuu.

Schopnost studovat kapalné vzorky, zejména ty, které obsahují vodu, pomocí elektronové mikroskopie byla přání už od počátků elektronové mikroskopie [1] ale technické potíže zabránily časným pokusům dosáhnout vysokého rozlišení.[2] Pro zobrazování kapalných vzorků existují dva základní přístupy: i) uzavřené systémy, většinou označované jako EM s kapalnými články (LC EM), a ii) otevřené systémy, často označované jako environmentální systémy. V uzavřených systémech se k uzavření kapaliny pro umístění ve vakuu mikroskopu používají tenká okénka vyrobená z materiálů, jako je nitrid křemíku nebo grafen. Uzavřené buňky našly v posledním desetiletí široké použití kvůli dostupnosti spolehlivé technologie mikrofabrikace oken.[3][4] Graphene poskytuje nejtenčí možné okno.[5] Nejstarší otevřený systém, který získal široké použití, byl environmentální rastrovací elektronová mikroskopie (ESEM) kapalných vzorků na chlazeném stupni ve vakuové komoře obsahující tlak pozadí páry.[6][7] V otevřených systémech lze studovat také kapaliny s nízkým tlakem par, jako jsou iontové kapaliny.[8] Systémy LP-EM otevřeného i uzavřeného typu byly vyvinuty pro všechny tři hlavní typy elektronové mikroskopie, tj. transmisní elektronová mikroskopie (TEM), rastrovací transmisní elektronová mikroskopie (STEM) a rastrovací elektronový mikroskop (SEM).[9] Byly také vyvinuty přístroje integrující kapalnou fázi SEM se světelnou mikroskopií.[10][11] Pozorování elektronovým mikroskopem v kapalině bylo kombinováno s dalšími analytickými metodami, jako jsou elektrochemická měření [3] a energeticky disperzní rentgenová spektroskopie (EDX).[12]

Výhodou LP EM je schopnost studovat vzorky, které neodolávají vakuu, nebo studovat vlastnosti materiálů a reakce vyžadující kapalné podmínky. Příklady měření umožněných touto technikou jsou růst kovových nanočástic nebo struktur v kapalině,[13][14][15][16] změny materiálu během cyklování baterií,[8][17][18] elektrochemické procesy, jako je depozice kovů,[3] dynamika tenkovodních filmů a difúzní procesy,[19] biomineralizační procesy,[20] dynamika a struktura bílkovin,[21][22] jednokomolekulární lokalizace membránových proteinů v savčích buňkách,[4][23] a vliv léků na receptory v rakovinných buňkách.[24]

Dosažitelné prostorové rozlišení může být v rozsahu subnanometrů a závisí na složení, struktuře a tloušťce vzorku, přítomných okenních materiálech a citlivosti vzorku na dávku elektronů potřebnou pro zobrazování.[9] Rozlišení nanometrů se získává dokonce i ve vrstvách vody o tloušťce mikrometrů pro STEM nanomateriálů s vysokým atomovým číslem.[4][25] Bylo zjištěno, že Brownův pohyb je velmi omezený s ohledem na objemovou kapalinu.[26] Detekce STEM je také možná v ESEM pro zobrazování nanomateriálů a biologických buněk v kapalině.[27][23] Důležitým aspektem LP EM je interakce elektronového paprsku se vzorkem [28] protože elektronový paprsek iniciuje ve vodě složitou sekvenci radiolytických reakcí.[29] Kvantitativní analýza dat LP EM však přinesla jedinečné informace v řadě vědeckých oblastí.[30][31]

