胶体在寒冷的

一种显微镜是动摇纳米科学的研究,并迫使科学家们重新考虑许多已建立的理论。艾玛·戴维斯调查cryoTEM

制冷温度透射电子显微镜(cryoTEM)一直以来被生物学家但是胶体和材料科学家现在开始利用额外的维度,它给了他们的研究。

研究员以示达化学工程系的以色列技术研究所的以色列,开创了非生物系统的技术。他在1976年开始使用cryoTEM攻读博士学位在明尼苏达大学的纳米乳,我们,仍然是导致该领域的研究人员之一。

花了很长时间cryoTEM非生物领域的其他研究人员关注的景点。那些经常使用它震惊的结果。达Pochan,材料特拉华大学的研究员,1999年开始使用这项技术,并发现它给完全意想不到的结果,甚至在建立脂质和表面活性剂等领域。“人们认为他们知道会发生什么。他们把样品cryoTEM并采取一些图片和突然间他们看到结构是完全出乎意料的。

TEM起飞

去年Pochan做了一个快速搜索的cryoTEM论文讨论由材料研究协会组织的一次会议上,我们。他在2000年发现,只有少数的文章发表2004年技术但数量增长了至少一个数量级。他假设的数量将继续增长,随着越来越多的研究人员的技术。“人们已经电子显微镜。你只需要额外的外围的东西,”他说。

达同意cryoTEM正变得越来越受欢迎,将这种现象归因于生物和纳米技术的进步,特别是两者的结合”。他回应的许多科学家一直致力于纳米胶体系统多年来在纳米技术的概念。我们一直在做纳米研究25 - 30年,但我们不知道它是纳米直到最近,”他说。”突然想到我们,我们一直在做纳米,在某种程度上我们有一个技术,突然有如此多的更多的应用程序,有如此多的更多的潜在用户。

小的开始

达们承认,他开始使用cryoTEM天真。很快我们明白我们没有合适的设备和正确的方法,我们一无所知电子束之间的交互和陶瓷标本,”他回忆说。

他自己想出一个工作技术的挑战。他在研究纳米乳使用cryoTEM没有成功。但我们学到了很多,我们得到了第一个可靠的图像结构冰。”

几年后他的团队开始使用一种技术开发的雅克•Dubochet生物学家目前在洛桑大学的工作,瑞士。他是第一个人展示了如何快速冷冻或玻璃化薄层水,这是一个重大突破,”达们回忆说。Dubochet技术,保留样本结构,给达们的结果,他希望和团队终于能够想象表面活性剂结构,如胶束和囊泡。他最大的成就之一就是获得直接的图像细长的胶束,后来被确定为中间体的溶液化的脂类表面活性剂胶束的调整稀释。结果不同意提出理论,起初拒绝了生物物理社区。问题是,人们有自己的宠物理论和模型,当面对真正的形象,他们发现很难接受,”达说。幸运的是,他的研究结果支持了小角中子散射实验。

胶束的魔法

Pochan工作主要集中在分子在溶液中自组装。直到他开始使用cryoTEM他局限于分析系统采用间接的方法如光散射或中子散射。过去你会简单的目标结构的你想看到的。你会做你的散射实验,确定这是我们认为的结构是什么。但是现在,即使是在一个系统,你有你的结构你可以但是如果你稍微调整的条件你可以得到那些结构开始发生变化,Pochan说。

从Pochan的工作出现了一些有趣的结构与两亲性聚合物在溶液中自组装形成胶束。”我们开始看到的一件事是,当胶束转变从一个到另一个形状,根据解决方案的刺激,他们经过很多的中间阶段,你永远可以看到散射技术,例如,和你当然无法预测,因为他们非常、非常奇怪的转变。这些中间结构有不同寻常的外表。例如,Pochan将其中一些描述为“非常大煎饼毛发的结束”。别人看起来像蘑菇生长在另一个之上,他说。

Pochan也在形成稳定的系统盘状胶束的叶绿体会预期,但很少看到。现在,研究人员已经建立了一个非常健壮的系统,使光盘重复性良好,Pochan说。他们也有环形环状胶束和cryoTEM用来确认结构是稳定的。

Pochan团队正在使用cryoTEM研究凝胶网络。属性取决于当地的纳米结构的自组装分子。他用cryoTEM特征多肽水凝胶。“这是证明具有挑战性但我们慢慢开始获得成功,”他说。主要问题已准备凝胶样品薄,足以让电子束通过。玻璃化凝胶使他们非常脆,容易断裂。所以应用的研究人员正在尝试几种不同的方式非常的凝胶薄膜TEM网格。

弗兰克•贝茨的明尼苏达大学化学工程与材料科学,我们也使用cryoTEM研究聚合物系统。他在1997年开始使用这项技术,说他的团队已经获得的许多杰出的业绩与技巧,有时非常令人吃惊的。

其中一个令人惊讶的发现来自水性分散体的嵌段共聚物表面活性剂。研究人员知道相对较低分子量diblocks产生球形和圆柱形胶束和囊泡。整个diblock共聚物分子量增加时,贝茨希望看到更大的胶束与几何形状相同的小版本。他发现更令人兴奋:一个新的结构元素称为三分支。贝茨说,这一发现很重要,因为它表明,分子大小的增加会导致定性的结构性变化。分支导致网络形成较高的浓度,”他说。

