Жидкофазная электронная микроскопия - Википедия - Liquid-Phase Electron Microscopy

ПЭМ образца в жидкости, заключенного в два мембранных окна, поддерживаемых силиконовыми микрочипами. Толщина жидкости t сохраняется достаточно малой по сравнению с длиной свободного пробега электронов, рассеиваемых в материалах, так что электронный луч проходит через образец для обнаружения. Окна мембраны выпирают наружу в вакуум.
ЭСЭМ наночастиц в жидкости, помещенных в вакуумную камеру, содержащую фоновое давление пара. Ступень опоры для образца охлаждается для достижения конденсации, например, до 4 ° C для водяного пара 813 Па. Электронная оптика в высоком вакууме отделена от камеры для образца диафрагмой, ограничивающей насос. Обнаружение обратно рассеянных или вторичных электронов является оптимальным при приложении положительного электрического потенциала V между образцом и детектором, так что создается каскад электронов и ионов.

Жидкофазная электронная микроскопия (LP EM) относится к классу методов визуализации образцов в жидкости с нанометровым пространственным разрешением с использованием электронная микроскопия. LP-EM преодолевает ключевое ограничение электронной микроскопии: поскольку электронная оптика требует высокого вакуума, образец должен быть стабильным в вакуумной среде. Однако многие типы образцов, относящиеся к биологии, материаловедению, химии, геологии и физике, изменяют свои свойства при помещении в вакуум.

Возможность изучать жидкие образцы, особенно содержащие воду, с помощью электронной микроскопии, была желанной с первых дней электронной микроскопии. [1] но технические трудности помешали ранним попыткам достичь высокого разрешения.[2] Существуют два основных подхода к визуализации жидких образцов: i) закрытые системы, чаще всего называемые ЭМ с жидкими ячейками (LC EM), и ii) открытые системы, часто называемые системами окружающей среды. В закрытых системах тонкие окна из таких материалов, как нитрид кремния или графен, используются для помещения жидкости в вакуум микроскопа. Закрытые ячейки нашли широкое распространение в последнее десятилетие благодаря доступности надежных технологий изготовления окон.[3][4] Графен обеспечивает самое тонкое окно.[5] Самой старой открытой системой, получившей широкое распространение, была сканирующая электронная микроскопия окружающей среды (ESEM) жидких образцов на охлаждаемой ступени в вакуумной камере с фоновым давлением пара.[6][7] Жидкости с низким давлением пара, такие как ионные жидкости, также можно изучать в открытых системах.[8] Системы LP-EM открытого и закрытого типа были разработаны для всех трех основных типов электронной микроскопии, т. Е. просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ), растровая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) и растровый электронный микроскоп (SEM).[9] Также были разработаны инструменты, объединяющие жидкофазный СЭМ со световой микроскопией.[10][11] Электронно-микроскопические наблюдения в жидкости сочетаются с другими аналитическими методами, такими как электрохимические измерения. [3] и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX).[12]

Преимущество LP EM - это возможность изучать образцы, которые не выдерживают вакуума, или изучать свойства материалов и реакции, требующие жидких условий. Примерами измерений, обеспечиваемых этим методом, являются рост металлических наночастиц или структур в жидкости,[13][14][15][16] изменения материалов во время цикла батарей,[8][17][18] электрохимические процессы, такие как осаждение металлов,[3] динамика тонких пленок воды и диффузионные процессы,[19] процессы биоминерализации,[20] динамика и структура белков,[21][22] одномолекулярная локализация мембранных белков в клетках млекопитающих,[4][23] и влияние лекарств на рецепторы раковых клеток.[24]

Достижимое пространственное разрешение может находиться в субнанометровом диапазоне и зависит от состава, структуры и толщины образца, любых материалов окна и чувствительности образца к дозе электронов, необходимой для получения изображений.[9] Нанометровое разрешение достигается даже в слоях воды толщиной в микрометры для СТЭМ наноматериалов с высоким атомным номером.[4][25] Было обнаружено, что броуновское движение сильно ослаблено по сравнению с объемной жидкостью.[26] Обнаружение STEM также возможно в ESEM для визуализации наноматериалов и биологических клеток в жидкости.[27][23] Важным аспектом LP EM является взаимодействие электронного пучка с образцом. [28] поскольку электронный луч инициирует сложную последовательность радиолитических реакций в воде.[29] Тем не менее, количественный анализ данных LP EM дал уникальную информацию в целом ряде научных областей.[30][31]

