«Наша демонстрация трехмерной динамической визуализации выходит за рамки обычного использования ПЭМ для просмотра плоских, сухих образцов и открывает много захватывающих возможностей для изучения динамики биологических макромолекулярных сборок и искусственных наноструктур», — говорит физик Алекс Зеттл, один из руководителей этого исследования. «Эти результаты стали возможными благодаря нашей новой графеновой жидкой ячейке, которая может решить проблемы использования ПЭМ для изображения мягких материалов."
Зеттл, который работает совместно с отделом материаловедения лаборатории Беркли и отделом физики Калифорнийского университета в Беркли, где он руководит Центром интегрированных наномеханических систем, является одним из соавторов статьи в NANO Letters с описанием этого исследования. Статья называется «Трехмерное движение наноконъюгатов ДНК-Au в электронной микроскопии клеток графеновой жидкости»."
Пол Аливисатос, директор лаборатории в Беркли и заслуженная кафедра Samsung в области нанонауки и нанотехнологий Калифорнийского университета в Беркли, является автором-корреспондентом. Другие авторы — Цянь Чен, Джессика Смит, Чонвон Парк, Кванпио Ким, Дэви Хо и Хайдер Расул.
Термин «мягкие материалы» включает в себя самые разные вещества, включая ДНК, белки и другие биологические соединения, пластмассы, терапевтические препараты, гибкую электронику и некоторые типы фотоэлектрических элементов. Несмотря на их повсеместное присутствие в нашей повседневной жизни, мягкие материалы вызывают много вопросов, потому что изучение их динамики в наномасштабе, особенно биологических систем, было сложной задачей.
ПЭМ, в котором для освещения и увеличения используется пучок электронов, а не свет, обеспечивает разрешение для таких исследований, но может использоваться только в высоком вакууме, поскольку молекулы в воздухе разрушают электронный пучок. Поскольку жидкости испаряются в высоком вакууме, образцы мягких материалов, которые были описаны как «жидкости с высокой вязкостью», должны быть герметично запечатаны в специальных твердых контейнерах (называемых ячейками) со смотровым окном перед визуализацией с помощью ПЭМ.
В прошлом жидкие ячейки имели смотровые окна на основе силикона, толщина которых ограничивала разрешение и нарушала естественное состояние мягких материалов.
Зеттл и Аливисатос и их соответствующие исследовательские группы преодолели эти ограничения с разработкой жидкой ячейки на основе графеновой мембраны толщиной всего в один атом. Эта разработка была выполнена в тесном сотрудничестве с исследователями из Национального центра электронной микроскопии (NCEM), который находится в лаборатории Беркли.
«Наши жидкие графеновые ячейки увеличили пространственное разрешение жидкофазных изображений ПЭМ до атомных масштабов, но по-прежнему сосредоточены на траекториях роста металлических нанокристаллов», — говорит ведущий автор Цянь Чен, научный сотрудник исследовательской группы Аливисатоса. «Теперь мы применили эту технику для визуализации трехмерной динамики мягких материалов, начиная с двухцепочечной ДНК (дцДНК), соединенной с нанокристаллами золота, и достигли нанометрового разрешения."
Чтобы создать ячейку, два противоположных листа графена связаны друг с другом за счет притяжения Ван-дер-Ваальса.
Это формирует герметичную наноразмерную камеру и создает внутри камеры стабильный карман для водного раствора примерно 100 нанометров в высоту и один микрон в диаметре. Графеновая мембрана ячеек толщиной в один атом практически прозрачна для электронного луча ПЭМ, сводя к минимуму нежелательные потери электронов изображения и обеспечивая превосходный контраст и разрешение по сравнению с окнами на основе кремния.
Водные карманы позволяют до двух минут непрерывной визуализации образцов мягких материалов, подвергнутых воздействию электронного луча 200 кВ. За это время образцы мягкого материала могут свободно вращаться.
После демонстрации того, что их графеновая жидкая ячейка может изолировать водный раствор образца от высокого вакуума ПЭМ, исследователи из Беркли использовали его для изучения типов наноконъюгатов золото-дцДНК, которые широко использовались в качестве динамических плазмонных зондов.
«Присутствие двухцепочечных молекул ДНК включает в себя основные проблемы изучения динамики биологических образцов с помощью жидкофазного ПЭМ», — говорит Аливисатос. «Высококонтрастные нанокристаллы золота облегчают отслеживание наших образцов."
Группы Alivisatos и Zettl смогли наблюдать димеры, пары наночастиц золота, связанные одним фрагментом дцДНК, и тримеры, три наночастицы золота, соединенные в линейную конфигурацию двумя отдельными частями дцДНК. Из серии 2D проецируемых изображений TEM, снятых во время вращения образцов, исследователи должны были восстановить 3D-конфигурацию и движения образцов по мере их развития с течением времени.
«Эта информация была бы недоступна с помощью обычных методов ПЭМ», — говорит Чен.