Från energimaterial till sjukdomsdiagnostik, nya mikroskopitekniker kan ge mer nyanserad insikt. Forskare måste först förstå effekterna av strålning på prover.

I en ny artikel publicerad förra veckan i Vetenskapliga framsteg , ett team av forskare och ingenjörer grävde in i mekanismerna som försämrar provkvaliteten i elektronmikroskopi med flytande cellöverföring (LC-TEM). De utvecklade en LC-TEM-enhet som använder flera fönster och mönstrade funktioner för att utforska effekterna av högenergi-elektronbombardering på nanopartiklar och känsliga biologiska prover.

De samarbetsvilliga institutionerna inkluderar EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, en Department of Energy Office of Science User Facility vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), University of Illinois Chicago, Florida State University, Washington State University och Michigan Technological University. Studiens huvudförfattare, Trevor Moser, för närvarande på PNNL, är doktorand vid Michigan Tech som studerar under både Tolou Shokuhfar, adjungerad professor i maskinteknik vid Michigan Tech och docent i bioingenjör vid University of Illinois Chicago, och James Evans, en senior forskare vid PNNL.

Teamet förklarar att transmissionselektronmikroskopi (TEM) förlitar sig på en högenergistråle av elektroner som passerar genom ett prov. Oavsett om provet kommer från en batterielektrod eller bakterieceller, elektronerna som passerar kommer att spridas på ett specifikt sätt som återspeglar provets atomstruktur. I LC-TEM, material kan undersökas i ett ursprungligt tillstånd som tillåter dynamiska observationer, men proverna är flytande eller suspenderade i vätska och måste vara tätt förslutna för att motstå instrumentets rymdliknande vakuum. Det finns en balans mellan att se till att vätskan inte avdunstar samtidigt som den ger tillräckligt med visningsutrymme för att elektronstrålen ska passera.

"Vi har konstruerat och tillverkat nya enheter för att hålla vätskeprover som ger oss fler" fönster "-regioner för att samla bilder än vad som tidigare var tillgängligt, "Säger Moser." Med hjälp av dessa flera fönster, vi kunde studera hur elektronbestrålningens historia påverkar kärnbildningen och tillväxten av silvernanopartiklar, vars tillväxtegenskaper är känsliga för de radikaler som genereras med strålen. Vi använde dem också för att studera hur dessa radikaler påverkar bakterieceller och visar den extrema känsligheten hos dessa biologiska prover för elektronstrålen. "

Bestrålning från högenergistrålen som används i LC-TEM kan orsaka fysisk skada på prover. Till exempel, laget fann att när en cell avbildades - och exponerades för signifikant elektronflöde för första gången - observerades nanopartiklarörelser i förhållande till cellmembranet vara ett resultat av cellskada. Det spelar roll eftersom insikten visar att rörelsen är en artefakt av att avbilda cellen snarare än att se celldynamiken ske i realtid.

"Vi kunde fånga orörda bilder av celler med hjälp av vår flerkammare-enhet där den första bilden representerade cellernas första exponering för betydande elektrondoser, "Säger Evans.

"Eftersom provets nativa egenskaper kan ändras eller ändras av effekterna av dessa elektronstrålegenererade radikaler, "Shokuhfar säger, "Att förstå kemiska förändringar i ett vätskeprov till följd av elektronbestrålning är nyckeln till korrekt tolkning av data som samlats in med denna teknik."

När nyanser av LC-TEM tas fram, möjliga tillämpningar inkluderar att samla extremt högupplöst, detaljerad information om energiapparat och lagringsmaterial samt sjukdomsdetektering, medicinsk bildbehandling och gräva djupt in i grunderna för cellaktivitet. När det gäller nästa steg, laget planerar att fokusera på att karakterisera fler biologiska prover, som verkar vara sårbara för effekterna av elektronbestrålning. Den nya LC-TEM-enheten erbjuder fler fönster in i denna komplexa atomvärld, ger fler chanser till genombrott inom energi och hälsa.