小见解

化学家和材料科学家们采用一系列三维成像技术显示结构的秘密。安迪Extance看起来在他们的工作

他们说,一个图片顶一千个词。但是有多少分子和原子呢?也许一个化学家最有价值的肖像将单个分子,此刻的反应。也许是材料科学家想捡起一个结构,它转起来从各方并检查它。对于那些幸运地与整齐的晶体材料,x射线衍射技术几十年来一直在提供详细的三维图像。但少以及排除有序材料——那些最经常发现在现实世界中,这些方法给平均结构可以错过重要的细节。

在这种情况下,生物学家们长期使用三维成像技术,如电子断层扫描(ET), x射线断层扫描和荧光显微镜,研究大生物分子结构和细胞。十多年来,化学家和材料科学家们被他们适应较小的尺度,提供信息等化学系统催化剂和生物材料。虽然他们的努力已经照亮了前所未有的细节,他们还推动更快的图像生产,更现实的条件和高分辨率的照片。

保罗麦来自英国剑桥大学的,和他的队友的第一步将这些技术引入化学。“我们正在研究纳米粒子的构成和使用电子显微镜在多相催化发光机制,尤其是纳米多孔固体,”米底哥列回忆说。我们觉得我们被有限的二维图像可以告诉我们,所以我的同事约翰•托马斯Meurig建议断层”。

从二维扫描断层构建一个三维表示一个对象在不同角度拍摄,一种方法好今天在医学上被称为x射线计算机断层扫描(CT)。CT是商业化在1971年由英国唱片公司计算机制造商EMI,(据说)用披头士的唱片销售基金的发展。与此同时,研究人员也使用电子显微镜图像进行三维重建,尽管这样的电子断层扫描才普遍在1990年代,主要在生物学。

从阴影中

但是随着21世纪开始,米底哥列和托马斯发现传统等不适合成像他们的许多催化剂。通常用透射电子显微镜(TEM)和探测器收集样本图像直接放置在连续平行光束的“明视场”。但这可以使分子规模由于衍射效应在亮场图像,特别是从晶体结构,导致三维x线断层照片模糊。他们也经常发现TEM迅速损害了他们的样品。

所以米底哥列扫描TEM和同事交换,或阻止,一个窄束移动样品,像素到像素,来保持其完整性。他们还使用探测器更锐角入射电子束,记录信号在高纬度环形暗场(HAADF)。“HAADF会因此更强对比图像比明亮的领域,”他说。”,带我们到1海里³决议。”

使用电子显微镜,我们感到受限于二维图像告诉我们

由这样的环形暗场成像模式,在过去的十年里已经占据了更多的材料。其进展推动了自动显微镜控制,更好的投影算法用于构建x线断层照片,和更快的计算机上运行它们。然而它仍然面临着根本性的局限性,电子显微镜通常运行在高真空条件下,样品通常不会体验。它还破坏样品,切片他们精心研究组成。

制备技术的进步降低了这种切片用于对图像质量的影响,根据劳拉Estroff伊萨卡康奈尔大学的我们。电子断层扫描的关键是样品薄足以电子透明,“Estroff说。我们利用聚焦离子束(FIB)铣削准备它们。尽管FIB留下一个小层表面损坏,大部分的这些200 - 300 nm厚片没有损坏。你在捕获主要原始材料板的中心。

但这种亲密接触的高能束离子或电子仍然可以引入其他文物图像。的辐射结构会伤害他们,诱导结晶或破坏结晶度,“Estroff解释道。我们看到这样的情况,我们最初捕获一个美丽的衍射图样,并进一步照明电子束下的同一区域,材料变得非晶态或多晶。因此了解材料被研究尤为重要,她补充道。总是一场战斗的样本的完整性。它是聪明在挑选健壮的一部分材料。最好的技术学会识别损伤是足够高的加速电压损失,然后后退。”

最终的敏感性

像麦多相催化的启发Maarten Roeffaers从比利时的鲁汶KU利用荧光显微镜方法,已经在生物领域扎根。“大多数研究对催化剂分子规模的工厂,”Roeffaers说。但没有人知道发生了什么在工厂,所以我们想知道化学过程。与荧光显微镜可以看到详细的流程和单一的有机分子,这是敏感的终极形式。

虽然荧光显微镜图像无损材料,通常是研究无机材料的敏感比等。它检测到有机探针分子吸收光的颜色,由激光,发出不同的颜色。“这可能是非常敏感的,因为如果你用蓝光照射样品,它发出红光,正确的滤色器只能感觉所发出的光,“Roeffaers说。镜头聚焦于某一平面的样本,只从那架飞机收集信息。通过不同的飞机移动焦点为二维图像,你可以重建整个三维结构。

伯特Weckhuysen荷兰乌得勒支大学的卷入了三维可视化成像看到荧光显微镜在生物科学应用的一次会议上。”当我看到五颜六色的图片,就像打开我的眼睛在一个全新的世界,”他说。但是,像外星人一样,需要适应化学的方法。中所需的工具Weckhuysen是染色的催化剂研究调查。“同时,我们需要更高的分辨率。生物的蛋白质结构是比我们想的特性形象,”他说。betway必威游戏下载大全与细胞,但如果他们能做到为什么不催化反应呢?”