Рекомендации

  1. ^ Руска, Э. (1942). "Beitrag zur uebermikroskopischen Abbildungen bei hoeheren Drucken". Kolloid Zeitschrift. 100: 212–219. Дои:10.1007 / bf01519549. S2CID  95628491.
  2. ^ Parsons, D.F .; Matricardi, V.R .; Moretz, R.C .; Тернер, Дж. (1974). «Электронная микроскопия и дифракция влажных неокрашенных и незафиксированных биологических объектов». Успехи биологической и медицинской физики. 15: 161–270. Дои:10.1016 / B978-0-12-005215-8.50012-7. ISBN  9780120052158. PMID  4135010.
  3. ^ а б c Уильямсон, M.J .; Tromp, R.M .; Vereecken, P.M .; Hull, R .; Росс, Ф. (2003). «Динамическая микроскопия роста наноразмерных кластеров на границе твердое тело-жидкость». Материалы Природы. 2 (8): 532–536. Дои:10.1038 / nmat944. PMID  12872162. S2CID  21379512.
  4. ^ а б c de Jonge, N .; Peckys, D.B .; Kremers, G.J .; Поршень, Д.В. (2009). «Электронная микроскопия целых клеток в жидкости с нанометровым разрешением». Труды Национальной академии наук США. 106 (7): 2159–2164. Дои:10.1073 / pnas.0809567106. ЧВК  2650183. PMID  19164524.
  5. ^ Yuk, J.M .; и другие. (2012). «ЭМ высокого разрешения роста коллоидных нанокристаллов с использованием графеновых жидких ячеек». Наука. 336 (6077): 61–64. Дои:10.1126 / наука.1217654. PMID  22491849. S2CID  12984064.
  6. ^ Данилатос, Г.Д .; Робинсон, В. (1979). «Принципы сканирующей электронной микроскопии при высоких давлениях образца». Сканирование. 18: 75–78. Дои:10.1002 / sca.4950020202.
  7. ^ Стокса, Д. (2008). Принципы и практика сканирующей электронной микроскопии переменного давления / окружающей среды (VP-SEM). Чичестер, Западный Сассекс: Wiley. Дои:10.1002/9780470758731. ISBN  9780470758731.
  8. ^ а б Wang, C.M .; и другие. (2010). «Просвечивающая электронная микроскопия in situ и спектроскопические исследования интерфейсов в литий-ионных аккумуляторах: проблемы и возможности». Журнал материаловедения. 25 (8): 1541–1547. Дои:10.1557 / jmr.2010.0198.
  9. ^ а б de Jonge, N .; Росс, Ф. (2011). «Электронная микроскопия образцов в жидкости». Природа Нанотехнологии. 6 (11): 695–704. Дои:10.1038 / nnano.2011.161. PMID  22020120.
  10. ^ Nishiyama, H .; и другие. (2010). «Атмосферный растровый электронный микроскоп наблюдает клетки и ткани в открытой среде через пленку нитрида кремния». J Struct Biol. 169 (3): 438–449. Дои:10.1016 / j.jsb.2010.01.005. PMID  20079847.
  11. ^ Liv, N .; Lazic, I .; Kruit, P .; Хугенбум, Дж. П. (2014). «Сканирующая электронная микроскопия биомаркеров индивидуальных наночастиц в жидкости». Ультрамикроскопия. 143: 93–99. Дои:10.1016 / j.ultramic.2013.09.002. PMID  24103705.
  12. ^ Залузец, штат Нью-Джерси; Burke, M.G .; Haigh, S.J .; Кульзик, М.А. (2014). «Рентгеновская энергодисперсионная спектрометрия при исследовании жидких ячеек in situ с использованием аналитического электронного микроскопа». Микроскопия и микроанализ. 20 (2): 323–329. Дои:10.1017 / S1431927614000154. PMID  24564969.
  13. ^ Zheng, H .; и другие. (2009). «Наблюдение траекторий роста одиночных коллоидных нанокристаллов платины». Наука. 324 (5932): 1309–1312. Дои:10.1126 / science.1172104. PMID  19498166. S2CID  3731481.
  14. ^ Донев Э.У .; Гастингс, Дж. (2009). «Электронно-лучевое осаждение платины из жидкого прекурсора». Нано буквы. 9 (7): 2715–2718. Дои:10.1021 / nl9012216. PMID  19583284.
  15. ^ Ahmad, N .; Wang, G .; Nelayah, J .; Ricolleau, C .; Аллойо, Д. (2017). «Изучение формирования симметричных золотых нанозвезд с помощью просвечивающей электронной микроскопии жидких клеток». Nano Lett. 17 (7): 4194–4201. Дои:10.1021 / acs.nanolett.7b01013. PMID  28628329.
  16. ^ Песня, B .; Он, К .; Yuan, Y .; Sharifi-Asl, S .; Cheng, M .; Lu, J .; Saidi, W .; Шахбазян-Яссар Р. (2018). «Исследование in situ зарождения и динамики роста наночастиц Au на нанофлоке MoS2». Наномасштаб. 10 (33): 15809–15818. Дои:10.1039 / c8nr03519a. OSTI  1472115. PMID  30102314.
