Optimization of electron tomography for the three dimensional study of nanoparticle assemblies

Eva Bladt
Persbericht

Optimization of electron tomography for the three dimensional study of nanoparticle assemblies

 

VAN JUWELEN TOT KANKERBESTRIJDING

GOUD NANODEELTJES DOOR DE OGEN VAN EEN ELECTRONENMICROSCOOP

Op macroscopische schaal wordt goud vaak gebruikt bij het creëren van juwelen. Echter, goud nanodeeltjes hebben een veelvoud aan toepassingen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld in de medische wereld gebruikt worden in de strijd tegen kanker. In de toekomst zullen de mogelijkheden van het gebruik van deze deeltjes toenemen. Hiervoor moet onder andere de structuur van de deeltjes grondig geanalyseerd worden. Moderne elektronenmicroscopie is daarbij van cruciaal belang. Het EMAT (Electron Microscopy for Materials Science) laboratorium van de Universiteit Antwerpen beschikt over 6 transmissie-elektronenmicroscopen, waaronder één van de krachtigste ter wereld (zie figuur).

 

 

De studie van zeer kleine goud deeltjes, met afmetingen in het nanometergebied, is interessant omdat deze deeltjes specifieke eigenschappen hebben, vaak afhankelijk van de morfologie. Deze goud deeltjes kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden als katalysator en bepaalde reacties versnellen. Ze worden bovendien gebruikt in verschillende toepassingen in de nanoelektrica en zijn veel belovend in de strijd tegen kanker. Deeltjes kunnen specifieke kleuren absorberen afhankelijk van hun grootte en morfologie. Wanneer de goud deeltjes via een antilichaam aan een kankercel hechten, kunnen ze vervolgens geactiveerd worden aan de hand van lichtabsorptie om de tumor te bestrijden.

 

De goud deeltjes kunnen ook georganiseerd worden in een 3-dimensionale ordening, we spreken dan van een ‘nano-assembly’. Om de goud deeltjes te organiseren in een welbepaalde structuur, worden ze ingebed in een polymeermatrix. Deze polymeermatrix moet de stabiliteit van de assemblies verzekeren. Door de grootte van de goud deeltjes en/of het moleculair gewicht van de polymeer te variëren, kunnen materialen met specifieke en unieke eigenschappen ontwikkeld worden. Wanneer de verschillende goud deeltjes geordend worden tot een capsule, kan de nano- assembly bijvoorbeeld een medicijn omhullen. Deze kan opnieuw door middel van lichtabsorptie geactiveerd worden. Na activatie zal het medicijn vrijgeven worden en inwerken op een welbepaalde plaats in het lichaam. Op deze manier kan een assembly van goud deeltjes worden ingezet in medicijn transport en zo bijdrage leveren tot de nieuwe ontwikkelingen in de medische wereld. Bij al deze ontwikkelingen is de kennis van de 3-dimensionale vorm van groot belang.

 

Om zowel de 3-dimensionale vorm van één goud deeltje als die van een assembly van goud deeltjes te onderzoeken, wordt gebruik gemaakt van elektronentomografie. Dit is een techniek om een 3-dimensionale reconstructie te maken uitgaande van de opname van 2-dimensionale beelden. De beelden worden opgenomen met een elektronenmicroscoop. Omdat we zeer kleine deeltjes onderzoeken, kan een lichtmicroscoop niet gebruikt worden. De kortere golflengte van versnelde elektronen, die gebruikt worden in een elektronenmicroscoop, zorgt ervoor dat kleinere details kunnen waargenomen worden. Na de beeldopname, wordt aan de hand van een wiskundig algoritme de reeks 2-dimensionale beelden omgezet in een 3-dimensionale reconstructie van het originele object. Het principe van deze techniek is vergelijkbaar met het concept van een hersenscanner.

 

De studie van assemblies van goud deeltjes is erg complex en uitdagend. Als assemblies op een speciale houder in de elektronenmicroscoop worden gebracht, zullen ze vaak van vorm veranderen omwille van de zachte polymeermatrix. Om dit te vermijden werd een protocol ontwikkeld en toegepast. Dit protocol bestaat uit een combinatie van zeer snelle bevriezing gevolgd door sublimatie onder hoog vacuüm condities.