结果被科学界广泛接受,有了健康的辩论关于嵌段共聚物的自组装在水里,贝茨指出。他认为,这是因为,与间接描述光谱等技术,所有形式的真实空间成像包括透射电子显微镜通常很容易解释,常常是很少受到专家的解释。

CryoTEM也帮助研究最著名的纳米结构,C₆₀德克萨斯州莱斯大学,和一群来自美国,用它来观察C₆₀聚合物在水中悬浮。根据约翰·福特纳研究小组的成员,他们有一些担心水晶的性质和尺寸骨料通过传统的干TEM观察到的实际上是一个干燥过程的产物。悬挂的cryoTEM结果证实材料通过传统的TEM,完全按照它们出现的福特纳说。”这是一个很好的方法,如果你能让它工作,”他补充道。

汉斯·冯·Berlepsch,从柏林自由大学,德国,是另一个敏锐cryoTEM用户。他的研究团队已经使用技术来研究一个特殊的类称为J-aggregates的自组装结构,形成自发的从某些花青染料水溶液的解决方案。他认为cryoTEM最好的办法是观察这些结构不变形。

大多数研究认为光学性质的J-aggregates生色团的砖砌的安排。当我们进入领域研究的一个新类J-aggregates我们面临大问题来解释我们的光散射结果,”他说必威体育 红利账户。CryoTEM回答他们的问题:“我们很惊奇地发现一些不同的结构如管状聚合物、丝带、超螺旋束和其他意想不到的形态。研究者们现在有了一个更深的理解复杂的管状J-aggregates激子的吸收光谱,由于一些结构的手性螺旋包装结构。

冯Berlepsch cryoTEM的团队也用来研究富勒烯和杯芳烃衍生物,能够描述胶束以前所未有的精度。这些胶束形成nanocontainers可以开启和关闭的外部刺激。

油性胶体

大部分cryoTEM工作迄今为止在水基系统但达们也研究了非水样本。他发现自己限制在一定的溶剂,因为许多,如线性石蜡,不能玻璃化。大多数非极性溶剂如碳氢化合物溶解在标准的致冷剂,液态乙烷。

在那些硅氧烷等一些系统溶剂,电子束损害非常严重,即使是使用低剂量的技术是不成功的。达的团队已经成功地成像不寻常的非水系统,如在大豆卵磷脂分散石油。研究人员已经发现,许多天然油脂中的甘油三酯作为冷冻保护剂,允许石油系统在液态氮玻璃化。

缺点

需要多长时间得到cryoTEM工作的新系统吗?Pochan笑着说:“这需要大量的练习。这是一个非常依赖技术技术,我猜我的意思是如果你没有右脚的像一个好的低电压加速显微镜敏感CCD(电荷耦合装置)检测器,一个漂亮的持有人与一个不错的舞台和一块漂亮的设备转移到玻璃化液体和凝胶图像,然后它变得极其困难。”贝茨也认为“cryoTEM也非常具有挑战性的,但说,一旦掌握了各种实验方法这种技术提供了一个独特的一瞥软材料的多种形式的结构在水中”。

贝茨认为cryoTEM的主要关心的是文物,样品制备过程中可能出现的存在。他列出了一些可能发生的原因:“首先,局限于薄膜结构检查,通常在厚度200到300纳米。因此,3 d功能可能会扭曲。betway必威游戏下载大全同时,这部电影可能不是均匀厚度。其次,形成薄膜,多余的水涂抹于这个可以施加剪切力显微镜网格和扭曲的结构。第三,水可能使具体化从而破坏了材料的地方。最后样品的电子束可能存款过剩的能量导致局部损伤。

积极的未来

达们认为cryoTEM成功率。不需要那么多训练说一个学生或博士后。6到8个月内,我想说,我们可以采取良好的研究生,让他独立工作在低温系统。”,但他警告说,这需要教授的支持环境,博士后,和全职研究人员与他们一起工作让人拿起技术在如此短的时间内。

贝茨认为cryoTEM前景是好的。通过经验,特别是由其他人包括以示达们开创性的贡献,我非常相信科学界已经接受了该方法的可行性,”他说。

几年前达与已故诺贝尔奖获得者里查德从莱斯大学,我们为他形象纳米管悬浮在胶束溶液。在研讨会结果时,斯莫利说这项技术“打开那些用它的眼睛”。鉴于其快速增长,它一定会开放更多的眼睛。

进一步的阅读

• V摩尔等,纳米列托人,2003,1379
• J福特纳等,环绕。科学。抛光工艺2005年,39岁,4307年
• M艾德里安等,自然、1984、308、32
• E Kesselman一起等,大分子,2005,6779
• D Danino等,j .胶体界面科学,2002,249,180
• Jain和F贝茨,科学、2003、300、460
• D Pochan等,科学、2004、306、94
• H·冯·Berlepsch等,期刊化学B、2004、108、18725