Reference

  1. ^ Ruska, E. (1942). „Beitrag zur uebermikroskopischen Abbildungen bei hoeheren Drucken“. Kolloid Zeitschrift. 100: 212–219. doi:10.1007 / bf01519549. S2CID  95628491.
  2. ^ Parsons, D.F .; Matricardi, V.R .; Moretz, R.C .; Turner, J.N. (1974). "Elektronová mikroskopie a difrakce vlhkých nepoškozených a nefixovaných biologických objektů". Pokroky v biologické a lékařské fyzice. 15: 161–270. doi:10.1016 / B978-0-12-005215-8.50012-7. ISBN  9780120052158. PMID  4135010.
  3. ^ A b C Williamson, M.J .; Tromp, R.M .; Vereecken, P.M .; Hull, R .; Ross, F.M. (2003). "Dynamická mikroskopie růstu klastrů v nanoměřítku na rozhraní pevná látka-kapalina". Přírodní materiály. 2 (8): 532–536. doi:10.1038 / nmat944. PMID  12872162. S2CID  21379512.
  4. ^ A b C de Jonge, N .; Peckys, D.B .; Kremers, G.J .; Piston, D.W. (2009). „Elektronová mikroskopie celých buněk v kapalině s rozlišením nanometrů“. Sborník Národní akademie věd USA. 106 (7): 2159–2164. doi:10.1073 / pnas.0809567106. PMC  2650183. PMID  19164524.
  5. ^ Yuk, J.M .; et al. (2012). "EM s vysokým rozlišením růstu koloidních nanokrystalů pomocí grafenových kapalných buněk". Věda. 336 (6077): 61–64. doi:10.1126 / science.1217654. PMID  22491849. S2CID  12984064.
  6. ^ Danilatos, G.D .; Robinson, V.N.E. (1979). "Principy rastrovací elektronové mikroskopie při vysokých tlacích vzorků". Snímání. 18: 75–78. doi:10,1002 / sca.4950020202.
  7. ^ Stokes, D.L. (2008). Principy a praxe elektronového mikroskopu s proměnným tlakem / environmentálním rastrovacím mikroskopem (VP-SEM). Chichester, West-Sussex: Wiley. doi:10.1002/9780470758731. ISBN  9780470758731.
  8. ^ A b Wang, C.M .; et al. (2010). „Transmisní elektronová mikroskopie in situ a spektroskopické studie rozhraní v Li iontových bateriích: výzvy a příležitosti“. Journal of Materials Research. 25 (8): 1541–1547. doi:10.1557 / jmr.2010.0198.
  9. ^ A b de Jonge, N .; Ross, F.M. (2011). "Elektronová mikroskopie vzorků v kapalině". Přírodní nanotechnologie. 6 (11): 695–704. doi:10.1038 / nnano.2011.161. PMID  22020120.
  10. ^ Nishiyama, H .; et al. (2010). „Atmosférický rastrovací elektronový mikroskop pozoruje buňky a tkáně v otevřeném médiu prostřednictvím filmu z nitridu křemíku“. J Struct Biol. 169 (3): 438–449. doi:10.1016 / j.jsb.2010.01.005. PMID  20079847.
  11. ^ Liv, N .; Lazic, I .; Kruit, P .; Hoogenboom, J.P. (2014). „Skenovací elektronová mikroskopie jednotlivých bioznaček nanočástic v kapalině“. Ultramikroskopie. 143: 93–99. doi:10.1016 / j.ultramic.2013.09.002. PMID  24103705.
  12. ^ Zaluzec, N.J .; Burke, M.G .; Haigh, S.J .; Kulzick, M.A. (2014). „Rentgenová disperzní spektrometrie během studií kapalných buněk in situ pomocí analytického elektronového mikroskopu“. Mikroskopie a mikroanalýza. 20 (2): 323–329. doi:10.1017 / S1431927614000154. PMID  24564969.
  13. ^ Zheng, H .; et al. (2009). „Pozorování trajektorií růstu jednotlivých koloidních platinových nanokrystalů“. Věda. 324 (5932): 1309–1312. doi:10.1126 / science.1172104. PMID  19498166. S2CID  3731481.
  14. ^ Donev, E.U .; Hastings, J.T. (2009). „Depozice platiny vyvolané elektronovým paprskem z kapalného prekurzoru“. Nano dopisy. 9 (7): 2715–2718. doi:10.1021 / nl9012216. PMID  19583284.
  15. ^ Ahmad, N .; Wang, G .; Nelayah, J .; Ricolleau, C .; Alloyeau, D. (2017). „Zkoumání vzniku nanometrů symetrického zlata pomocí elektronové mikroskopie s přenosem kapalných buněk“. Nano Lett. 17 (7): 4194–4201. doi:10.1021 / acs.nanolett.7b01013. PMID  28628329.
  16. ^ Song, B .; On, K .; Yuan, Y .; Sharifi-Asl, S .; Cheng, M .; Lu, J .; Saidi, W .; Shahbazian-Yassar, R. (2018). „In situ studie nukleace a dynamiky růstu nanočástic Au na nanočásticích MoS2“. Nanoměřítko. 10 (33): 15809–15818. doi:10.1039 / c8nr03519a. OSTI  1472115. PMID  30102314.
