De crux van CLAIRE is een flinterdunne, paarse, laag van yttriumaluminiumperovskiet die met cerium is gedoteerd (afb: Nano Letters)
Onderzoekers van, onder meer, het Amerikaanse Lawrence Berkeley-lab hebben een techniek ontwikkeld, CLAIRE gedoopt, waarmee met elektronenmicroscopen ook zacht weefsel is waar te nemen op nanoschaal. Dat is handig voor het afbeelden van allerlei biologisch materiaal, maar ook van polymeren, gels en schuimen.
CLAIRE is een (Engels) letterwoord voor door kathodeluminescentie geactiveerde afbeelding door overdracht van resonantieenergie. Dan weet je dat alvast. De techniek maakt het mogelijk beweging van zachte weefsels te vangen op nanoschaal (een resolutie van enkele tientallen nanometers). “Normaal vernielt de elektronenmicroscoop zacht materiaal en daarom wordt de techniek vooral gebruikt voor het afbeelden van stevig anorganisch materiaal of van de vaste delen van biologische monsters”, zegt onderzoekster Naomi Ginsberg. “CLAIRE geeft de mogelijkheid elektronenmicroscopie om te zetten in een niet-invasieve afbeeldingstechniek voor de bestudering van zachte materialen op nanoschaal.” De onderzoeksgroep demonstreerde de mogelijkheden van de techniek bij nanostructuren van aluminium en kunststoffolies, die normaal gesproken niet te bekijken zijn met een elektronenmicroscoop. Ginsburg: “Welke microscopische fouten in vaste stoffen veroorzaken welke optische en elektronische eigenschappen? Welk in principe regelbaar proces zorgt er voor dat die vaste stoffen zich vormen uit afzonderlijke microscopische onderdelen, in eerste instantie in oplossing? De antwoorden daarop vereisen waarneming van de dynamiek van aangeslagen toestanden of van de moleculen zelf. We hebben optische beelden verkregen van aluminium nanostructuren met een resolutie van 46 nm. Vervolgens bekeken we CLAIRE op niet-indringendheid door een kunststoffolie in beeld te brengen. Die eigenschappen van CLAIRE maken het mogelijk biomoleculaire wisselwerkingen vast te leggen.”
CLAIRE is in feite een symbiose tussen de beste hulpmiddelen van optische en rasterelektronenmicroscopie. De elektronenmicroscoop werkt met elektronenbundels in plaats van licht. Met de veel kortere golflengtes die daar mee mogelijk zijn kunnen objecten worden waargenomen die honderden keren kleiner zijn dan met de lichtmicroscoop mogelijk is. Een naar trekje van de elektronenmicroscoop is dat die de meeste zachte materialen kapot bombardeert (het gaat uiteindelijk om een elektronenbundel) en dat die niet in staat is moleculen aan te slaan (in een hogere energietoestand te brengen). Die problemen lijken Ginsburg en haar medewerkers te hebben opgelost met een proces dat kathodeluminescentie heet. Daarbij wordt een flinterdunne laag (20 nm) yttriumaluminiumperovskiet (YAP) gedoteerd met cerium-atomen tussen de elektronenbundel en het te bekijken monster geplaatst. De energie van de elektronenbundel wordt via die flinterlaag doorgegeven aan het monster. Daardoor gaat, simpel gezegd, het monster stralen. Dat is de zogeheten luminescentie, licht dat weer wordt uitgezonden terwijl de moleculen weer in een lagere energietoestand terechtkomen. Die luminescentie wordt vastgelegd en gekoppeld aan de positie van de elektronenbundel om een afbeelding te krijgen die niet gebonden is aan optische limieten. Door wat te knutselen aan die wat de onderzoekers scintillatielaag noemen en door die te integreren in een microchip ontstond CLAIRE. Dat knutselen is volgens Ginsburg overigens nog een hele klus geweest.
CLAIRE is nog niet helemaal klaar voor gebruik. Er moeten nog wat verfijningen worden aangebracht voor specifieke toepassingen. “We zijn geïnteresseerd in niet-invasieve afbeelding van zachte materialen zoals actieve lagen in zonnecellen en lichtdiodes”, zegt de onderzoekster. “Vooral in organische en organisch/anorganische systemen is de morfologie ingewikkeld. Dat vergt een resolutie op nanoschaal.” De onderzoekers werken ook aan vloeistofcellen voor het waarnemen van biomoleculaire interacties onder fysiologische omstandigheden. Omdat elektronenmicroscopen alleen bij hoog vacuüm werken moeten de te bekijken monsters of gevriesdroogd worden of worden opgesloten in specialen houders. “We hebben vloeistofcellen nodig om met CLAIRE de organisatie van lichtoogstende eiwitten in fotosynthetische membranen te kunnen bekijken. We willen ook kunnen bestuderen hoe moleculen zich in membranen bewegen in complexe omgevingen en we willen gewoon moleculen kunnen herkennen.” Ginsburg zou ook kristallisatieprocessen willen volgen of faseovergangen van nanocomponenten of kijken naar elektrische dubbellaag rond de elektrodes in batterijen. Verzin het zelf maar. Het kijken in levende cellen, dat schijnt nu nog zo niet onmogelijk dan toch er lastig te zijn met elektronenmicroscopen, noemt ze niet en dat dunkt me vrij opmerkelijk. Omdat dat niet kan?
Bron: Science Daily