Bovendien werd ook het wiskundig algoritme geoptimaliseerd. Door gebruik te maken van deze nieuwe technieken, konden de nano-assemblies bestudeerd worden in 3 dimensies. Hierdoor kan de morfologie van de assemblies grondig bestudeerd worden. Een voorbeeld wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur en bijbehorende film. Het is duidelijk dat deze haltervormige deeltjes als het ware een 3-dimensionale nanopuzzel vormen.

 

De ontwikkelde technieken zijn toepasbaar voor een brede variëteit aan nanomaterialen. Onderzoek naar de 3-dimensionale vorm van verschillende nano-assemblies zal (nog meer) nieuwe ontwikkelingen opleveren in onder andere de (bio)medische wereld, sensoren en energie-omzetting toepassingen.

 

 

WebRep currentVote  noRatingnoWeight           

Bibliografie

 

Bibliography

[1] Altantzis T., Goris B., et al, Quantitative structure determination of large three- dimensional nanoparticle assemblies. Particle & Particle Systems Characteriza- tion 30 (2013) 84-88.

[2] Alvarez-Puebla R. A., Liz-Marz ́an L. M., Traps and cages for universal SERS detection. Chemical Society Reviews 41 (2012) 43-51.

[3] Bellare J., Davis H., et al, Controlled environment vitrification system: an im- proved sample preparation technique. Journal of Electron Microscopy Technique 10 (1988) 87-111.

[4] Besenius P., Heynen J., et al, Paramagnetic self-assembled nanoparticles as supramolecular MRI contrast agents. Contrast Media & Molecular Imaging 7 (2012) 356-361.

[5] Chen C.-H., Sarma L., et al, Architecture of PdAu Bimetallic Nanoparticles in Sodium Bis(2- ethylhexyl)sulfosuccinate Reverse Micelles As Investigated by X- ray Absorption Spectroscopy. ACS Nano 1 (2007) 114-125.

[6] Dubochet J., Adrian M., et al, Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. Quarterly Review of Biophysics 21 (1988) 129-228.

[7] Friedrich H., Frederik P., et al, Imaging of Self-Assembled Structures: Interpreta- tion of TEM and Cryo-TEM Images. Angewandte Chemie-International Edition 49 (2010) 7850-7858.

[8] Glotzer S., Solomon M., et al, Anisotropy of building blocks and their assembly into complex structures. Nature Materials 6 (2007) 557-562.

[9] Goris B., Van den Broek W., et al, Electron tomography based on a total variation minimization reconstruction technique. Ultramicroscopy 113 (2012) 120-130.

[10] Grzelczak M., Sa ́nchez-Iglesias A., et al, Steric Hindrance Induces crosslike Self- Assembly of Au Nanodumbbells. Nano Letters 12 (2012) 12 4380-4384.

[11] Guerrero-Mart ́ınez A., Crzelczak M., et al, Molecular Thinking for Nanoplas- monic Design. ACS Nano 6 (2012) 3655-3662.

[12] Guerrero-Mart ́ınez A., Alonso-G ́omez J. L., et al, From individual to collective chirality in metal nanoparticles. Nano Today 6 (2011) 381-400.

[13] Hawkes P.W., The electron microscope as a structure projector, in: Frank J. (Ed.), Electron Tomography: Three-dimenstional Imaging with the Transmission Electron Microscope. Plenum Press, New York, London (1992).

[14] Heidari Mezerji H., Van den Broek W., et al, A practical method to determine the effective resolution in incoherent experimental electron tomography. Ultrami- croscopy 111 (2011) 330-336.

[15] Heidari Mezerji H., Quantitative electron tomography of nanoparticles. Ph.D. Thesis, University of Antwerp (2012).

[16] Iancu C., Tivol W., et al, Electron cryotomography sample preparation using the Vitrobot. Nature Protocols 1 (2006) 2813-2819.

[17] Ivarsson M, Holmstro ̈m S., Scanning electron microscopy: The use of ESEM in Geobiology (chapter 39). Ed: Kazmiruk V., InTech (2012).

[18] Kellenberger E., The response of biological macromolecules and supremolecular structures to the physics of specimen cryopreparation. Cryotechniques in Bio- logical Electron Microscopy, Springer (1978), 35-63.

[19] Kim J., Lee J. E., et al, Designed Fabrication of a Multifunctional Poly- mer Nanomedical Platform for Simultaneous Cancer- Targeted Imaging and Magnet- ically Guided Drug Delivery. Advanced Materials 20 (2008) 478-483.