分子的视角

噻吩是一种重要的探针分子染色zeolite-based流体裂化催化剂,Weckhuysen的研究小组发现。¹探针是fluorogenic——它并成为荧光反应的活跃的网站,“Eelco沃格特说,研发主管Albemarle催化剂位于阿姆斯特丹的荷兰,与Weckhuysen的团队工作。显示他们是如何分布的,如果他们真的可以。”这样的异构催化剂通常是由嵌入活性复合物在惰性支持材料,这样相对较大的石油分子可以达到他们。使了解催化剂粒子的形式,他们的毛孔是什么样子,如何达到活跃的网站,非常有价值。

“Fluorogenic分子让我们看到在概念上的分子会进入催化剂粒子,”沃格特说。我们可以模型分子的旅行使环境遇到,实际上反应。催化剂消耗——他们禁用。这可以归结为活跃的站点或毛孔堵塞,或毒物被沉积。这对我们来说是非常重要的去理解它,而这些工具接近告诉我们发生了什么在催化在原子级别。下一步是要真正的催化条件下,需要改进的温度、压力和解决。

Weckhuysen一直致力于实现现实与x射线断层扫描条件,建立二维x射线扫描成三维图像。²在这种方法中,他的团队研究了固体催化剂在10-30bar和600°C石英毛细管。但研究人员正试图使x射线断层扫描和其他方法,一起Weckhuysen称之为“五维显微镜”,那就更好了。在三维空间和时间之外,一些显微技术可以检索光谱数据,可能揭示记录每个像素的化学性质。

我们总是想提高空间分辨率,“Weckhuysen说。”例如,x射线断层扫描仍限于30 nm左右,还没有在原子的范围。我们还必须进一步提高光谱分辨率看到更多的化学能量。数据分析和测量还必须加快从冰冻的照片真实的电影。”

互补的启示

看着x射线断层扫描与荧光显微镜可以构建更完全的三维图片,Weckhuysen希望。没有一种技术会解释一切,但每提供一个拼图的,”他说。荧光的信息量可能很少,除非你有一个非常特殊的染色反应。但三维图像,荧光显微镜和x射线断层扫描产生想象力说话。”

将这些技术引入新的应用程序总是需要额外的研究,Weckhuysen补充道。的每个方法都需要一个创新的方法,使其适用于自己的领域。无论是毛细管或染色反应,它不仅仅是购买昂贵的设备;它的链接你的科学问题。

在荧光显微镜,Roeffaers”团队用糠醇作为fluorogenic染色,以酸性转换网站。在沸石催化剂,他们揭示了20纳米尺度功能通过检测个人催化转换。betway必威游戏下载大全³这种染色分子帮助揭示活性部位的可访问性,因为他们必须首先扩散对催化网站之前变得可见。

Roeffaers队也使用减少荧光探针显示活性位点分布在氧化后,与氧化剂在催化剂和探测器都自由扩散。这些互补的技术允许我们确定催化转换,而且学习网站,而不需要考虑扩散,”他解释说。”你会发现意想不到的区域在一个催化剂粒子有不同的活动,甚至在看似完美的结构。”

以及催化剂、Roeffaers利用荧光显微法研究有机框架(mof)。他还强调其实用性的并行方法。在催化,很多专业显微镜是集中在无机部分,但他们没有看有机物的技术,”他说。“现在我们正在寻找有机和无机之间的直接联系,利用电子显微镜和荧光在同一晶体”。

把权力化学家手中

和她一起康奈尔大学的同事大卫•穆勒,Estroff利用等研究在生物矿物有机-无机界面,如软体动物贝壳或海胆刺,及其合成类似物。⁴他们x射线衍射和电子像单一的方解石晶体,然而有几个重量百分数的有机材料纳入他们,”她解释说。的问题是:如何晶格适应柔性聚合物?使用合成单晶等的时候,我们第一个想象的有机物质。然后我们看着棱镜的钙质层软体动物使用相同的技术,和表明有机物有择优取向。了解有机物结合可以帮助解释自然和合成水晶“力学性能”。

米底哥列已经应用在许多不同的材料,从太阳能电池金属纳米粒子通过表面等离子体内部强烈一些光。然而,他想进一步推进技术,使其更广泛的访问。人们把电子断层扫描,因为你可以需要超过100的图片,可以花费几个小时的时间来收集,”米底哥列解释道。出于这个原因,他的团队正在开发压缩传感等和相关方法,利用先验知识来构建三维表征更快。⁵通常你知道一些关于样品,如黄金粒子在真空碳作为一个简单的例子。如果我知道我只有三个组件,可以使用这些信息来提高x线断层照片,”他说。与这些新方法,图像和实验所需的时间的数量可以减少一个数量级。

尽管目前费时,沃格特已经利用等带来重要的见解加氢处理催化剂,合作Krijn德容荷兰乌得勒支大学的。⁶我们可以看个人硫化钼活性粒子,5 nm直径10 nm厚,分辨率为0.15 nm,”沃格特说。第一次我们有活性粒子和可以扭转局面”在我们的手中”。这很重要,因为化学家是典型的以视觉为导向的,他们总是试图让一个图像的正在发生的事情。这意味着这些技术总是会感兴趣的。”

安迪Extance在埃克塞特是一个基于科学作家,英国