(PhysOrg.com) -- Det är en mantel som överträffar alla andra:en mikroskopisk kolmantel gjord av grafen som kan förändra hur bakterier och andra celler avbildas.
Vikas Berry, biträdande professor i kemiteknik vid Kansas State University, och hans forskargrupp lindar in bakterier med grafen för att hantera aktuella utmaningar med att avbilda bakterier under elektronmikroskop. Berrys metod skapar en kolmantel som skyddar bakterierna, gör att de kan avbildas i sin naturliga storlek och ökar bildens upplösning.
Grafen är en form av kol som bara är en atom tjock, ger den flera viktiga egenskaper:den är ogenomtränglig, det är det starkaste nanomaterialet, den är optiskt transparent och den har hög värmeledningsförmåga.
"Grafen är nästa generations material, " sa Berry. "Även om bara en atom tjock, grafen tillåter inte ens de minsta molekylerna att passera igenom. Vidare, den är stark och mycket flexibel så den kan anpassa sig till vilken form som helst."
Berrys team har forskat på grafen i tre år, och Berry såg nyligen ett samband mellan grafen och cellavbildningsforskning. Eftersom grafen är ogenomträngligt, han bestämde sig för att använda materialet för att bevara storleken på bakterieceller avbildade under högvakuumelektronmikroskop.
Forskningsresultaten visas i artikeln "Impermeable Graphenic Encasement of Bacteria, ", som publicerades i ett färskt nummer av Nanobokstäver , en månatlig vetenskaplig tidskrift publicerad av American Chemical Society. Teamets preliminära forskning dök upp i Nature News 2010.
Den nuvarande utmaningen med cellavbildning uppstår när forskare använder elektronmikroskop för att avbilda bakterieceller. Eftersom dessa mikroskop kräver ett högt vakuum, de tar bort vatten från cellerna. Biologiska celler innehåller 70 till 80 procent vatten, och resultatet är en kraftigt krympt cell. Som ett resultat, det är utmanande att få en korrekt bild av cellerna och deras komponenter i deras naturliga tillstånd.
Men Berry och hans team skapade en lösning på bildutmaningen genom att använda grafen. Grafenen fungerar som en ogenomtränglig mantel runt bakterierna så att cellerna håller kvar vatten och inte krymper under elektronmikroskopets höga vakuum. Detta ger en mikroskopisk bild av cellen i dess naturliga storlek.
Kolkapporna kan lindas runt bakterierna med två metoder. Den första metoden går ut på att lägga ett ark grafen ovanpå bakterierna, ungefär som att täcka upp med ett lakan. Den andra metoden går ut på att linda in bakterierna med en grafenlösning, där grafenarken lindar bakterierna. I båda fallen funktionaliserades grafenarken med ett protein för att förbättra bindningen med bakteriecellväggen.
Under det höga vakuumet i ett elektronmikroskop, de inslagna bakterierna ändrades inte i storlek på 30 minuter, ge forskarna tillräckligt med tid att observera dem. Detta är ett direkt resultat av den höga styrkan och ogenomträngligheten hos grafenkappan, sa Berry.
Grafens andra extraordinära egenskaper förbättrar bildupplösningen i mikroskopi. Dess elektrontransparens möjliggör en ren avbildning av cellerna. Eftersom grafen är en bra ledare av värme och elektricitet, den lokala elektroniska laddningen och uppvärmningen leds av grafenmanteln, ger en klar bild av bakteriecellens brunn. Oinpackade bakterieceller verkar mörka med en omöjlig cellvägg.
"Unikt, grafen har alla egenskaper som behövs för att avbilda bakterier i hög upplösning, ", sa Berry. "Projektet ger en mycket enkel väg till bildprover i deras ursprungliga våta tillstånd."
Processen har potential att påverka framtida forskning. Forskare har alltid haft problem med att observera flytande prover under elektronmikroskop, men att använda kolkappor kan tillåta dem att avbilda våta prover i ett vakuum. Grafens starka och ogenomträngliga egenskaper säkerställer att lindade celler enkelt kan avbildas utan att försämra dem. Berry sa att det kan vara möjligt i framtiden att använda grafen för att hålla bakterien vid liv i ett vakuum medan man observerar dess biokemi under ett mikroskop.
Forskningen banar också väg för förbättrad proteinmikroskopi. Proteiner fungerar olika när de är torra och när de är i en vattenlösning. Hittills har de flesta proteinstudier utförts i torra faser, men Berrys forskning kan göra att proteiner kan observeras mer i vattenhaltiga miljöer.
"Denna forskning kan vara utvecklingspunkten för bearbetning av känsliga prover med grafen för att uppnå förbättrad avbildning, " sa Berry.
