Scattering-typ skanning närfält optisk mikroskopi, en oförstörande teknik där spetsen av sonden i ett mikroskop sprider ljuspulser för att generera en bild av ett prov, gjorde det möjligt för teamet att få insikter i sammansättningen av växtcellväggar. Kredit:Ali Passian/ORNL, U.S.A. Energidepartementet
För att optimera biomaterial för tillförlitlig, kostnadseffektiv pappersproduktion, byggnadskonstruktion och utveckling av biobränsle studerar forskare ofta strukturen hos växtceller med hjälp av tekniker som att frysa växtprover eller placera dem i ett vakuum. Dessa metoder ger värdefull data men orsakar ofta permanenta skador på proverna.
Ett team av fysiker inklusive Ali Passian, en forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, och forskare från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning, eller CNRS, använde toppmoderna mikroskopi- och spektroskopimetoder för att tillhandahålla oförstörande alternativ. Med hjälp av en teknik som kallas scattering-type scanning near-field optisk mikroskopi, undersökte teamet sammansättningen av cellväggar från unga poppelträd utan att skada proverna.
Men laget hade fortfarande andra hinder att övervinna. Även om växtcellväggar är notoriskt svåra att navigera på grund av närvaron av komplexa polymerer som mikrofibriller – tunna trådar av biomassa som Passian beskriver som en labyrint av sammanflätade spagettisträngar – nådde laget en upplösning bättre än 20 nanometer, eller ungefär tusen gånger mindre än ett hårstrå. Denna detaljerade vy gjorde det möjligt för forskarna att upptäcka optiska egenskaper hos växtcellmaterial för första gången över stora och små regioner, till och med ner till bredden på en enda mikrofibrill. Deras resultat publicerades i Communications Materials .
"Vår teknik gjorde det möjligt för oss att titta på provets morfologi och optiska och kemiska egenskaper i nanometrisk skala - allt inom samma mått," sa Passian.
Tillsammans med ORNL och CNRS inkluderade teamet forskare från Aix-Marseille University, Interdisciplinary Nanoscience Center i Marseille och Fresnel Institute och Tysklands Neaspec GmbH.
"Hittills har dessa optiska egenskaper inte mätts in situ utan bara från extraherade komponenter, som inte ger information i samband med strukturella och kemiska egenskaper", säger Fresnel Institute-forskaren Aude Lereu.
Genom att använda sin mätteknik för att erhålla en serie detaljerade bilder i en region av poppelträets cellvägg, observerade teamet också fördelningen av strukturella polymerer som lignin och cellulosa, som är hårda ämnen som fungerar som "ben" av biologiska system och kan utvinnas och omvandlas till biobränslen och bioprodukter.
Dessa data skulle kunna användas för att förbättra kemiska behandlingar som använder syror eller enzymer för att öka polymerutbytet och förhindra att biomaterial bryts ned när de utsätts för yttre faktorer, såsom svampar eller fukt. Eftersom poppelproverna redan hade genomgått en delignifieringsprocess kunde forskarna peka ut både ofarliga och potentiellt skadliga sammansättningsförändringar.
"När man ändrar ett material är det viktigt att övervaka exakt hur det förändras på molekylär nivå," sa Passian. "Genom att tillämpa vår teknik på ett förbehandlat poppelträdsexemplar kunde vi studera provet samtidigt som vi höll reda på eventuella förändringar som kan påverka dess livskraft."
Forskarna valde poppel som ett representativt system eftersom dessa träd växer snabbt och kräver lite underhåll, men tekniken som används på poppel skulle kunna ge liknande detaljerade data om många andra växter, som forskare skulle kunna använda för att förbättra effektiviteten av behandlingar och konstruera idealiska biomaterial.
"Vår teknik avslöjade att vissa typer av lignin inte togs bort helt under delignifiering, och dessa data kan hjälpa till att optimera processen och bidra till en bättre förståelse av lignin motsträvighet," sa Lereu.
Tekniken kan också visa sig vara fördelaktig för området additiv tillverkning, eller 3D-utskrift, som involverar stapling av lager av material för att skapa en mängd olika föremål, från falska fiskar till rymdskeppskomponenter. Under tryckprocessen, som Passian beskriver som en mer komplex version av att sprida frosting på en tårta med en konditoripåse, kan mättekniken lägga till ett lager av kvalitetskontroll för att minimera mänskliga fel, korrigera materialfördelning och ta bort eventuella föroreningar i realtid.
Gaining a front row seat to subtle changes in plant cells posed a challenge, but Passian anticipates that incorporating quantum-mechanical principles into microscopy experiments might allow researchers to secure an even closer view without damaging delicate biological samples.
"Down the road, quantum science could help bypass the barriers of classical techniques to further improve the resolution of these measurements," he said. + Utforska vidare
