Van energiematerialen tot ziektediagnostiek, nieuwe microscopietechnieken kunnen meer genuanceerd inzicht geven. Onderzoekers moeten eerst de effecten van straling op monsters begrijpen.

In een nieuw artikel dat vorige week werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een team van wetenschappers en ingenieurs verdiepte zich in de mechanismen die de monsterkwaliteit verslechteren in vloeibare celtransmissie-elektronenmicroscopie (LC-TEM). Ze ontwikkelden een LC-TEM-apparaat dat meerdere vensters en patroonkenmerken gebruikt om de effecten van hoogenergetische elektronenbombardementen op nanodeeltjes en gevoelige biologische monsters te onderzoeken.

De samenwerkende instellingen zijn onder meer de EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een Department of Energy Office of Science User Facility bij het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Universiteit van Illinois, Chicago, Staatsuniversiteit van Florida, Washington State University en Michigan Technological University. De hoofdauteur van de studie, Trevor Moser, momenteel bij de PNNL, is een doctoraatsstudent aan Michigan Tech en studeert onder zowel Tolou Shokuhfar, een adjunct-hoogleraar werktuigbouwkunde aan Michigan Tech en een universitair hoofddocent bio-engineering aan de Universiteit van Illinois Chicago, en James Evans, een senior wetenschapper bij PNNL.

Het team legt uit dat transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) afhankelijk is van een hoogenergetische bundel elektronen die door een monster gaat. Of het monster nu afkomstig is van een batterij-elektrode of van bacteriële cellen, de passerende elektronen zullen op een specifieke manier verstrooien als gevolg van de atomaire structuur van het monster. In LC-TEM, materialen kunnen in een natuurlijke staat worden onderzocht, waardoor dynamische waarnemingen mogelijk zijn, maar de monsters zijn vloeibaar of gesuspendeerd in vloeistof en moeten goed worden afgesloten om het ruimte-achtige vacuüm van het instrument te weerstaan. Er is een balans tussen ervoor zorgen dat de vloeistof niet verdampt en voldoende kijkruimte bieden voor de elektronenstraal om er doorheen te gaan.

"We hebben nieuwe apparaten ontworpen en gefabriceerd voor het bewaren van vloeistofmonsters, waardoor we meer 'venster'-regio's hebben om afbeeldingen te verzamelen dan voorheen beschikbaar waren, " zegt Moser. "Door deze meerdere vensters te gebruiken, we konden bestuderen hoe de geschiedenis van elektronenbestraling de kiemvorming en groei van zilveren nanodeeltjes beïnvloedt, waarvan de groei-eigenschappen gevoelig zijn voor de radicalen die met de bundel worden gegenereerd. We hebben ze ook gebruikt om te bestuderen hoe deze radicalen bacteriële cellen beïnvloeden en om de extreme gevoeligheid van deze biologische monsters voor de elektronenstraal aan te tonen."

Bestraling van de hoogenergetische bundel die in LC-TEM wordt gebruikt, kan fysieke schade aan monsters veroorzaken. Bijvoorbeeld, het team ontdekte dat wanneer een cel werd afgebeeld - en voor het eerst werd blootgesteld aan een significante elektronenflux - de beweging van nanodeeltjes ten opzichte van het celmembraan het gevolg was van celbeschadiging. Dat is belangrijk omdat het inzicht aantoont dat de beweging een artefact is van het in beeld brengen van de cel in plaats van het kijken naar de celdynamiek die in realtime plaatsvindt.

"We waren in staat om ongerepte beelden van cellen vast te leggen met behulp van ons meerkamerapparaat, waarbij het eerste beeld de eerste blootstelling van de cellen aan significante elektronendoses vertegenwoordigde, ' Zegt Evans.

"Aangezien de oorspronkelijke eigenschappen van het monster kunnen worden veranderd of veranderd door de effecten van deze door elektronenbundels gegenereerde radicalen, "Sokuhfar zegt, "Het begrijpen van de chemische veranderingen van een vloeibaar monster als gevolg van elektronenbestraling is de sleutel tot een correcte interpretatie van de gegevens die met deze techniek zijn verzameld."

Naarmate de nuances van LC-TEM worden verzameld, mogelijke toepassingen zijn het verzamelen van extreem hoge resolutie, gedetailleerde informatie over energieapparatuur en opslagmaterialen, evenals ziektedetectie, medische beeldvorming en diep graven in de basis van celactiviteit. Wat de volgende stappen betreft, het team is van plan zich te concentreren op het karakteriseren van meer biologische monsters, die kwetsbaar lijken te zijn voor de effecten van elektronenbestraling. Het nieuwe LC-TEM-apparaat biedt meer vensters in deze complexe atomaire wereld, meer kansen bieden op doorbraken op het gebied van energie en gezondheid.