克莱尔 - 非侵入性纳米尺度成像的新突破性技术

研究人员开发了非侵入性纳米级成像的突破性技术

Al纳米结构的克莱尔图象与显示六个纳米结构簇的插图。

研究人员已经开发出一种新的非侵入性纳米级成像技术,使它们能够将电子显微镜转换为用于研究软材料的非侵入性成像模态,并在纳米级上提供关于它们的光谱特定信息。

柔软物质包括宽的材料,包括液体,聚合物,凝胶,泡沫和 - 最重要的 - 生物分子。在柔软材料的核心,控制整体性质和能力,是纳米大小组成部分的相互作用。观察这些相互作用背后的动态对于了解蛋白质结晶和代谢等关键生物过程至关重要,并且可以帮助加快开发重要的新技术,例如人造光合作用或高效光伏电池。以充分的解决方案观察这些动态一直是一项重大挑战,但现在正在满足这种挑战,这是一种新的非侵入性纳米级成像技术,这些技术是由克莱尔缩写的。

克莱尔代表“通过谐振能量转移的阴极发光激活成像。”由研究人员发明的美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和加州大学(UC)伯克利,克莱尔将电子显微镜的令人难以置信的分辨率扩展到柔软物质的动态成像。

“传统电子显微镜损害了软材料,因此主要用于提供有关强大的无机固体或固定部分的生物标本的地形或组成信息,”化学家Naomi Ginsberg说,克莱尔的发展。“克莱尔允许我们将电子显微镜转换为新的非侵入性成像模式,用于研究软材料,并在纳米级上提供有关它们的频谱特定信息。”

Ginsberg拥有伯克利实验室的物理生物学司及其材料科学部门的约会,以及UC Berkeley的化学和物理学部门。yabovip2021她也是伯克利Kavli能源纳米科学研究所(Kavli-ensi)的成员。她和她的研究组最近通过将技术应用于铝纳米结构和聚合物薄膜来展示克莱尔的成像能力,所述聚合物膜通过电子显微镜直接成像。

“分子固体中的微观缺陷导致它们的功能光学和电子性质?通过最初在溶液阶段的各个显微型组分中从它们的单独微观组分中形成哪种潜在可控的方法?答案需要观察电子激发器或分子的动态,因为它们在冷凝相位系统中探讨了空间异质的景观,“Ginsberg说。“在我们的演示中,我们获得了具有46纳米分辨率的铝纳米结构的光学图像,然后通过成像共轭聚合物膜来验证克莱尔的非侵入性。我们用克莱尔展示的高分辨率,速度和非侵入力阵地使我们能够改变目前对关键生物分子相互作用的理解。“

科学家开发了非侵入性纳米尺度成像的新技术

Claire成像芯片由Laalo3和Srtio3缓冲层和Si框架支撑的YALO3:Ce闪烁体膜。嵌入SiO 2中的Al纳米结构位于下方并直接针对闪烁体膜。Protek B3用作用于蚀刻的保护层。

Claire基本上将光学和扫描电子显微镜的最佳属性与单个成像平台组合起来。扫描电子显微镜使用电子束而不是光照明和放大。对于比可见光的光子的波长较短,电子束可用于观察比可以用光学显微镜解析的对象数百次。然而,这些电子束破坏了大多数形式的柔软物质,并且不能进行光谱特异性分子激发。

Ginsberg和她的同事通过使用称为“阴极致发光”的过程来围绕这些问题,其中在电子束和样品之间插入了由掺杂铈钇铝钙钛矿的超薄闪烁膜,约20纳米厚。当闪烁的薄膜通过低能量电子束(约1keV)激发时,它会发出转移到样品的能量,导致样品辐射。记录该发光并与电子束位置相关联,以形成不受光学衍射极限的限制的图像。

Ginsberg说,开发闪烁的薄膜并将其集成到微芯片成像装置中是一种巨大的承诺,并且她认为她的研究小组的“人才和奉献精神”成功。她还向分子铸造师的员工和能力提供了很大的信誉,这是科学用户设施的DOE办公室,在那里进行了克莱尔成像演示。

“分子铸造得真正使Claire成像成为生命,”她说。“我们与员工科学家合作,在其中一个铸造的扫描电子显微镜中设计并安装了一个高效率的光收集设备,他们的建议和输入很棒。我们可以与铸造科学家合作,不仅可以针对我们自己的实验来修改仪器,并增强其能力,也可以为其他用户进行独特。“

虽然仍有更多的工作要做,但要使克莱尔广泛访问,而GINSBERG和她的小组正在向前发展几个特定应用。

“我们对非侵入性成像软功能材料感兴趣,如太阳能电池和发光器件中的有源层,”她说。“有机物和有机/无机杂种中特别是真实的,即这些材料的形态是复杂的,并且需要纳米级分辨率来关联形态特征到功能。”

Ginsberg和她的小组也在致力于在生理条件下观察生物分子相互作用的液体细胞。由于电子显微镜仅在高真空中操作,因为空气中的分子破坏了电子束,并且由于液体在高真空中蒸发,因此必须在特殊细胞中冷冻干燥或气密密封水性样品。

“我们需要克莱尔的液体细胞,以研究光合膜中的光收集蛋白的动态组织,”Ginsberg说。“我们还应该能够在膜生物物理学中进行其他研究,以了解分子在复杂环境中的弥漫性,我们希望能够在单一分子水平上研究分子识别。”

此外,Ginsberg和她的小组将使用克莱尔研究纳米级系统的动态,一般来说。

“我们很乐意能够观察结晶过程或观察由纳米级部件退火或经历相转变的材料制成的材料,”她说。“我们也很乐意能够在进行带电表面时观察电双层,因为这种现象对电池科学至关重要。”

一篇文章描述了克莱尔最近的工作已发表在纳米信函。本文标题为“阴极致发光 - 激活的纳米图像:无创近 -

电子显微镜中的光学显微镜。“Ginsberg是相应的作者。其他作者是Connor Bischak,Craig Hetherington,Zhe Wang,Jake Precht,David Kaz和Darrell Schlom。

该研究主要由DOE科学办公室和国家科学基金会支持。

出版物:Connor G. Bischak等,“阴极发光 - 激活的纳米瘤:电子显微镜中的非侵入性近场光学显微镜,”2015,15(5),PP 3383-3390;DOI:10.1021 / ACS.NANOLETT.5B00716

图片:劳伦斯伯克利国家实验室

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