  17. ^ Hodnik, N .; Dehm, G .; Mayrhofer, K.J.J. (2016). „Důležitost a výzvy elektrochemie v elektronové mikroskopii s kapalinovými články pro výzkum přeměny energie“. Účty chemického výzkumu. 49 (9): 2015–2022. doi:10.1021 / acs.accounts.6b00330. PMID  27541965.
  18. ^ Unocic, R.R .; et al. (2015). "Sondování chemie baterií pomocí spektroskopie ztráty energie elektronů z kapalných článků". Chemická komunikace. 51 (91): 16377–16380. doi:10.1039 / c5cc07180a. OSTI  1237629. PMID  26404766.
  19. ^ Mirsaidov, Spojené státy; Zheng, H.M .; Bhattacharya, D .; Casana, Y .; Matsudaira, P. (2012). „Přímé pozorování hůl-skluzu vodních nanodropletů vyvolaných elektronovým paprskem“. Sborník Národní akademie věd USA. 109 (19): 7187–7190. doi:10.1073 / pnas.1200457109. PMC  3358860. PMID  22517747.
  20. ^ Smeets, P.J .; Cho, K.R .; Kempen, R.G .; Sommerdijk, NA; De Yoreo, J.J. (2015). „Nukleace uhličitanu vápenatého řízená vazbou iontů v biomimetické matrici odhalená elektronovou mikroskopií in situ“. Přírodní materiály. 14 (4): 394–399. doi:10.1038 / nmat4193. PMID  25622001.
  21. ^ Sugi, H .; et al. (1997). „Dynamická elektronová mikroskopie pohybu hlavy myosinu vyvolaného ATP v živých svalových vláknech“. Proc. Natl. Acad. Sci. 94 (9): 4378–4392. doi:10.1073 / pnas.94.9.4378. PMC  20730. PMID  9113997.
  22. ^ Mirsaidov, Spojené státy; Zheng, H .; Casana, Y .; Matsudaira, P. (2012). „Zobrazování proteinové struktury ve vodě při rozlišení 2,7 nm pomocí transmisní elektronové mikroskopie“. Biofyzikální deník. 102 (4): L15-7. doi:10.1016 / j.bpj.2012.01.009. PMC  3283772. PMID  22385868.
  23. ^ A b Peckys, D.B .; Korf, U .; de Jonge, N. (2015). „Místní variace dimerizace HER2 v buňkách rakoviny prsu objevené korelační fluorescencí a kapalinovou elektronovou mikroskopií“. Vědecké zálohy. 1 (6): e1500165. doi:10.1126 / sciadv.1500165. PMC  4646781. PMID  26601217.
  24. ^ Peckys, D.B .; Korf, U .; Wiemann, S .; de Jonge, N. (2017). „Elektronová mikroskopie v kapalné fázi molekulární odpovědi na léky v buňkách rakoviny prsu odhaluje nereagující buněčné subpopulace související s nedostatkem homodimerů HER2“. Molekulární biologie buňky. 28 (23): 3193–3202. doi:10,1091 / mbc.E17-06-0381. PMC  5687022. PMID  28794264.
  25. ^ de Jonge, N .; Poirier-Demers, N .; Demers, H .; Peckys, D.B .; Drouin, D. (2010). „Elektronová mikroskopie s nanometrovým rozlišením ve vrstvách vody o tloušťce mikrometrů“. Ultramikroskopie. 110 (9): 1114–1119. doi:10.1016 / j.ultramic.2010.04.001. PMC  2917648. PMID  20542380.
  26. ^ Ring, E.A.; de Jonge, N. (2012). "Video-frekvenční skenování transmisní elektronová mikroskopie pohybujících se nanočástic zlata v kapalině". Mikron. 43 (11): 1078–1084. doi:10.1016 / j.micron.2012.01.010. PMID  22386765.
  27. ^ Bogner, A .; Thollet, G .; Basset, D .; Jouneau, P.H .; Gauthier, C. (2005). „Wet STEM: a new development in environment SEM for imaging nano-objects included in the liquid phase“. Ultramikroskopie. 104 (3–4): 290–301. doi:10.1016 / j.ultramic.2005.05.005. PMID  15990230.
  28. ^ Woehl, T.J .; et al. (2013). "Experimentální postupy ke zmírnění artefaktů vyvolaných elektronovým paprskem během zobrazování nanomateriálů tekutinami in situ". Ultramikroskopie. 127: 53–63. doi:10.1016 / j.ultramic.2012.07.018. PMID  22951261.
  29. ^ Schneider, N.M .; et al. (2014). "Interakce elektron-voda a důsledky pro elektronovou mikroskopii kapalných buněk". Journal of Physical Chemistry C. 118 (38): 22373–22382. doi:10.1021 / jp507400n.
  30. ^ Ross, F.M. (2017). Ross, Frances M (ed.). Elektronová mikroskopie kapalných buněk. Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/9781316337455. ISBN  9781316337455.
  31. ^ Ross, F. M .; Wang, C .; de Jonge, N. (2016). "Transmisní elektronová mikroskopie vzorků a procesů v kapalinách". Bulletin MRS. 41 (10): 791–9. doi:10.1557 / paní.2016.212.