  17. ^ Hodnik, N .; Dehm, G .; Mayrhofer, K.J.J. (2016). «Важность и проблемы электрохимической in situ жидкостной электронной микроскопии клеток для исследования преобразования энергии». Отчеты о химических исследованиях. 49 (9): 2015–2022. Дои:10.1021 / acs.accounts.6b00330. PMID  27541965.
  18. ^ Unocic, R.R .; и другие. (2015). «Зондирование аккумуляторной химии с помощью спектроскопии потерь энергии электронов жидких элементов». Химические коммуникации. 51 (91): 16377–16380. Дои:10.1039 / c5cc07180a. OSTI  1237629. PMID  26404766.
  19. ^ Мирсаидов, У.М.; Zheng, H.M .; Bhattacharya, D .; Casana, Y .; Мацудаира, П. (2012). «Прямое наблюдение скачкообразных движений нанокапель воды, индуцированных электронным лучом». Труды Национальной академии наук США. 109 (19): 7187–7190. Дои:10.1073 / pnas.1200457109. ЧВК  3358860. PMID  22517747.
  20. ^ Smeets, P.J .; Cho, K.R .; Kempen, R.G .; Sommerdijk, N.A .; Де Йорео, Дж. Дж. (2015). «Зарождение карбоната кальция, вызванное связыванием ионов в биомиметической матрице, выявленное с помощью электронной микроскопии in situ». Материалы Природы. 14 (4): 394–399. Дои:10.1038 / nmat4193. PMID  25622001.
  21. ^ Sugi, H .; и другие. (1997). «Динамическая электронная микроскопия АТФ-индуцированного движения миозиновой головки в живых мышечных волокнах». Proc. Natl. Акад. Наука. 94 (9): 4378–4392. Дои:10.1073 / пнас.94.9.4378. ЧВК  20730. PMID  9113997.
  22. ^ Мирсаидов, У.М.; Zheng, H .; Casana, Y .; Мацудаира, П. (2012). «Визуализация структуры белка в воде с разрешением 2,7 нм с помощью просвечивающей электронной микроскопии». Биофизический журнал. 102 (4): L15-7. Дои:10.1016 / j.bpj.2012.01.009. ЧВК  3283772. PMID  22385868.
  23. ^ а б Peckys, D.B .; Корф, У .; де Йонге, Н. (2015). «Локальные вариации димеризации HER2 в клетках рака груди обнаружены с помощью корреляционной флуоресценции и жидкостной электронной микроскопии». Достижения науки. 1 (6): e1500165. Дои:10.1126 / sciadv.1500165. ЧВК  4646781. PMID  26601217.
  24. ^ Peckys, D.B .; Корф, У .; Wiemann, S .; де Йонге, Н. (2017). «Жидкофазная электронная микроскопия молекулярного ответа на лекарственный препарат в клетках рака груди выявляет субпопуляции невосприимчивых клеток, связанных с отсутствием гомодимеров HER2». Молекулярная биология клетки. 28 (23): 3193–3202. Дои:10.1091 / mbc.E17-06-0381. ЧВК  5687022. PMID  28794264.
  25. ^ de Jonge, N .; Poirier-Demers, N .; Demers, H .; Peckys, D.B .; Друин, Д. (2010). «Электронная микроскопия с нанометровым разрешением через слои воды толщиной в микрометры». Ультрамикроскопия. 110 (9): 1114–1119. Дои:10.1016 / j.ultramic.2010.04.001. ЧВК  2917648. PMID  20542380.
  26. ^ Ring, E.A .; де Йонге, Н. (2012). «Видеочастотная сканирующая просвечивающая электронная микроскопия движущихся наночастиц золота в жидкости». Микрон. 43 (11): 1078–1084. Дои:10.1016 / j.micron.2012.01.010. PMID  22386765.
  27. ^ Bogner, A .; Thollet, G .; Basset, D .; Jouneau, P.H .; Готье, К. (2005). «Мокрый STEM: новая разработка в среде SEM для визуализации нанообъектов, включенных в жидкую фазу». Ультрамикроскопия. 104 (3–4): 290–301. Дои:10.1016 / j.ultramic.2005.05.005. PMID  15990230.
  28. ^ Woehl, T.J .; и другие. (2013). «Экспериментальные процедуры для смягчения артефактов, вызванных электронным пучком во время визуализации наноматериалов in situ». Ультрамикроскопия. 127: 53–63. Дои:10.1016 / j.ultramic.2012.07.018. PMID  22951261.
  29. ^ Schneider, N.M .; и другие. (2014). «Электрон-вода взаимодействия и последствия для электронной микроскопии жидких клеток». Журнал физической химии C. 118 (38): 22373–22382. Дои:10.1021 / jp507400n.
  30. ^ Росс, Ф. (2017). Росс, Фрэнсис М. (ред.). Электронная микроскопия жидких клеток. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. Дои:10.1017/9781316337455. ISBN  9781316337455.
  31. ^ Росс, Ф. М .; Wang, C .; де Йонге, Н. (2016). «Просвечивающая электронная микроскопия образцов и процессов в жидкостях». Бюллетень MRS. 41 (10): 791–9. Дои:10.1557 / mrs.2016.212.