Dai materiali energetici alla diagnostica delle malattie, nuove tecniche di microscopia possono fornire informazioni più dettagliate. I ricercatori devono prima comprendere gli effetti delle radiazioni sui campioni.

In un nuovo articolo pubblicato la scorsa settimana in Progressi scientifici , un team di scienziati e ingegneri ha scavato nei meccanismi che degradano la qualità del campione nella microscopia elettronica a trasmissione di cellule liquide (LC-TEM). Hanno sviluppato un dispositivo LC-TEM che utilizza finestre multiple e caratteristiche modellate per esplorare gli impatti del bombardamento di elettroni ad alta energia su nanoparticelle e campioni biologici sensibili.

Le istituzioni che collaborano includono l'EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, un Department of Energy Office of Science User Facility presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), Università dell'Illinois Chicago, Università statale della Florida, Washington State University e Michigan Technological University. L'autore principale dello studio, Trevor Moser, attualmente al PNNL, è uno studente di dottorato alla Michigan Tech che studia sia sotto Tolou Shokuhfar, professore a contratto di ingegneria meccanica presso la Michigan Tech e professore associato di bioingegneria presso l'Università dell'Illinois di Chicago, e James Evans, uno scienziato senior al PNNL.

Il team spiega che la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) si basa su un fascio di elettroni ad alta energia che passa attraverso un campione. Se il campione proviene da un elettrodo di batteria o da cellule batteriche, gli elettroni di passaggio si disperderanno in un modo specifico che riflette la struttura atomica del campione. In LC-TEM, i materiali possono essere esaminati in uno stato nativo consentendo osservazioni dinamiche, ma i campioni sono liquidi o sospesi in un liquido e devono essere sigillati ermeticamente per resistere al vuoto spaziale dello strumento. C'è un equilibrio tra garantire che il liquido non evapori fornendo allo stesso tempo spazio di visualizzazione sufficiente per il passaggio del fascio di elettroni.

"Abbiamo progettato e fabbricato nuovi dispositivi per contenere campioni liquidi che ci forniscono più aree "finestre" per raccogliere immagini rispetto a quelle disponibili in precedenza, " Dice Moser. "Utilizzando queste finestre multiple, siamo stati in grado di studiare come la storia dell'irradiazione elettronica influenzi la nucleazione e la crescita delle nanoparticelle d'argento, le cui proprietà di crescita sono sensibili ai radicali che si generano con il fascio. Li abbiamo anche usati per studiare l'impatto di questi radicali sulle cellule batteriche e dimostrare l'estrema sensibilità di questi campioni biologici al fascio di elettroni".

L'irradiazione dal raggio ad alta energia utilizzato in LC-TEM può causare danni fisici ai campioni. Per esempio, il team ha scoperto che quando una cellula è stata sottoposta a imaging - ed è stata esposta per la prima volta a un flusso di elettroni significativo - il movimento osservato delle nanoparticelle rispetto alla membrana cellulare era il risultato di un danno cellulare. Ciò è importante perché l'intuizione mostra che il movimento è un artefatto dell'imaging della cellula piuttosto che osservare le dinamiche cellulari in tempo reale.

"Siamo stati in grado di catturare immagini incontaminate di cellule utilizzando il nostro dispositivo multi-camera in cui la prima immagine rappresentava la prima esposizione delle cellule a dosi significative di elettroni, " dice Evans.

"Poiché le proprietà native del campione possono essere alterate o modificate dagli effetti di questi radicali generati dal fascio di elettroni, "Shokuhfar dice, "comprendere i cambiamenti chimici di un campione liquido a seguito dell'irradiazione di elettroni è la chiave per correggere l'interpretazione dei dati raccolti con questa tecnica".

Man mano che vengono raccolte le sfumature di LC-TEM, possibili applicazioni includono la raccolta di altissima risoluzione, informazioni dettagliate sul dispositivo energetico e sui materiali di stoccaggio, nonché sul rilevamento delle malattie, imaging medico e scavando in profondità nelle basi dell'attività cellulare. Per quanto riguarda i prossimi passi, il team prevede di concentrarsi sulla caratterizzazione di più campioni biologici, che sembrano essere vulnerabili agli effetti dell'irradiazione di elettroni. Il nuovo dispositivo LC-TEM offre più finestre in questo complesso mondo atomico, fornendo maggiori possibilità di innovazioni nel campo dell'energia e della salute.