[20] Kirkland E., Loane R., et al, Simulation of annular dark field stem images using a modified multislice method. Ultramicroscopy 23 (1987) 77-96.

[21] Koster A., B ́arcena M., Cryotomography: Low-dose Automated Tomography of Frozen-hydrated Specimens. Electron tomography, Springer (2006) 113-161.

[22] Li S.-J., Shi Y.-F., et al, Electrostatic self-assembly for preparation of sulfonated graphene/gold nanoparticle hybrids and their application for hydrogen peroxide sensing. Electrochimica Acta 85 (2010) 628-635.

[23] Liang G., Ronald J., et al, Controlled self-assembling of gadolinium nanoparti- cles as smart molecular magnetic resonance imaging contrast agents. Angewandte Chemie Internation Edition 50 (2011) 6283-6286.

[24] Linic S., Christopher P., et al, Plasmonic-metal nanostructures for efficient con- version of solar to chemical energy. Nature Materials 10 (2011) 911-921.

[25] Mart ́ınez A., P ́erez-Juste J., et al, Recent Progress on Silica Coating of Nanopar- ticles and Related Nanomaterials. Advanced materials 22 (2010) 1182-1195.

[26] Midgley P. A., Weyland M., 3D electron microscopy in the physical sciences: the development of Z-contrast and EFTEM tomography. Ultramicroscopy 96 (2003) 413-431.

[27] Midgley P. A. & Bals S., Electron Tomography, in Handbook of Nanoscopy, Volume 12. Eds: Van Tendeloo G., Van Dyck D. and Pennycook S. J., Wiley- VCH Verlag GmbH Co. KGaA (2012).

[28] Nie Z., Petukhova A., et al, Properties and emerging applications of self- assembled structures made from inorganic nanoparticles. Nature Nanotechnology 5 (2010) 15-25.

[29] Pennycook S., Z-Contrast Transmission Electron-Microscopy - Direct Atomic Imaging of Materials. Annular Review of Materials Science 22 (1992) 171-195.

[30] Pennycook S. J., Rafferty B., et al, Z-contrast Imaging in an Aberration- corrected Scanning Transmission Electron Microscope. Microscopy and Micro- analysis 6 (2000) 343-352.

[31] Radon J., U ̈ber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte lngs gewisser Mannigfaltigkeiten. Ber. Verh. Ko ̈nig Sa ̈chs. Ges. Wiss. Leipzig, Math. Phys. Kl., 69 (1917) 262267.

[32] Rosi N., Mirkin C., Nanostructures in Biodiagnostics. Chemical Reviews 105 (2005) 1547-1562.

[33] S ́anchez-Iglesisas A., Grzelczak M., et al, Hydrophobic Interactions Modulate Self-Assembly of Nanoparticles. ACS Nano 6 (2012) 11059-11065.

[34] Sun Y., Wang Y., Monitoring of Galvanic Replacement Reaction between Silver Nanowires and HAuCl4 by In Situ Transmission X-ray Microscopy. Nano Letters 11 (2011) 4386-4392.

[35] Tam J. O., Tam J. M., et al, Biodegradable Near-Infrared Plasmonic Nanoclus- ters for Biomedical Applications. Plasmonics in Biology and Medicine VII: Pro- ceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 7577 (2010)

[36] Tam J. M., Tam J. O., Controlled Assembly of Biodegradable Plasmonic Nan- oclusters for Near-Infrared Imaging and Therapeutic Applications. ACS Nano 4 (2010) 2178 2184.

[37] Unser M., et al, Spectral signal-to-noise ratio and resolution assessment of 3D reconstructions. Journal of Structural Biology 149 (2005) 243-255.

[38] Williams D., Carter C., Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Ma- terials Science. Springer (2009).

[39] Xin H., Zheng H., In Situ Observation of Oscillatory Growth of Bismuth Nanoparticles. Nano Letters 12 (2012) 1470-1474.

[40] Yuk J., Park J., et al, High-Resolution EM of Colloidal Nanocrystal Growth Using Graphene Liquid Cells. Science 336 (2012) 61-64.

[41] Zheng H., Smith R., et al, Observation of Single Colloidal Platinum Nanocrystal Growth Trajectories. Science 324 (2009) 1309-1312.

 

 WebRep currentVote  noRatingnoWeight           

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de fysica
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: